乳腺X射線攝影圖像測評數(shù)據(jù)庫相關要求的探討

谷曉芳，王穎，馬兆毅，彭亮，張宇晶，楊鵬飛

1.國家藥品監(jiān)督管理局 醫(yī)療器械技術(shù)審評中心，北京 100081；2.國家衛(wèi)生健康委能力建設和繼續(xù)教育中心，北京 100091

引言

乳腺癌已經(jīng)超越肺癌成為全球確診患病率最高的癌癥。據(jù)估計，2020年全球有230萬乳腺癌新發(fā)病例和68.5萬死亡病例[1]。醫(yī)學影像診斷是乳腺癌鑒別和早診的重要手段，進行乳腺鉬靶（X射線）篩查，可降低診斷為乳腺癌后10年內(nèi)的死亡率以及晚期乳腺癌的發(fā)生率[2]。相應的乳腺影像人工智能（Artificial Intelligence，AI）輔助決策技術(shù)也成為研究機構(gòu)和企業(yè)的重點關注方向。通過對乳腺影像的自動化處理，利用AI技術(shù)輔助醫(yī)師的診斷，可以減輕臨床醫(yī)師的工作負擔，提高工作效率和診斷準確性[3]。

1 背景介紹

從20世紀90年代開始，計算機輔助診斷（Computer Aided Diagnosis，CAD）技術(shù)被應用于乳腺X射線診斷中，大量輔助工具被開發(fā)出來[4]。我國批準了若干應用傳統(tǒng)CAD技術(shù)的輔助檢測軟件上市，該類產(chǎn)品通常用于放射科醫(yī)生完成乳腺X射線圖像初步判讀之后進行疑似病變區(qū)域的識別和標記，不具備輔助診斷的功能。此類算法大多基于傳統(tǒng)的CAD算法，沒有深度網(wǎng)絡，在實際應用中仍有不足[5-6]。

近幾年，深度學習逐漸應用到乳腺影像輔助診斷領域，乳腺AI輔助診斷系統(tǒng)的診斷水平大幅提高[7]。有研究結(jié)果顯示，AI軟件對腫塊、鈣化、非對稱和結(jié)構(gòu)扭曲等病灶的檢出敏感度高，且穩(wěn)定性強，有望輔助臨床醫(yī)師減少漏檢，在減輕醫(yī)生工作負擔的同時，提升臨床對不同征象和BIRADS分類腫塊檢出的穩(wěn)定性[6,8-9]。智能輔助決策系統(tǒng)的準確性和效率提高，可在篩查、診斷、確診、治療等多個診療環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用[10]。

2 國外乳腺X射線數(shù)據(jù)庫介紹

乳腺X影像AI輔助診斷技術(shù)的發(fā)展依賴于規(guī)范的數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建大型公共可用的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，對于AI模型的測試和評估非常必要。

目前國際常用的乳腺X射線影像數(shù)據(jù)庫有：乳腺 X 線數(shù)字圖像數(shù)據(jù)集[11]、乳腺 X 線影像分析協(xié)會數(shù)據(jù)集[12]、數(shù)字乳腺數(shù)據(jù)集[13]、INbreast 全視野數(shù)字乳腺 X 線攝影[14]等。這些數(shù)據(jù)庫仍有不足，例如有些數(shù)據(jù)是通過膠片掃描獲得的，數(shù)據(jù)精度低，有偽影；有些數(shù)據(jù)格式不符合DICOM規(guī)范；有些數(shù)據(jù)庫數(shù)量偏少，只有幾百例；亞洲女性致密性腺體數(shù)據(jù)少等。目前多用于教學和科研和算法的評估仍有很多不足之處[10]。

