Частота встречаемости патологических изменений на рентгенограммах органов грудной клетки: анализ текстовых протоколов в масштабах мегаполиса

Введение. Рентгенография по-прежнему остается наиболее часто используемым методом диагностики различных заболеваний органов грудной клетки [1]. После вспышки коронавирусной инфекции 2019 года (COVID-19) произошло значительное увеличение количества рентгенографических исследований, что привело к перегрузке врачей-рентгенологов. Другой причиной увеличения числа исследований становится постоянно растущее население [2]. Для решения этой и ряда других проблем в здравоохранении было создано большое количество диагностических моделей искусственного интеллекта. Они продемонстрировали хорошие результаты в выявлении COVID-19, злокачественных новообразований (ЗНО), туберкулеза и других заболеваний органов грудной клетки, сопоставимые с результатами врачей-рентгенологов [3–5].

На сегодня оптимальными для применения в практическом здравоохранении представляются мультиклассовые ИИ-сервисы, которые способны определять на РГ ОГК все значимые с клинической точки зрения патологические изменения [6].

Одной из проблем, препятствующих достижению высокой диагностической точности такими ИИ-сервисами, является дефицит правильно собранных наборов данных для использования на этапах тестирования и валидации [7]. Баланс классов в таких наборах данных должен соответствовать балансу в реальной клинической практике [8][9], что приводит к увеличению объема набора данных для репрезентативной оценки. С другой стороны, это позволит сделать результаты работы ИИ-сервисов на потоке РГ ОГК более предсказуемыми за счет одинакового баланса классов на этапах валидации, тестирования и работы на реальном потоке данных.

Обеспечить создание наборов данных с правильным балансом классов возможно лишь при наличии информации о частоте встречаемости патологических изменений на РГ ОГК в практическом здравоохранении.

Помимо этого, данные о частоте встречаемости патологических изменений в совокупности с информацией об их клинической значимости могут позволить принимать более обоснованные организационные решения относительно необходимости использования ИИ-сервисов с целью обнаружения того или иного вида патологии. Представляется очевидным, что использование ИИ-сервисов нецелесообразно для обнаружения редких и клинически не значимых изменений на РГ ОГК.

Также данные о частоте встречаемости патологических изменений на рентгенограммах органов грудной клетки могут стать новым источником достоверной статистической информации о распространенности отдельных признаков заболеваний, для которых эти патологические изменения характерны [10]. Такой подход к использованию информации из протоколов лучевых исследований уже был разработан и апробирован для компьютерной томографии [11].

В отечественной и зарубежной литературе нам удалось найти только одно масштабное исследование, посвященное изучению частоты встречаемости различных патологических изменений на РГ ОГК в Японии [12].

Цель исследования – определить частоту встречаемости отдельных патологических признаков на рентгенограммах органов грудной клетки на больших данных системы здравоохранения российского мегаполиса.

Материалы и методы. Обсервационное многоцентровое ретроспективное выборочное исследование. В качестве источника данных использована выгрузка текстовых протоколов описаний рентгенограмм органов грудной клетки в Едином радиологическом информационном сервисе (ЕРИС) Единой медицинской информационно-аналитической системы (ЕМИАС) города Москвы. Для анализа текстов использовался инструмент Medlabel¹, в основе которого лежит принцип «мешка слов» [13]. Medlabel – программа, предназначенная для интеллектуализированного анализа протоколов медицинских исследований, включающая текстовые описания и заключения медицинских исследований и дистанционного контроля качества результатов лучевой диагностики. Точность инструмента Medlabel для разметки протоколов описания рентгенограмм органов грудной клетки составляет 0,912, чувствительность – 1,000, специфичность – 0,844 [14].

Поиск протоколов выполнялся по ключевым словам, характерным для 12 наиболее значимых патологических признаков, которые могут быть обнаружены на рентгенограмме органов грудной клетки: плевральный выпот, пневмоторакс, очаг затемнения, инфильтрация/консолидация, диссеминация, полость, ателектаз, кальцинат, расширение средостения, кардиомегалия, перелом ребра, консолидированный перелом.

Под патологическим признаком подразумевается изменение на рентгенограмме, которое указывает на наличие заболевания или повреждения тканей и которое описывает врач-рентгенолог в протоколе при обнаружении.

