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        基于深度學(xué)習(xí)人工智能骨齡測(cè)評(píng)系統(tǒng)臨床應(yīng)用

        2021-02-24 07:44:20霍愛(ài)華王大為
        關(guān)鍵詞:閱片骨齡年資

        王 巖,霍愛(ài)華,王大為,沈 云,彭 蕓,3*

        (1.國(guó)家兒童醫(yī)學(xué)中心 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院影像中心,北京 100045;2.推想醫(yī)療科技股份有限公司,北京 100025;3.北京航空航天大學(xué)&首都醫(yī)科大學(xué)北京大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心,北京 100083)

        骨齡是骨骼發(fā)育的年齡,能較時(shí)間年齡更準(zhǔn)確地反映人體發(fā)育成熟程度,廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)和體育醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。骨齡測(cè)評(píng)(bone age assessment, BAA)是臨床確定兒童骨骼成熟度的常用方法[1],用于診斷兒童內(nèi)分泌、遺傳和生長(zhǎng)障礙等疾病,也可用于預(yù)測(cè)健康兒童的成年身高等[2]。國(guó)內(nèi)外已有多種骨齡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)目前采用中華-05骨齡評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[3],該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)多年研究論證得到眾多專(zhuān)家認(rèn)可和推薦。既往測(cè)評(píng)骨齡需由兒科放射醫(yī)師人工閱讀手腕骨X線片并計(jì)算評(píng)分而實(shí)現(xiàn),工作量大、耗時(shí),且易受主觀因素影響。近年來(lái),人工智能(artificial intelligence, AI)BAA系統(tǒng)研究[4-7]日漸增多,但多側(cè)重于概念驗(yàn)證。本研究觀察在臨床環(huán)境中BAA系統(tǒng)的效能及其對(duì)低年資兒科放射醫(yī)師的輔助作用。

        1 資料與方法

        1.1 一般資料 選擇2019年1月在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院接受BAA的兒童作為研究對(duì)象,排除存在生長(zhǎng)發(fā)育異常、內(nèi)分泌疾病及骨折等影響觀察因素者,收集5~12歲兒童手腕骨X線正位片,每個(gè)年齡組各10名,男、女各5名,不區(qū)分左右手。

        1.2 BAA手正位X線片 采用柯達(dá)、GE或 Philips CR或DR機(jī)攝左手或右手正位片。攝片時(shí)掌面向下,緊貼暗盒,中指軸與前臂軸成直線,五指自然分開(kāi),拇指與手掌面呈約30°角,球管中心正對(duì)第3掌骨頭,管片距為70~90 cm。

        1.3 BAA系統(tǒng) 采用推想醫(yī)療科技股份有限公司BAA系統(tǒng),分別用于獨(dú)立性能測(cè)試和輔助低年資兒科放射醫(yī)師閱片。

        1.4 標(biāo)準(zhǔn) BAA系統(tǒng)和閱片醫(yī)師均采用中華-05法中的TW3-RUS標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)掌指骨測(cè)評(píng)骨齡。由1名具有10年經(jīng)驗(yàn)的高年資兒科放射醫(yī)師(副主任醫(yī)師)借助BAA系統(tǒng)(不限制測(cè)評(píng)時(shí)間)建立參考骨齡(金標(biāo)準(zhǔn))。將1名具有4年測(cè)評(píng)骨齡經(jīng)驗(yàn)的兒科醫(yī)師的閱片結(jié)果、BAA系統(tǒng)測(cè)評(píng)結(jié)果與金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

        1.5 閱片試驗(yàn) 低年資兒科放射醫(yī)師首先獨(dú)立測(cè)評(píng)骨齡,記錄測(cè)評(píng)所需時(shí)間;同一醫(yī)師間隔4周(洗脫期)在BAA系統(tǒng)輔助下再次閱片,記錄測(cè)評(píng)時(shí)間。與金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,評(píng)價(jià)BAA系統(tǒng)對(duì)低年資兒科放射醫(yī)師的輔助作用。

        1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以Pearson相關(guān)分析評(píng)價(jià)測(cè)評(píng)骨齡與參考骨齡之間的相關(guān)性,以Bland-Altman分析觀察測(cè)評(píng)骨齡與參考骨齡的一致性。采用均方根誤差(root mean square error, RMSE)和平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)評(píng)價(jià)BAA準(zhǔn)確度。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        2 結(jié)果

        2.1 BAA系統(tǒng)臨床效能 BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果和參考骨齡顯著相關(guān)[r=0.969,95%CI(0.953,0.979),P<0.01],見(jiàn)圖1。Bland-Altman一致性分析顯示二者平均差異為0.22歲[95%一致性界限為(-0.921,1.359)],見(jiàn)圖2。BAA系統(tǒng)RMSE和MAE分別為0.62歲和0.47歲。

        圖1 預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的相關(guān)性 圖2 預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的Bland-Altman一致性

        按年齡分組,BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡在各年齡組中均顯著相關(guān)(P均<0.05),見(jiàn)表1,尤以5~10歲年齡段為著。各年齡組中BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡RMSE和MAE結(jié)果見(jiàn)表2。

        表1 不同年齡組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡的相關(guān)性分析

        表2 不同年齡組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡的RMSE和MAE(歲)