中國目前沒有公共可用的數(shù)據(jù)集，有部分從事乳腺影像輔助診斷系統(tǒng)研發(fā)的公司有自己的乳腺數(shù)據(jù)集，部分公立醫(yī)院也建立了醫(yī)院內(nèi)部的診斷數(shù)據(jù)集，但通常不具備大量的已標注數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)集并沒有統(tǒng)一的標準和要求，制定數(shù)據(jù)集的采集、標注、質(zhì)控等規(guī)范和要求，可以促進AI技術(shù)在乳腺疾病輔助診斷領域的應用和發(fā)展。

3 乳腺X射線數(shù)據(jù)庫建設的基本要求

構(gòu)建大型公共可用的測試數(shù)據(jù)集，除滿足數(shù)據(jù)庫通用要求（如數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡安全與數(shù)據(jù)安全、可擴展性等）外，還應滿足以下專用要求：權(quán)威性、科學性、規(guī)范性、多樣性、封閉性和動態(tài)性[15]。數(shù)據(jù)集構(gòu)建過程中應考慮倫理和患者隱私保護要求、數(shù)據(jù)分布要求（患者人群分布、地域分布、流行病學特征分布、病灶特征分布等）、采集過程要求、數(shù)據(jù)脫敏清洗要求、數(shù)據(jù)標注和質(zhì)控要求等。

3.1 倫理要求

數(shù)據(jù)庫使用的X射線攝影圖像原始數(shù)據(jù)的收集應通過倫理委員會的批準，或者屬于豁免的臨床脫敏數(shù)據(jù)。包括原始圖像、用于統(tǒng)計用途的年齡、月經(jīng)史、生育史、家族史等流行病學信息，以及其他相關的臨床數(shù)據(jù)和信息資料（如病理結(jié)果、診斷報告等）。患者隱私保護、補償?shù)葢敐M足相關法規(guī)的要求，如有必要應獲取患者簽訂的知情同意書。

3.2 數(shù)據(jù)分布要求

數(shù)據(jù)集應具有充分的多樣性，以提高數(shù)據(jù)集的代表性和權(quán)威性。應考慮不同人種、不同地域、不同臨床機構(gòu)、不同流行病學特征、不同采集設備的差異。結(jié)合乳腺X射線數(shù)據(jù)臨床診斷經(jīng)驗，還應該考慮乳腺腺體密度，病灶類型、BI-RADS分級等因素。為了降低數(shù)據(jù)集的覆蓋偏倚，在數(shù)據(jù)集的構(gòu)建過程中需盡可能考慮多維度的要求。

3.2.1 地域分布

國家癌癥中心公布的數(shù)據(jù)顯示，2015年中國女性乳腺癌新發(fā)病例為30.4萬例，不同地域女性乳腺癌發(fā)病率存在差異，總體為城市乳腺癌發(fā)病率（54.3/10萬）高于農(nóng)村（33.6/10萬），不同地區(qū)之間女性乳腺癌發(fā)病率也存在差異（東部地區(qū)＞中部地區(qū)＞西部地區(qū)）[16]。在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時應考慮地理區(qū)域分布、城市/農(nóng)村分布、采集醫(yī)院等級分布等，設置合理的分布比例，更好地模擬實際發(fā)病情況。

3.2.2 臨床機構(gòu)分布

為保證數(shù)據(jù)來源的多樣性，數(shù)據(jù)分布的科學性和合理性，在選擇數(shù)據(jù)集采集的臨床機構(gòu)時，需考慮覆蓋多種場景，如體檢、篩查、門診與住院等，盡可能來源于多家、多地域、多層級的代表性臨床機構(gòu)。

3.2.3 流行病學特征分布

據(jù)國家癌癥中心數(shù)據(jù)顯示，女性乳腺癌的發(fā)病率從30歲左右開始呈上升趨勢，乳腺X射線檢查主要集中在35歲以上的群體。2015年我國女性45歲起乳腺癌發(fā)病率呈上升趨勢，且維持在較高水平（圖1）。2000年至2014年各年份腫瘤登記地區(qū)的女性乳腺癌年齡發(fā)病率分析結(jié)果顯示，各年齡組女性乳腺癌發(fā)病率均有所上升，乳腺癌發(fā)病高峰年齡主要集中在50～59歲[17]。構(gòu)建數(shù)據(jù)集時需重點考慮各年齡段人群入組情況，不同年齡段設置合適的比例，發(fā)病高峰年齡段適當增加人群占比。除年齡因素外，還應綜合考慮月經(jīng)史、生育史、家族史等流行病學信息。