Также был выполнен поиск протоколов по ключевым словам, характерным для наиболее значимых инфекционных заболеваний, для диагностики которых используется рентгенография органов грудной клетки: пневмонии и туберкулеза легких.

При обнаружении Medlabel языковых паттернов, соответствующих вышеперечисленным патологическим признакам, выполнялась автоматизированная разметка текстовых протоколов исследований. Исследования, в которых искомые рентгенологические признаки не были найдены, относились к категории исследований «без патологических признаков». Аналогичный анализ был выполнен для нозологий.

Критерии включения протоколов описаний в исследование были следующие:

1. Модальность: рентгенография и флюорография²;
2. Возраст пациента: 18 лет и старше;
3. Временной период, в который были выполнены исследования: с 18.02.2021 по 11.06.2021.

Объекты (участники) исследования: было проанализировано 562 077 текстовых протоколов. В их формировании участвовали 837 врачей-рентгенологов из 245 медицинских организаций города Москвы.

Среди обследованных 62,8 % составили женщины, 37,2 % – мужчины. Средний возраст обследованных 52,9 ± 18,5 года.

Обработка результатов выполнялась в Microsoft Excel и с помощью языка программирования Python 3.9. Различия между группами оценивались с помощью критерия хи-квадрат.

Поскольку данные были взяты за неполные 4 месяца, мы на основе имеющихся данных построили прогноз количества исследований с пневмонией и туберкулезом на 2021 год, а затем рассчитали показатель заболеваемости на 100 тысяч взрослого населения города Москвы.

Результаты.

Анализ частоты встречаемости патологических признаков на всей выборке

Доля протоколов, в которых присутствовало упоминание хотя бы об одном патологическом признаке составила 16,7 % (93 998 протоколов из 562 077).

Большинство исследований с патологическими признаками (79,6 %) содержали только один патологический признак. Менее 1,5 % исследований содержали 4, 5, 6 или 7 патологических признаков (рис. 1).

Доля исследований с конкретными патологическими признаками в общей массе исследований, а также среди исследований только с патологическими признаками представлена в табл. 1. Самый частый патологический признак на рентгенограммах органов грудной клетки – кардиомегалия (12,23 % среди всех исследований). Остальные патологические признаки в общей массе исследований встречаются менее чем в 3 % случаев.

Сравнение частоты встречаемости отдельных патологических признаков в протоколах с одним и несколькими (двумя и более) патологическими признаками

В этой части исследования мы сравнили протоколы, содержавшие описание одного патологического признака (n = 74 800), с протоколами, в которых описывалось 2 и более патологических признака (n = 19 198). Доля конкретного патологического признака в каждой группе вычислялась относительно общего числа исследований в соответствующей группе (табл. 2).

Среди протоколов с одним патологическим признаком преобладают протоколы с кардиомегалией (80,78 %). На втором месте по распространенности – протоколы с кальцинатами (4,91 %).

Среди протоколов с двумя и более патологическими признаками почти в ⅔ протоколов встречались очаги затемнения (64,98 %) и инфильтрация/консолидация (64,50 %). На третьем месте по распространенности – кардиомегалия (43,36 %).

В целом доля каждого патологического признака среди протоколов с одним патологическим признаком статистически значимо отличалась от соответствующей доли среди протоколов с двумя и более патологическими признаками.

Частота встречаемости различных пар патологических признаков в протоколах с несколькими (двумя и более) патологическими признаками

Далее были проанализированы 19 198 исследований, которые содержали два и более патологических признака, с целью установить частоту встречаемости различных пар патологических признаков (рис. 2).

Среди исследований, которые содержали два и более патологических признака, чаще всего встречалось сочетание очагов затемнения и инфильтрации/консолидации (55,18 %). Чуть реже – в одной пятой случаев – наблюдалось сочетание плеврального выпота и инфильтрации/консолидации (21,83 %), а также плеврального выпота и очагов затемнения (21,79 %).

Что касается другой патологии, то инфильтрация/консолидация, очаги затемнения и плевральный выпот чаще всего сочетались с кардиомегалией (17,91, 17,56 и 14,08 % протоколов соответственно).

