基于人工智能密度直方图预测磨玻璃结节病理分型

张怀瑢，孙潇，田兴仓，韩颜竹，洪立平，朱力

宁夏医科大学总医院放射科，宁夏 银川 750000；*通信作者 朱力 zhuli72＠163.com

随着高分辨率CT在临床中的广泛应用，磨玻璃结节（ground glass nodules，GGNs）的检出率逐年升高。GGNs是肺部非特异性的CT征象，可能发生于良性肺疾病，但持续存在的GGNs应高度怀疑为肺腺癌[1]。WHO 2021年肺肿瘤组织新分类中将非典型瘤样增生（atypical adenomatous hyperplasia，AAH）和原位癌（adenocarcinoma in situ，AIS）归为腺体前驱病变（precursor glandular lesion，PGL）；浸润性病变包括微浸润腺癌（minimally invasive adenocarcinoma，MIA）及浸润性腺癌（invasive adenocarcinoma，ICA）[2]，该分类提出原位癌不是恶性肿瘤，对GGNs处理指导意见重大。持续存在的GGNs从AAH、AIS、MIA到ICA是一个过程，反映了肿瘤生长、演变及转化的特点，不同的病理类型处理方法及预后存在差异[3]。AAH、AIS暂不需要手术，可随访复查；MIA可采取楔形切除，手术创伤小，术后无需放化疗，5年生存率可达100%[4]；ICA常采用肺叶切除[5]。然而，早期肺腺癌影像形态学表现不典型，而且AAH、AIS、MIA、ICA的影像学特征部分重叠。近年，随着人工智能（artificial intelligence，AI）技术的发展，AI对肺癌的早期诊断能够提供一定的技术支持，如通过结节CT值和实性成分可以判断其侵袭程度[6-7]。本研究通过AI结节密度直方图技术定量分析磨玻璃肺结节特征，预测GGNs的病理分型，以更好地帮助临床制订治疗方案和管理患者。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性选取宁夏医科大学总医院2017年1月—2020年12月经手术和病理证实的CT表现为GGNs患者121例，其中男50例，女71例，年龄35～74岁，平均（51±13）岁，分为PGL组（AAH和AIS）34例、MIA组28例、ICA组59例。纳入标准：①有完整薄层图像的肺部GGNs；②有完整的病理结果；③未行放疗或化疗。排除标准：①肺部转移瘤；②图像质量差；③结节内有空洞。本研究通过我院伦理委员会审查（2020-552）。

1.2 检查方法 采用西门子Somatom Definition Flash 64排螺旋CT机，患者取仰卧位，头先进，一次吸气屏气后完成全肺扫描，扫描范围自胸廓入口至肺底部，扫描参数：120 kV，自动毫安，层厚8 mm，螺距1.375∶1，视野387 mm，矩阵512×512，扫描时间7.41 s。扫描完成后，将数据用标准算法（B31）进行轴位重建，层厚1.0 mm。图像观察条件：肺窗的窗宽2 000 Hu，窗位-500 Hu；纵隔窗的窗宽440 Hu，窗位45 Hu，必要时采取合适的调窗技术。

1.3 CT定量测量方法 首先由1名具有5年工作经验的放射科医师筛选磨玻璃肺结节，再由1名具有10年工作经验的放射科医师核查，意见不统一时双方讨论达成一致意见，2位医师均采用盲法分析。将所有薄层图像传至推想科技肺结节后处理工作站6.0版本，自动检测所有肺结节，并且对结节分类（以-145 Hu为界区分实性与非实性成分[8-9]），人工筛选出软件识别的GGNs，参照胸部CT肺结节数据集构建及质量控制专家共识进行标注[10]，采用密度直方图自动计算肺结节最大CT值、最小CT值、平均CT值、实性成分体积（图1）。

图1 AI筛检GGNs。GGNs位于右肺下叶（箭）。自动测量结节最长径（13.8 mm）与最短径（10.5 mm）；AI自动给出GGNs相关定量参数最大CT值、最小CT值、平均CT值、实性成分体积等

1.4 统计学方法 采用SPSS 23.0软件，符合正态分布的计量资料以±s表示，多组间比较采用单因素方差分析；不符合正态分布的计量资料以M（Q1，Q3）表示，采用Kruskal-WallisH检验，再行组间两两比较；计数资料组间比较采用χ2检验；绘制风险指数的受试者工作特征（ROC）曲线，计算曲线下面积（AUC），并求得临界值，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 结节实性成分体积与病理类型分析 121例GGNs中，ICA实性成分体积最大，其次是MIA，PGL最小；PGL与ICA两组间实性成分体积比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；PGL与MIA实性成分体积比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；MIA与ICA组实性成分体积比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。MIA和ICA均为浸润性病变，进一步比较实性成分体积在PGL与浸润性病变（MIA+ICA）间的差异，绘制ROC曲线，诊断PGL组和浸润性病变（MIA+ICA）的敏感度和特异度分别为68.5%、91.2%，曲线下面积为0.706，临界值为71.58 mm3，见图2。