圖1 2015年所有登記區(qū)域內(nèi)女性乳腺癌年齡別發(fā)病率（數(shù)據(jù)來源國家癌癥中心）

3.2.4 乳腺病灶相關特征分布

腺體密度根據(jù)BI-RADS標準分為A、B、C、D四種類型，亞洲女性致密型腺體相比于歐美女性占比更多，采集的數(shù)據(jù)應盡可能滿足國內(nèi)人群的自然分布。乳腺診斷通常依據(jù)BI-RADS標準，病灶的BI-RADS 分布要盡可能均衡，良惡性病灶都包含，覆蓋腫塊、鈣化、非對稱致密、結(jié)構(gòu)扭曲等病灶類型，同時要收集足夠的陰性病例。陽性病例的比例、BI-RADS分級、病灶類型的比例在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫都應作為考慮因素，并有合理的設定依據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集及質(zhì)控要求

3.3.1 采集信息要求

采集信息通常包括患者數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)兩部分。患者數(shù)據(jù)包括一般資料（年齡、性別、身高、體重、地域等），臨床資料（病史、月經(jīng)史、生育史、哺乳史、家族史等）、影像報告、病理報告等。采集數(shù)據(jù)包括醫(yī)院信息、人員信息（采集人員、標注人員、質(zhì)控人員等信息）和設備相關信息。

3.3.2 采集設備與采集參數(shù)要求

采集設備應取得中國境內(nèi)上市批準，并滿足相關標準要求。考慮采集設備的兼容性要求和采集參數(shù)的設置要求。同時應考慮不同品牌、不同機型的差異。采集設備應選擇具有一定代表性的制造商和型號規(guī)格。采集參數(shù)的設置應符合臨床采集規(guī)范。采集特征應考慮采集設備的采集方式（如常規(guī)成像、增強成像、DBT成像）、采集協(xié)議、采集參數(shù)（如CT加載電壓、加載電流、加載時間、層厚）、采集精度（如分辨率、采樣率）等要求。

3.3.3 采集過程要求

采集過程要求包括人員管理、采集流程、采集質(zhì)量評估等要求。人員管理應考慮采集人員的工作年限、工作經(jīng)驗、所在機構(gòu)等要求。同時，應對參與數(shù)據(jù)采集的人員進行選拔、培訓和考核，培訓內(nèi)容主要包括采集設備知識、采集步驟、操作要求、采集參數(shù)設置等。制定采集流程操作要求，包括采集步驟、拍攝體位、參數(shù)設置要求等。建立采集質(zhì)量的評估要求，包括評估方法、評估指標和通過標準，例如掃描體位是否規(guī)范、掃描范圍是否合理、圖像是否存在偽影遮擋、數(shù)據(jù)掃描是否完整等。

3.4 數(shù)據(jù)脫敏與數(shù)據(jù)清洗要求

3.4.1 數(shù)據(jù)脫敏

為保護患者隱私，數(shù)據(jù)應進行脫敏。圖像本身、頭文件、附屬文件以及數(shù)據(jù)集的元數(shù)據(jù)中均不應包含與患者隱私有關的任何信息。患者個人信息、醫(yī)保信息、活動軌跡、經(jīng)濟社會狀況、家庭情況、財務信息等個人隱私不得搜集和顯示。