        按性別分組,男性組和女性組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡均顯著相關(guān)(r男=0.967、r女=0.970,P均<0.05),見(jiàn)圖3。Bland-Altman一致性分析顯示,女性組BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡平均差異為0.28歲[95%一致性界限為(-0.80,1.36)],男性組為0.16歲,[95%一致性界限為(-1.06,1.36)]。結(jié)合BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡,男性組RMSE和MAE分別為0.63歲和0.47歲,女性組分別為0.61歲和0.48歲。

        圖3 BAA系統(tǒng)預(yù)測(cè)不同性別兒童骨齡與參考骨齡的相關(guān)性 圖4 醫(yī)師獨(dú)立閱片與AI系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡間的相關(guān)性分析

        2.2 BAA系統(tǒng)的輔助作用 BAA系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片預(yù)測(cè)結(jié)果與參考骨齡顯著相關(guān)[r獨(dú)立=0.968,95%CI(0.947, 0.981),P<0.05;r輔助=0.988, 95%CI(0.981, 0.993),P<0.05],見(jiàn)圖4。Bland-Altman一致性分析顯示,醫(yī)師獨(dú)立閱片預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡平均差異為-0.52歲[95%一致性界限(-1.98,0.94)];BAA系統(tǒng)輔助下,平均差異減小至-0.11歲[95%一致性界限為(-0.82,0.60)]。醫(yī)師獨(dú)立閱片預(yù)測(cè)結(jié)果RMSE和MAE分別是0.71歲和0.9歲,而B(niǎo)AA系統(tǒng)輔助醫(yī)師閱片RMSE和MAE分別減少至0.27歲和0.38歲。

        BAA系統(tǒng)輔助下,平均測(cè)評(píng)時(shí)間由醫(yī)師獨(dú)立閱片的4 min 40 s縮短至2 min 15 s。

        3 討論

        測(cè)定骨齡是目前臨床衡量個(gè)體生長(zhǎng)水平較為準(zhǔn)確的方法之一[8],常用于評(píng)價(jià)兒童和青少年實(shí)際年齡,診斷兒童內(nèi)分泌和生長(zhǎng)紊亂等疾病以及監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)發(fā)育異常的治療情況等[9]。較為常用的測(cè)定骨齡方法主要有圖譜法和計(jì)分法,均以骨發(fā)育成熟度指征為基礎(chǔ),前者快速、簡(jiǎn)單,但組內(nèi)、組間結(jié)果差異較大,準(zhǔn)確性較差;后者準(zhǔn)確性較好,但測(cè)評(píng)所需時(shí)間較長(zhǎng),臨床應(yīng)用受到一定限制[10-11]。結(jié)合不同臨床場(chǎng)景,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種測(cè)定骨齡的AI模型,但均需要進(jìn)行相應(yīng)臨床驗(yàn)證和評(píng)估[12]。本研究在臨床環(huán)境下驗(yàn)證商品化AI測(cè)評(píng)骨齡模型的應(yīng)用效能和輔助作用。

        本研究所用BAA系統(tǒng)基于中華-05計(jì)分法,采用深度學(xué)習(xí)算法,經(jīng)數(shù)萬(wàn)例訓(xùn)練而成,通過(guò)自動(dòng)精準(zhǔn)定位和形態(tài)分析評(píng)價(jià)橈骨、掌骨及指骨共13塊骨骼的發(fā)育程度,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確測(cè)評(píng)骨齡,與參考骨齡之間的一致性較高,且其預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡間平均誤差僅為0.47歲,優(yōu)于許多其他深度學(xué)習(xí)模型BAA測(cè)試集結(jié)果(0.6歲、0.75歲)[13-14]。進(jìn)一步分析各年齡組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)識(shí)別測(cè)評(píng)掌指骨骨骺發(fā)育形態(tài)較為準(zhǔn)確,尤以5~10歲年齡段為著,預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡一致性較高;11/12歲年齡組預(yù)測(cè)骨齡一致性差異稍大,可能與其骨骺較成熟且所代表的分值間差異較大有關(guān)。無(wú)論對(duì)于男性還是女性?xún)和?,該系統(tǒng)預(yù)測(cè)骨齡與參考骨齡均有較高的準(zhǔn)確性和一致性,與LEE等[6]的結(jié)果類(lèi)似,可在一定程度上保證其臨床應(yīng)用的穩(wěn)定性。采用該系統(tǒng)輔助醫(yī)師,尤其是低年資兒科放射醫(yī)師閱片,可顯著提升測(cè)評(píng)骨齡的準(zhǔn)確性和一致性[15]。

        本研究存在一定局限性,可能會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)偏倚:納入樣本量有限;參考骨齡及實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)均僅來(lái)源于1名醫(yī)師,設(shè)計(jì)略顯單薄,也會(huì)對(duì)測(cè)評(píng)結(jié)果產(chǎn)生影響;僅利用本院數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床驗(yàn)證,存在局限性。

        總之,基于深度學(xué)習(xí)的BAA系統(tǒng)用于評(píng)價(jià)不同年齡、不同性別兒童掌指骨骨骺發(fā)育情況及骨齡評(píng)估具有良好準(zhǔn)確性和一致性,可輔助低年資兒科放射醫(yī)師測(cè)評(píng)骨齡,提高臨床工作效率。

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