在医疗领域,许多疾病的诊断需要借助影像数据(如X线､CT､超声､MRI等),其中90%的影像判读由影像科医生完成[1]｡随着深度学习技术的快速发展,人工智能(artificialintelligence,AI)技术在医疗领域得到了广泛应用,AI辅助阅片产品在影像诊断中表现良好,可帮助医生提高诊断的灵敏度､缓解阅片压力､提升阅片效率,已有多款产品完成注册上市(如肿瘤､肺结节等辅助识别软件)[2]｡在评价产品诊断效果的试验中(医生单独阅片vs医生借助AI辅助阅片产品阅片),考虑到使用场景和对象的差异性,我国国家药品监督管理局和美国FDA均推荐采用多阅片者多病例(multireadermulticase,MRMC)设计[3-5]｡

MRMC设计是指多名阅片者使用不同方法对病例影像进行判读的一种设计,常用于比较2种或多种诊断方法的效果,其中全交叉MRMC设计最为常见,广泛应用于计算机辅助诊断､AI辅助影像诊断等领域的临床评价中[6-7],可有效避免医生和使用场景等因素带来的偏倚｡近年来已有学者运用MRMC方差分析模型比较不同诊断技术(2D和3D断层成像)诊断乳腺肿瘤患者的差异[8],其后又在MRMC设计下的胸部CT影像AI辅助诊断系统临床试验中比较不同方式下肺结节的检出与诊断效果,同时在不同阅片相关性条件下进行病例样本量估计的探索性分析,总结影响样本量的因素[9]｡样本量一直是临床试验中的重要话题,鉴于MRMC设计的复杂性,样本量估计具有一定难度｡本研究在国内外相关研究基础上将MRMC设计中的方差分析方法用于样本量估计,实现不同情形下的样本量估计,探索合适的阅片者和病例数量组合｡

1、材料和方法

1.1MRMC设计分析方法1.1.1Obuchowski-Rockette(OR)法模型在MRMC设计中,数据间会产生复杂的相关结构,阅片者会使用不同方法对同一张影像进行阅片,而不同阅片者也会对同一张影像阅片,同一张影像会有多个阅片结果,因此在进行分析时需要对方法进行调整,OR法是常用方法之一｡OR法由Obuchowski和Rockette[10]在1995年提出,其将诊断方式作为固定效应,阅片者作为随机效应,直接使用原始观察值生成的准确性指标构建方差分析模型｡考虑N次重复试验情况,模型如下:

其中θ指n次重复试验下第i种诊断方法第j名阅片者的准确度指标估计值(如AUC估计值)｡μ为固定常数,指所有诊断方法､阅片者以及重复阅片情况下准确度指标的均值;τi为第i种诊断方法的固定效应;Rj为第j名阅片者的随机效应;(τR)ij为第i种诊断方法与第j名阅片者交互的随机效应;εij为随机误差项｡同时该模型假定Rj独立服从均值为0､方差为σr2的正态分布,即Rj~N(0,σr2);(τR)ij独立服从均值为0､方差为σtr2的正态分布,即(τR)ij~N(0,σtr2)｡

1.1.2误差项协方差矩阵在OR法模型中误差项εij并不独立,而是均数为0､长度为(I×J×N)的向量,且服从多元正态分布｡该法假定不同阅片者和诊断方法之间的误差相等且在不同阅片者间和不同诊断方法间协方差一致,由此产生的协方差矩阵如下:

Obuchowski和Rockette认为临床实际中Cov1≥Cov2≥Cov3≥0｡在实际情况中,考虑时间与成本往往不会进行重复试验,即试验次数n=1,因此无法直接估计协方差矩阵,可采用Bootstrap[11]､Jackknife[12]和DeLong[13]方法,先对数据进行重抽样,形成多个数据集,再进行估计｡