3.4.2 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗的目的是根據(jù)圖像質(zhì)量要求，對圖像進行檢查和確認，去除不合格數(shù)據(jù)。圖像的質(zhì)量要求一般包括影像數(shù)據(jù)一致性檢查、單個文件的完整性、去除重復數(shù)據(jù)、最佳影像選取等。數(shù)據(jù)脫敏和清洗應選擇合適的工具，考慮其運行環(huán)境，并驗證其符合性。制定合適的脫敏/清洗規(guī)則，如脫敏類型（如靜態(tài)、動態(tài)）、程度、方法，數(shù)據(jù)預處理需考慮處理的方法：如濾波、增強、重采樣、尺寸裁剪、均一化等。

3.5 數(shù)據(jù)標注及質(zhì)控要求

數(shù)據(jù)標注是數(shù)據(jù)質(zhì)控的關鍵環(huán)節(jié)，應建立數(shù)據(jù)標注操作規(guī)范，明確標注人員要求、標注設備和環(huán)境要求、標注過程要求、標注質(zhì)量評估要求等。

3.5.1 標注人員

標注醫(yī)師又分為標注人員、審核人員和仲裁人員。其中，標注醫(yī)師的資質(zhì)建議要求為臨床醫(yī)學、醫(yī)學影像等相關專業(yè)，具備一定閱片經(jīng)驗。仲裁人員應有豐富的閱片經(jīng)驗，由比標注人員和審核人員更權(quán)威的人員擔任。標注醫(yī)師應接受培訓，熟悉統(tǒng)一的標注規(guī)則，并且熟練掌握標注軟件的操作。

3.5.2 標注設備和環(huán)境

應考慮標注的場所、環(huán)境條件、標注設備和標注軟件等要求。標注場所可考慮真實場所或模擬場所，考慮空間、照明、溫度、濕度等影響因素。標注設備應考慮顯示器的分辨率要求。自動標注軟件應滿足網(wǎng)絡安全要求、數(shù)據(jù)保護等要求，使用前需進行軟件確認。自動標注結(jié)果不得直接使用，應由標注人員審核后方可使用。

3.5.3 標注流程

為提高標注結(jié)果的準確性，避免偏倚，標注流程可多輪次多人標注或多輪次分組交叉進行。設置審核環(huán)節(jié)，由審核人員對檢出病灶和分類結(jié)果進行審核修改，糾正漏診、誤診和誤判。如果遇到疑難問題或出現(xiàn)分歧時，由仲裁人員進行仲裁，必要時可由專家進行集體討論確認。主要標注內(nèi)容包括病灶區(qū)域標注、腺體密度分類、病灶類型和特征、象限深度標注以及典型良性鈣化和伴隨征象標注（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)主要標注內(nèi)容

3.5.4 標注要求

需要根據(jù)乳腺X射線閱片規(guī)則，對雙側(cè)乳腺的4個體位獨立觀察。由于乳腺結(jié)構(gòu)的特殊性，X射線攝影很難在單一體位將乳腺組織全部包括，因此標準的乳腺X射線攝影數(shù)據(jù)為每側(cè)乳腺2個體位，對病灶的標注需在2個體位分別進行。同時由于兩側(cè)乳腺結(jié)構(gòu)大致對稱，需要對雙側(cè)乳腺對稱觀察，如果僅利用單側(cè)圖像進行病灶檢測，則可能會遺漏小的病灶或?qū)⒄Ｏ袤w組織誤診為病灶。

（1）病灶區(qū)域標注。根據(jù)乳腺不同病灶的影像特征，進行病灶區(qū)域的輪廓標注。

（2）腺體密度分類。乳腺X射線攝影中病灶的檢出與乳腺腺體類型密切相關，不同腺體分型會影響乳腺癌檢出的敏感性，準確地判斷乳腺腺體類型對于臨床醫(yī)生理解圖像的診斷結(jié)果具有重要意義。參照BI-RADS標準，分為A、B、C、D四種類型。

