人工智能在新型冠狀病毒肺炎患者胸部CT病變范圍評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值

黃亞男 毛海佳 楊民霞 湯偉 趙麗 趙振華

新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）診療方案（試行第五版）中，將胸部影像學(xué)表現(xiàn)列入湖北地區(qū)COVID-19臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前所有患者都需要進(jìn)行胸部CT檢查，同時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)比同一例患者的多次檢查結(jié)果，這大大增加了影像診斷醫(yī)師工作壓力。為了減輕診斷醫(yī)師負(fù)擔(dān)，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的人工智能（artificial intelligence，AI）軟件能對(duì)COVID-19患者的胸部CT檢查結(jié)果進(jìn)行智能診斷。筆者通過(guò)分析AI軟件對(duì)病變累及范圍和不同時(shí)間變化趨勢(shì)的診斷準(zhǔn)確性，并與人工CT評(píng)分比較，探討AI在COVID-19患者影像學(xué)診斷及病情評(píng)估中的應(yīng)用價(jià)值。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象 收集紹興市人民醫(yī)院2020年1月22日至3月8日經(jīng)RT-PCR檢測(cè)確診為COVID-19患者25例，男14例，女11例，年齡26～70（47.9±13.9）歲。其中湖北旅居史19例，與確診病例密切接觸史6例，臨床表現(xiàn)以發(fā)熱和呼吸道癥狀為主，發(fā)熱24例，咳嗽14例，畏寒14例，胸悶、氣促2例，乏力2例，惡心、嘔吐2例，全身酸痛、頭痛、咳痰、胸痛、咽痛各1例。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第七版）》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分型[2]，其中危重型4例，重型7例，普通型10例，輕型4例，將危重型和重型歸為A組11例，普通型和輕型歸為B組14例。A組男7例，女4例，平均年齡（49.9±13.6）歲；B組男7例，女7例，平均年齡（46.4±14.5）歲，兩組性別、年齡比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)文號(hào)：2020倫審論第25號(hào)）。

1.2 方法 所有患者入院前及入院期間在發(fā)熱門診與隔離病房專用機(jī)房行胸部CT平掃。采用ScintCare CT 16（中國(guó)明峰公司）和Duo Emotion 2排CT（德國(guó)Siemens公司），患者平臥于檢查床，頭先進(jìn)，掃描范圍自肺尖至肺底，屏氣方式進(jìn)行掃描。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流160 mAs，矩陣512×512，ScintCare CT層厚2 mm，Duo Emotion 2排CT層厚5 mm）。

1.3 圖像后處理

1.3.1 圖像收集 收集兩組患者入院期間的所有胸部CT檢查圖像資料，共計(jì)85次85份圖像，其中A組54份，B組31份。以患者出現(xiàn)癥狀的日期記為第一天，分別記錄兩組患者在第1～3天（1～）、第4～6天（第4～）、第7～9天（第7～）、第10～12天（第10～）、第13～15天（第13～）、第16～18天（第16～）、第19～21天（第19～）、第22～24天（第22～）、第25～27天（第25～）及第28天以后（第28～）的CT檢查次數(shù)（由于第28天之后進(jìn)行CT檢查的次數(shù)跨度較大，因此最后分組時(shí)間截止為第28天之后）。

1.3.2 CT評(píng)分及所需時(shí)間 由2位有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)CT影像資料進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分不一致時(shí)經(jīng)協(xié)商討論決定；記錄2位醫(yī)師完成人工CT評(píng)分所需時(shí)間。CT評(píng)分方法：總分為肺部病變受累范圍之和，共5個(gè)肺葉，每個(gè)肺葉病變范圍0～5分，0分，無(wú)病變；1分，病變范圍＜5%；2分，病變范圍5%～25%；3分，病變范圍26%～50%；4分，病變范圍51%～75%；5分，病變范圍＞75%[3]；總分0～25分。