Протоколы с описанием пневмонии и туберкулеза

Среди всех изученных протоколов доля протоколов с описанием пневмонии составила 1,67 %, тогда как туберкулеза – 0,47 % (9397 и 2620 протоколов из 562 077 соответственно).

Показатель заболеваемости пневмонией с учетом имеющихся данных о количестве соответствующих протоколов и данных прогноза в 2021 году составил 457,1 на 100 тысяч взрослого населения. Заболеваемость туберкулезом, рассчитанная аналогичным способом, составила 67,6 на 100 тысяч взрослого населения.

Обсуждение. Согласно полученным данным, доля протоколов, в которых присутствовало упоминание хотя бы об одном патологическом признаке, составила 16,7 %.

В исследовании Twabi HH и соавт., выполненном на 13,5 тысячах РГ ОГК взрослых, было показано, что в Блантайре (Малави, Восточная Африка) частота встречаемости патологии составляет 5 %. По нашему мнению, это обусловлено тем, что в своем исследовании авторы учитывали наличие только следующих патологических признаков и нозологий: кардиомегалия, туберкулез, плевральный выпот, пневмония и хроническая обструктивная болезнь легких [15].

В исследовании Watanabe Y и соавт., выполненном на более чем 8,5 млн РГ ОГК, было установлено, что частота встречаемости патологии при скрининговой рентгенографии органов грудной клетки в Японии составляет 8,2 % [16]. Полагаем, что более низкий процент патологии в данном исследовании по сравнению с нашим также обусловлен меньшим количеством патологических признаков и нозологий, включенных авторами в исследование. В исследование были включены только туберкулез, образования, эмфизема, нетуберкулезный микобактериоз, опухоли средостения, саркоидоз, легочный фиброз, аневризма аорты, интерстициальная пневмония и некоторые другие редко встречающиеся нозологии.

Таким образом, можно предположить, что доля РГ ОГК с патологическими признаками среди всех исследований напрямую зависит от количества включенных в анализ патологических признаков и их распространенности среди населения.

Интересно также сравнение частоты встречаемости отдельных патологических признаков. Так, например, в нашем исследовании кардиомегалия наблюдалась у 12,23 % обследованных, тогда как в исследовании Twabi HH и соавт. – у 20,7 % [15]. Причинами данного расхождения может быть как разный объем выборок, так и разная частота сердечно-сосудистой патологии среди населения анализируемых стран. Однако, по нашему мнению, к оценке частоты встречаемости кардиомегалии на РГ ОГК следует подходить очень осторожно, поскольку было показано, что чувствительность рентгенографии для выявления кардиомегалии составляет лишь 34,0–40,0 %, а специфичность – 84,5–91,0 % [17][18].

Отдельного внимания заслуживают полученные оценки распространенности пневмонии и туберкулеза.

В исследовании Twabi HH и соавт. частота встречаемости пневмонии составила 2,6 %, что несколько выше полученных нами 1,67 % [15]. В исследовании Watanabe Y. и соавт. частота встречаемости пневмонии оказалась несоизмеримо мала (24 случая из 8,5 млн), что обусловлено включением в исследование только скрининговых РГ ОГК [16].

Согласно официальной статистической отчетности [19], в Москве в 2021 году заболеваемость пневмонией составила 307,1 на 100 тысяч взрослого населения³. Полученное на основе количества протоколов с описанием пневмонии значение распространенности данного заболевания составило 457,1 на 100 тысяч взрослого населения. Такое расхождение может быть обусловлено тем, что в ряде случаев пациентам выполняется «контрольное» рентгенографическое исследование, на котором могут сохраняться признаки пневмонии. Если данное предположение верно, то в среднем на каждого пациента с пневмонией приходилось 1,5 рентгенографического исследования. В целом это соответствует стандартам оказания медицинской помощи, согласно которым усредненный показатель частоты предоставления рентгенографии для диагностики пневмонии составляет 0,9, тогда как для лечения заболевания, состояния и контроля за лечением – до 0,8 в зависимости от вида рентгенографии при усредненном показателе кратности применения, равном 1,0⁴.