（3）病灶類型和特征標注。ROI區(qū)域的勾畫：盡可能貼近病灶邊緣輪廓進行勾畫，對于無明確邊緣的病灶需要盡量勾畫出病灶區(qū)域。病灶類型：參照BI-RADS標準分為腫塊、鈣化、結(jié)構(gòu)扭曲和非對稱致密。對于腫塊病灶需要考慮其大小、形狀、邊緣、密度等信息；對于鈣化病灶，常常單獨或者伴隨其他征象出現(xiàn)，其中微小乳腺癌接近一半是因為其特殊的鈣化征象被乳腺X射線探及，因此分析乳腺鈣化特點具有重要的臨床價值。非對稱致密需要進一步判讀其具體的類型，對于判斷是否有乳腺癌具有重要的意義。考慮不同腺體類型對病灶標注有影響，例如我國女性的不均勻致密型和致密型乳腺比例較高，容易對腫塊、結(jié)構(gòu)扭曲以及非對稱致密等病灶造成遮擋，導致病灶檢出的假陰性率升高，必要時可以用超聲和核磁共振作為補充檢查措施。BI-RADS分級：對病灶的形態(tài)進行良惡性判斷，之后給出病灶的BI-RADS分級。病灶尺寸標注：可由標注軟件自動給出病灶的尺寸，最后由標注人員確認。

（4）象限深度標注。結(jié)合BI-RADS指南，對病灶的深度與象限進行標注。

（5）典型良性鈣化與伴隨標注。孤立的典型良性鈣化需進行標注；伴隨征象如腋窩淋巴結(jié)腫大、皮膚回縮、皮膚增厚、乳頭回縮等對于臨床診斷有一定的參考價值，為保證數(shù)據(jù)集標注的全面性，伴隨征象也需要進行標注。

3.5.5 標注質(zhì)量評估

應建立標注質(zhì)量評估要求，包括評估人員、評估方法、評估指標、通過準則等。依據(jù)評估標準對數(shù)據(jù)標注的質(zhì)量進行評估，例如標注的準確性、規(guī)范性等。

3.6 數(shù)據(jù)集的封閉性和動態(tài)性

為保證測評數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證算法性能評價的客觀性、公正性、公平性，應考慮數(shù)據(jù)集的封閉性和動態(tài)性要求[15]。封閉性：測評數(shù)據(jù)和測試活動庫應封閉管理，樣本總量需遠大于單次測試樣本量；動態(tài)性：測評數(shù)據(jù)庫應定期更換一定比例的數(shù)據(jù)樣本，以保證其具備持續(xù)的多樣性和封閉性；數(shù)據(jù)更換的頻率、比例需有確定依據(jù)，并滿足規(guī)范性要求。

3.7 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理要求

為保證數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，數(shù)據(jù)構(gòu)建者應對數(shù)據(jù)集的質(zhì)量進行評估和風險分析并形成研究資料，作為后續(xù)管理和使用的客觀依據(jù)。數(shù)據(jù)集建立過程中的設計考慮、采集過程及質(zhì)控要求、數(shù)據(jù)脫敏和清洗要求、標注過程及質(zhì)控要求等均建議形成文檔記錄，便于后續(xù)數(shù)據(jù)集質(zhì)量的評估，同時為后續(xù)數(shù)據(jù)集的使用和管理提供方便。

4 總結(jié)

AI輔助臨床醫(yī)生對影像進行診斷，對于提高醫(yī)生的診斷準確率和效率，有積極的作用。乳腺AI產(chǎn)品研發(fā)難度高，標注復雜，有許多挑戰(zhàn)。目前乳腺AI輔助診斷領域的產(chǎn)品相對較少，仍沒有正式批準上市的產(chǎn)品。國外的公開數(shù)據(jù)庫存在諸多問題，迫切需要針對我國實際情況建立規(guī)范的乳腺X射線測評數(shù)據(jù)集，為產(chǎn)品使用人員、監(jiān)管人員等提供數(shù)據(jù)支持，從而促進行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。