1.1.3OR法统计量OR法的假设检验中原假设为H0:τ1=…=τi,即各种诊断方式的效应相同;备择假设为H1:τ1≠…≠τi,即各种诊断方式的效应不同｡模型中的误差项并不独立,原始F值可能产生不准确的结果,因此Obuchowski和Rockette基于Pavur和Nath[14]的研究提出了校正的统计量F｡原始F值(F未校正)和校正F值(FOR)如下:

其中,I为诊断方式数量,J为阅片者数量,MSt为诊断方式的均方值,MStr为诊断方式与阅片者交互项的均方值,FOR值中分子自由度df1为(I-1),分母自由度df2为(I-1)(J-1)｡原始OR法中存在FOR值分母为负以及阅片者数量较小时结果过于保守的问题｡针对这些问题,Hillis等[15-16]对FOR值和分母自由度进行了优化｡优化后的FOR值(FORH)､分母自由度(df2ORH)如下:

1.2MRMC设计样本量计算

1.2.1阅片者与病例情况在影像诊断试验MRMC设计中,计算样本量时需要考虑阅片者和受试者两方面的数量,根据来源可将两者归为固定或随机效应｡若阅片者/受试者数量充足,且可在一定范围内抽样获得,则可视为随机效应;若阅片者/受试者来自固定群体,数量有限且无法通过抽样获得,则可视为固定效应｡对于随机效应,研究结论可推广至所抽样的群体,而在固定效应中结论仅适用于参与试验的个体｡根据两者的来源可分为3种情形:阅片者和病例均随机(randomreaderrandom-case,RRRC)､阅片者固定病例随机(fixed-readerrandom-case,FRRC)､阅片者随机病例固定(random-readerfixed-case,RRFC)｡

1.2.2样本量估算考虑在实际的影像诊断试验中,估计样本量时需重点考虑5个方面的内容[17]:(1)诊断试验设计(优效､非劣效)､MRMC设计类型､检验水准α､Ⅱ类错误β､病患比例;(2)准确度指标､效应量;(3)OR法中相关参数;(4)统计量F分布的非中心参数和分母自由度

(5)实际功效｡

对于试验设计,我国医疗器械技术审评中心建议:“优先选择同品种产品或临床参考标准(即临床金标准)进行非劣效对照设计,若无同品种产品且难以获取临床参考标准可选择替代方法,如选择用户结合软件联合决策与用户单独决策进行优效对照设计”[4]｡全交叉设计(所有阅片者采用所有阅片方式对所有病例影像进行阅片)是MRMC中最常见的一类｡阳性和阴性病例的比例一般为1∶1,或者与预试验数据一致[18]｡

在影像诊断试验中,AUC是常见的准确度评价指标[19],灵敏度､特异度及相关衍生指标也可作为评价指标｡通常AUC和灵敏度采用优效设计,特异度采用非劣效设计｡其中AUC计算结果为受试者总数,灵敏度计算结果为阳性病例数,特异度计算结果为阴性病例数｡效应量(d)为不同诊断方法准确度指标的差值,一般来自预试验(dobs)或同类型试验,也可使用临床上确定的差异值｡由于抽样误差的存在,预试验和实际情况中的效应量可能存在差异,可取2倍标准差来表示离散程度和变异范围,在本研究中取d=|dobs|和d=|dobs|+2σ(σ为标准差)[20]来估计样本量｡

使用OR法时,可先通过预试验数据求解σtr2､σε2､Cov1､Cov2､Cov3的值,再进行样本量估计｡计算非中心参数(λ)和分母自由度(df2)时,两者估计值见表1｡当原假设(2种阅片方法诊断准确度无差别)不成立时[21],在RRRC､RRFC两种情形下FOR值将服从近似非中心F分布Ft-1;df2;λ;在FRRC情形下,FOR值将服从近似非中心χ2分布χ2t-1;λ｡

表1MRMC设计中非中心参数和分母自由度情况

结合表1中的公式,可得到2种诊断方法准确性具有差异的实际功效(Power)[18]:

(1)对于RRRC､RRFC两种情况

(2)对于FRRC

结合Ⅱ类错误β值的限制,最终可推导出所需受试者数量(c)和阅片者数量(r)的样本量组合｡1.3数据来源本研究中准确度指标AUC､效应量以及OR法中的相关参数均来自预试验,使用公开的VanDyke数据集[22]作为预试验结果,估计MRMC设计下所需阅片者和病例样本数量｡该数据集中共有114例受试者(45例为主动脉夹层患者),由5名影像科医生分别对受试者在自旋回波(Spin-echo)和电影(Cine)2种序列MRI下的影像进行阅片,比较不同序列检测主动脉夹层的表现｡医生使用5分等级量表对影像进行判读:1=肯定无主动脉夹层,2=可能无主动脉夹层,3=不确定主动脉夹层,4=可能为主动脉夹层,5=肯定为主动脉夹层｡

1.4统计学处理

本研究采用MRMC全交叉设计,使用R4.2.3软件和RJafroc2.1.2包进行样本量估计｡采用双侧检验,α=0.05,β=0.2｡

2、结果

在预试验VanDyke数据集中,5名影像科医生在Spin-echoMRI阅片方式下AUC值区间为0.905~0.999,平均AUC值为0.941(95%CI0.899~0.983);在CineMRI序列下AUC值区间为0.830~0.973,平均AUC值为0.897(95%CI0.837~0.957)｡见表2｡

表2两种诊断方法下阅片者的AUC结

估计正式试验样本量时以平均AUC为准确度指标,采用优效､MRMC全交叉设计,α=0.05,β=0.2｡根据预试验数据,计算OR法中所需参数值为σtr2=0.00020､σε2=0.00080､Cov1=0.00035､Cov2=0.00034､Cov3=0.00024,效应量为2种诊断方法下平均AUC的差值,即dobs=0.044,σ=0.022,计算①d=|dobs|=0.044和②d=|dobs|+2σ=0.088在不同情况下所需样本数量,结果见表3｡

表3不同情形下MRMC全交叉设计的样本量

预试验VanDyke数据集中阳性和阴性病例比例为1∶1.53(45∶69),正式试验中若参照该比例确定受试者人数,当d=0.044､r=4时,在RRRC时共需1009例受试者,其中需要阳性病例399例､阴性病例610例;若保持阳性与阴性病例比例为1∶1,则1009例受试者中一半可为阳性病例｡

相同情况下,阅片者数量和病例数量相互限制,即阅片者数量越多所需的受试者人数越少,如在d=0.044､r=5时需要受试者337例,而当r=6时仅需受试者247例

3种情形中RRRC所需样本量最多,当d=0.044､r=5时,RRRC､FRRC､RRFC下分别需要受试者337､162､282例｡同时,效应量越大所需阅片者和受试者人数越少,如在RRRC情形下,若r=6,d=0.044时需要247例受试者,而d=0.088时仅需44例受试者｡

3、讨论

样本量一直是影像诊断试验中的重要内容,随着OR法的逐渐成熟,MRMC设计的样本量研究取得了许多进展｡2004年Eng[23]在归纳样本量影响因素时认为MRMC设计中至少需要4名阅片者,并提供了效应量､预期AUC以及阅片者间变异的参考值｡2009年Obuchowski[24]发现,相比全交叉设计,混合裂区设计需要的阅片者数量更少,但对金标准的要求更高｡2011年,Obuchowski和Hillis[25]基于2个实际案例(肺结节､结肠息肉计算机辅助诊断)对多病灶数据(如患者有多个肺结节)的样本量研究做了探索,估计了不同病灶比例下(所有患者有1个病灶,其中25%､50%的患者有2个病灶)的样本量｡2012年Chen等[26]对AUC值在非劣效设计中的样本量估计做了调整｡2018年Hillis和Schartz[21]对OR法在不同MRMC设计类型下的使用做了详细的方法学介绍｡2022年尚美霞等[9]使用病灶层面的AUC数据对样本量进行了估计｡除OR法外,DBM法也可用于样本量估计,但需将原始值转化为Jackknife伪值[27]｡在OR法中通过Jackknife法估计协方差矩阵或者在DBM法中使用类伪值(quasipseudovalues)进行样本量估计时[15],两种方法的结果可以相互转换｡