Согласно официальной статистической отчетности, в России в 2021 году заболеваемость туберкулезом составила 36,9 на 100 тысяч взрослого населения⁵. Показатель заболеваемости взрослого населения Москвы туберкулезом в открытых статистических отчетах отсутствует, однако известно, что число пациентов всех возрастов с впервые в жизни установленным диагнозом туберкулеза в 2021 году в Москве составило 20,0 на 100 тысяч населения⁶. Полученный в нашем исследовании показатель распространенности туберкулеза 67,6 на 100 тысяч взрослого населения превышает эти значения в 1,8–3,4 раза.

По нашему мнению, сопоставление распространенности туберкулеза по данным рентгенологических исследований с данными статистической отчетности представляется трудноосуществимой задачей по ряду причин. Во-первых, отчетность содержит информацию только об активных формах туберкулеза, тогда как обследование проходят все пациенты независимо от формы заболевания. Во-вторых, пациенты с туберкулезом могут проходить более одного рентгенологического исследования ОГК в течение года. В-третьих, на основании одних только рентгенологических признаков невозможно поставить данный диагноз, поэтому в протоколах врачи сообщают о подозрении на туберкулез, которое в дальнейшем может быть подтверждено или опровергнуто с помощью других методов лабораторно-инструментального обследования.

В целом для уточнения прогнозных данных необходимы дальнейшие исследования по оценке реального количества рентгенограмм с пневмонией и туберкулезом, выполненных в течение календарного года.

В нашем исследовании большинство протоколов с информацией о наличии патологических признаков (79,6 %) содержали только один патологический признак. Из них в большинстве случаев обнаруживалась кардиомегалия (80,78 %), иными словами – патологический признак, который имеет небольшую клиническую ценность.

Протоколы с двумя патологическими признаками и более составили около ⅕ (20,4 %) среди всех исследований с патологическими признаками. В отличие от исследований с одним патологическим признаком, в этой группе самыми частыми патологическими признаками были очаг затемнения (64,98 %) и инфильтрация/консолидация (64,50 %), тогда как кардиомегалия встречалась лишь в 43,36 % случаев.

По нашему мнению, практическое значение может иметь самое частое сочетание патологических признаков: очагов затемнения и инфильтрации/консолидации (55,18 % среди исследований с двумя патологическими признаками и более). С учетом частоты встречаемости этих патологических признаков вместе и по отдельности приходим к выводу, что 67,72 % изображений с очагами затемнения содержали также признаки инфильтрации. Эти изменения необходимо дифференцировать между собой, а их одновременное присутствие на изображении может затруднять работу ИИ-сервисов.

Менее частыми, но не менее значимыми сочетаниями оказались «плевральный выпот + инфильтрация/консолидация» (21,83 %) и «плевральный выпот + очаги затемнения» (21,79 %).

Известно, что чувствительность и специфичность ИИ-сервисов при проспективной оценке оказывается ниже, чем при ретроспективной [20]. На наш взгляд, одной из причин этого расхождения может являться использование изображений только с одним патологическим признаком (например, только с очагами или только с инфильтрацией) для обучения и тестирования ИИ-сервисов.

В связи с вышеизложенным можно предположить, что создание наборов данных с учетом представленной частоты встречаемости патологических признаков на РГ ОГК позволит обеспечить большее соответствие параметров диагностической точности ИИ-сервисов при ретроспективных и проспективных исследованиях [20].

Ограничения исследования. Выполнен поиск только 12 патологических признаков и двух нозологий.

Перспективы исследования

1. Определение частоты встречаемости патологических изменений по данным исследований других модальностей и анатомических областей.
2. Определение влияния данных о частоте встречаемости патологических изменений на показатели диагностической точности ИИ-сервисов.

Заключение. В настоящем исследовании мы проанализировали частоту встречаемости патологических признаков на рентгенограммах органов грудной клетки на больших данных системы здравоохранения г. Москвы. Доля протоколов с патологическими признаками составила 16,7 %. По частоте встречаемости на первом месте находится кардиомегалия, которая сама по себе в большинстве случаев может быть трактована как клинически незначимый патологический признак. При этом частота встречаемости отдельных патологических признаков значимо различалась в исследованиях с одним и несколькими (двумя и более) патологическими признаками, что необходимо учитывать при обучении и тестировании ИИ-сервисов.