2.2 CT值与结节病理类型分析 CT值与不同GGNs病理类型的统计（表1）显示，121例结节中的最大CT值、最小CT值、平均CT值在PGL中均低于MIA和ICA。PGL与MIA平均CT值比较，差异有统计学意义（P=0.029）；ICA与PGL两组间最大CT值、最小CT值、平均CT值比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；ICA与MIA平均CT值比较，差异有统计学意义（P＜0.05）。进一步比较平均CT值在PGL组与浸润性病变（MIA+ICA）间的差异，绘制ROC曲线，诊断PGL和浸润性病变（MIA+ICA）的敏感度和特异度分别为81.4%、67.6%，曲线下面积为0.757，临界值为-586 Hu，见图2。

表1 不同病理类型GGNs的定量指标

图2 各定量参数鉴别PGL和浸润性病变（MIA+ICA）的ROC曲线

3 讨论

肺癌是目前全球发病率最高的肿瘤，其癌症相关死亡率居首位[11]。在肿瘤的早期生长阶段进行检查与治疗，可以将五年生存期提高至80%以上[12]。CT检查是筛查早期肺癌的主要方法，但早期肺癌的影像学形态不典型，易造成误诊、漏诊。近年随着AI技术的发展，其可对肺结节的定量测量提供重要的支持。

3.1 GGNs实性成分体积对病理分型的预测价值 GGNs内实性成分的多少与病变病理侵袭性等级相关，若GGNs病灶内含有实性组织成分，提示可能为腺癌，且恶性率高达90%以上[13-14]。既往研究主要通过测量GGNs 实性成分长径和实性成分占肿瘤比率（consolidation-to-tumor ratio，CTR）作为常用参数，即肺窗中实性成分大小与结节总大小的比值[15]。Yoshida等[16]研究发现MIA内实性成分长径大于PGL，可以作为预测MIA的独立因素。黎增亮等[17]报道当CTR值＞0.5时，是多发GGNs患者随访和治疗的参考指标。由于选择识别磨玻璃成分与实性成分的窗宽、窗位不同，往往会导致测量差异较大。本研究基于AI肺结节密度分析，以-145 Hu为界自动区分磨玻璃成分和实性成分，自动测量GGNs中实性成分与非实性成分体积，首先排除了人为主观因素的测量误差，从而获得更高的准确度；其次体积测量能更直观地反映实性成分在结节内的占比。本研究发现，ICA实性成分体积明显大于MIA和PGL，与以往研究一致[18]；但是PGL与MIA之间实性成分体积无显著差异，与以往研究结果不一致[19]，可能由于MIA实性成分较少，多表现为纯GGNs，与PGL鉴别困难；也可能是MIA病例数较少。本研究将MIA和ICA归为浸润性病变，PGL为非浸润性病变，当实性成分体积为71.58 mm3时，可为临床鉴别PGL与浸润性病变（MIA+ICA）提供参考价值。

3.2 GGNs的CT值对病理分型的预测价值 CT值测量在鉴别GGNs性质和区分病理类别中具有重要价值，既往研究表明ICA的CT值高于MIA和PGL，在结节随访中如CT值增加，则需进行临床干预[20]。代平等[21]报道随着GGNs侵袭性增加，最大CT值、平均CT值也相应地增大，当平均CT值为-577 Hu时，诊断浸润前与浸润性病变的敏感度达到86.2%。张红艳等[22]报道诊断浸润前与浸润性病变的平均CT临界值为-547 Hu。Han等[23]报道较高的CT值表明结节具有一定的侵袭性，预测GGNs侵袭性的临界值为-617 Hu。最大CT值可能代表结节内出血、钙化等，而最小CT值反映结节内空气含量，因此选用最大或最小CT值进行鉴别可能存在一定的误差。本研究基于AI密度直方图技术计算出结节的平均CT值，能真实地反映GGNs内肿瘤侵袭程度。本研究显示，ICA平均CT值高于PGL和MIA，3组间有显著差异，与郑旻等[20]的研究结果一致。由于MIA与ICA均为腺癌，需要临床干预；而PGL随访观察即可，因此在临床工作中鉴别PGL与浸润性病变（MIA+ICA）尤为关键。本研究发现，当平均CT值为-586 Hu时，可以为临床鉴别PGL与浸润性病变（MIA+ICA）提供参考，但还需结合病灶内实性成分体积及形态学特征综合做出判断。

3.3 本研究的局限性 ①纳入样本量较少，所有GGNs分为3组，其中MIA组病例最少，且与浸润前病变和ICA之间鉴别较困难，可能存在选择偏倚；②由于GGNs边界模糊，因此在识别勾画病灶时难免会出现误差；③所有病灶未进行增强扫描，对肿瘤的增殖方式、微循环、间质血管增生等深层次信息尚不能发掘。 总之，基于AI结节密度直方图定量分析可以客观地反映GGNs的整体情况。CT值测量和结节实性成分体积有助于鉴别PGL与浸润性病变（MIA+ICA），为临床医师精准制订结节处理策略提供一定的依据。