在选取准确度指标时可使用AUC､灵敏度､特异度,也可用三者的衍生指标｡以特异度为评价指标进行非劣效设计时,非劣效界值的选择须有明确依据｡AUC值的大小依赖于置信度评分情况,评分的分布会影响ROC曲线的拟合方式,对于非正态分布的置信分数需要选择非参数方法进行拟合｡同时对病灶水平的样本量进行估计时,可使用病灶层面的ROC曲线计算AUC值,如定位ROC曲线(locationROCcurve,LROC)､自由响应ROC曲线(free-responseROCcurve,FROC)以及在此基础上改进的可替代自由响应ROC曲线(alternativefree-responseROCcurve,AFROC)[28]｡

在MRMC设计的样本量估计中需要考虑阅片者间以及病例间的变异,分别估计阅片者和受试者两方面的样本数量｡本研究结果发现,在相同情况下,增加阅片者的数量可在一定程度上减少所需受试者数量,因此可根据实际情况选择两者合适的数量组合｡在RRRC､FRRC和RRFC这3种情形中,阅片者(≥5人)和病例均为随机因素时所需的样本量最多,相比其他情况这时阅片者和病例的来源更加广泛,产生的变异也更大,若要获得相同的功效需要更多的阅片者和受试者,最终结论也可推广至群体层面｡影像诊断试验中效应量的选择一般可取预试验结果或临床推荐值,但由于抽样误差,预试验和实际研究仍存在一定差异,可根据阅片者的波动和试验情况来确定效应量｡效应量越小,方法间诊断效果差异所需的样本量越多,试验成本也越高｡

本文结合国内外相关研究结果,介绍了MRMC全交叉设计下使用OR法进行样本量估计的相关步骤和参数,实现了阅片者和病例不同情形下的数量估计｡本研究也存在一定的局限性:在分析方法上仅使用OR法,缺少DBM法在样本量估计上的探索;在MRMC设计类型上,局限于全交叉设计下不同场景的样本量估计,暂未扩展至MRMC其他设计类型(如嵌套设计､混合裂区设计)的样本量计算;在影像诊断试验的准确度评价指标上局限于ROC指标,未探索其他ROC(如LROC､FROC､AFROC)指标以及灵敏度､特异度在样本量估计中的应用｡在实际开展MRMC设计类型的影像诊断试验中,需结合多方因素确定相关指标,以估计阅片者和受试者的样本量,从而确保试验顺利进行｡

参考文献:

[1]贾凯丽,王雪梅.医学影像人工智能新进展[J].国际放射医学核医学杂志,2020(1):27-31.

[2]国家药品监督管理局.肺结节CT影像辅助检测软件获批上市[EB/OL].(2020-12-10)[2023-10-20].

[3]国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心.关于发布深度学习辅助决策医疗器械软件审评要点的通知[EB/OL].(2019-07-03)[2023-10-20].

[4]国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心.关于发布视力筛查仪和乳腺X射线系统2项注册技术审查指导原则的通告[EB/OL].(2021-06-24)[2023-10-20].

[8]尚美霞,姚晨,康晓平,等.MRMC方差分析在影像诊断试验多阅片者多病例研究设计中的应用[J].中国卫生统计,2017,34(5):705-709,712.

[9]尚美霞,阎小妍,李雪迎,等.采用多阅片者多病例设计评估AI辅助医疗产品临床试验的样本量估算和应用[J].中国卫生统计,2022,39(1):14-18.

基金资助:上海市卫生健康委员会新兴交叉领域研究专项(2022JC011);上海市产业协同创新项目(2021-cyxt1-kj10)~~;

文章来源:向蔓,宛慧琴,潘喆敏,等.影像诊断试验中多阅片者多病例设计的样本量估计研究[J].海军军医大学学报,2025,46(05):693-698.