1.3.3 AI軟件后處理及處理時(shí)間 使用COVID-19 AI軟件（BioMindRCOVID-19精確診斷特別版，北京安德醫(yī)智科技有限公司）進(jìn)行圖像后處理；該AI軟件的病灶及肺葉分割網(wǎng)絡(luò)以高分辨率深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)HRNet_v2（High-Resolution Representations for Labeling Pixels and Regions，高分辨率表示標(biāo)記像素和區(qū)域）為基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)注數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)肺葉及病灶的自動(dòng)定位分割，并根據(jù)分割結(jié)果自動(dòng)測(cè)量病變總體積及肺葉體積，進(jìn)而計(jì)算病變累及范圍。由1位低年資放射科醫(yī)師在PACS系統(tǒng)中將所有圖像上傳至后處理工作站，記錄應(yīng)用AI軟件完成85份圖像所需時(shí)間和評(píng)估病變累及范圍（病變總體積及占全肺體積的百分比）結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 兩組患者AI評(píng)估病變累及范圍、人工CT評(píng)分的比較 A組AI評(píng)估病變累及范圍、人工CT評(píng)分均高于B組，兩組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.01），見(jiàn)表1。兩組患者不同時(shí)間進(jìn)行胸部CT平掃次數(shù)及AI評(píng)估病變累及范圍、人工CT評(píng)分見(jiàn)表2、圖1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種評(píng)價(jià)方式對(duì)病變范圍隨時(shí)間變化的評(píng)估趨勢(shì)吻合度高。

圖1 兩種評(píng)估方式對(duì)兩組患者的病變累及范圍變化評(píng)估折線圖

表1 兩組患者AI病變累及范圍、人工CT評(píng)分的比較

表2 兩組患者不同時(shí)間胸部CT平掃次數(shù)、AI評(píng)估病變累及范圍與人工CT評(píng)分的比較

2.2 AI評(píng)估病變累及范圍與人工CT評(píng)分的所需時(shí)間采用AI軟件評(píng)估病變累及范圍所需時(shí)間共計(jì)2.5 h，明顯短于人工CT評(píng)分所需時(shí)間的6 h。

2.3 AI評(píng)估病變累及范圍與人工CT評(píng)分之間的相關(guān)性分析 結(jié)果顯示，人工CT評(píng)分與AI評(píng)估病變累及范圍呈正相關(guān)（r=0.902，P＜0.01），見(jiàn)圖2。

圖2 人工CT評(píng)分與人工智能（AI）評(píng)估病變累及范圍的散點(diǎn)圖

3 討論

隨著COVID-19的發(fā)展，臨床上對(duì)CT檢查的需求性日益增加，影像科醫(yī)師不僅需要對(duì)肺部病變范圍進(jìn)行評(píng)估，還需要對(duì)不同時(shí)間段病變變化情況進(jìn)行評(píng)估，以指導(dǎo)臨床精準(zhǔn)治療。如何減輕影像診斷醫(yī)師的工作負(fù)荷并提高影像診斷的效率是目前亟待解決的問(wèn)題。

本研究發(fā)現(xiàn)，AI評(píng)估病變累及范圍與人工CT評(píng)分之間呈正相關(guān)。使用AI軟件對(duì)COVID-19患者進(jìn)行肺部病變累及范圍的評(píng)價(jià)具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）AI軟件所得的結(jié)果具有高度可信性；（2）對(duì)病變范圍評(píng)價(jià)所需醫(yī)師年資要求低，本研究?jī)H1位低年資醫(yī)師利用AI軟件即可較準(zhǔn)確完成2位高年資醫(yī)師的工作內(nèi)容，可以緩解高年資醫(yī)師的工作量壓力；（3）評(píng)估時(shí)間縮短：AI評(píng)估病變累及范圍所需時(shí)間明顯短于人工CT評(píng)分所需時(shí)間；（4）評(píng)價(jià)結(jié)果定量化：由于醫(yī)師在對(duì)影像資料進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程中，可能由于人為因素如經(jīng)驗(yàn)、疲勞等造成誤差，AI可替代完成程序化和機(jī)械性的重復(fù)工作，并提供客觀的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，兩種評(píng)估方法均提示危重-重型患者在出現(xiàn)癥狀后的10～12 d內(nèi)，胸部CT病變范圍達(dá)到頂峰。有研究報(bào)道52例危重癥患者從出現(xiàn)癥狀到入住ICU的中位時(shí)間為9.5 d（7.0～12.5）[4]。與本研究時(shí)間相近，其時(shí)間稍短于本研究，可能是由于本研究包含了重癥患者，對(duì)結(jié)果稍有影響。同樣，在普通-輕型患者組中，兩種評(píng)價(jià)方式均提示普通-輕型患者在出現(xiàn)癥狀后的7～10 d內(nèi)，胸部CT病變范圍達(dá)到最高，且兩種評(píng)價(jià)方式對(duì)病變范圍隨時(shí)間變化的評(píng)估趨勢(shì)吻合度高。

綜上所述，AI不僅能較精準(zhǔn)完成COVID-19患者病變累及范圍動(dòng)態(tài)定量評(píng)估，而且可以明顯縮短評(píng)估所需時(shí)間，提高工作效率。