Predictive performance of CT images-based 3D ResNet18 model for identifying lung tuberculosis drug resistance

LI Chunhua; LIU Xueyan; ZHENG Jiaofeng; ZENG Xiangxin; LI Yurui; LIU Wenwen; LYU Shengxiu

doi:10.16016/j.2097-0927.202504117

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Predictive performance of CT images-based 3D ResNet18 model for identifying lung tuberculosis drug resistance

Biomedical Engineering | 更新时间：2025-07-25

- Predictive performance of CT images-based 3D ResNet18 model for identifying lung tuberculosis drug resistance
- Journal of Army Medical University Vol. 47, Issue 14, Pages: 1676-1684(2025)
- 作者机构：
  
  重庆市公共卫生医疗救治中心医学影像科，重庆
- 作者简介：
  
  LYU Shengxiu， E-mail： r202206@126.com
- 基金信息：
  
  the Joint Medical Research Project of Chongqing Science and Technology Commission and Chongqing Health Commission(2023DBXM005;2024MSXM046)
- DOI：10.16016/j.2097-0927.202504117
  CLC： R319;R521.04;R814.42
- Received：29 April 2025，
  
  Revised：06 June 2025，
  
  Published：30 July 2025
- 稿件说明：
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‍李春华，刘雪艳，郑娇凤，等.基于CT影像的3D ResNet18模型在肺结核耐药性识别中的预测性能研究［J］.陆军军医大学学报，2025，47（14）：1676-1684.DOI：10.16016/j.2097-0927.202504117.

LI C H，LIU X Y，ZHENG J F，et al.Predictive performance of CT images-based 3D ResNet18 model for identifying tuberculosis drug resistance［J］.J Army Med Univ，2025，47（14）：1676-1684.DOI：10.16016/j.2097-0927.202504117.
‍李春华，刘雪艳，郑娇凤，等.基于CT影像的3D ResNet18模型在肺结核耐药性识别中的预测性能研究［J］.陆军军医大学学报，2025，47（14）：1676-1684.DOI：10.16016/j.2097-0927.202504117. DOI：

LI C H，LIU X Y，ZHENG J F，et al.Predictive performance of CT images-based 3D ResNet18 model for identifying tuberculosis drug resistance［J］.J Army Med Univ，2025，47（14）：1676-1684.DOI：10.16016/j.2097-0927.202504117. DOI：

摘要

目的

通过构建并验证一种基于胸部CT影像的深度学习模型，以正确识别耐药肺结核和药物敏感肺结核。

方法

回顾性纳入重庆市公共卫生医疗救治中心2019年1月至2022年12月诊治的722例继发性肺结核CT影像，根据药物敏感性试验结果，将其分为药物敏感肺结核组和耐药肺结核组，其中药物敏感肺结核357例，耐药肺结核365例。采用U-Net分割模型预先对CT影像的肺实质区域进行分割，然后按8∶2的比例随机划分为训练集和测试集。评估6种三维深度学习网络（3D Swin Transformer、3D ShuffleNet v2、3D ViT、3D MobileNet v2、3D DenseNet及3D ResNet18）对肺结核耐药性的识别性能，在训练集上通过五折交叉验证调整超参数，以构建最优深度学习模型。采用曲线下面积（area under the curve，AUC）、灵敏度、特异度、阳性预测值（positive predictive value，PPV）、阴性预测值（negative predictive value，NPV）以及F1值评价模型性能。由6名放射科医师对测试集CT影像进行耐药性识别，并与性能最优的深度学习模型进行性能比较。

结果

3D Swin Transformer、3D ShuffleNet v2、3D ViT、3D MobileNet v2、3D DenseNet及3D ResNet18预测耐药肺结核的AUC分别为0.583、0.704、0.698、0.758、0.736及0.841，3D ResNet18为性能最优深度学习模型，其灵敏度为0.935（95%

：

0.880~0.987），特异度为0.642（95%

： 0.492~0.757），阳性预测值为0.750（95%

： 0.663~0.835），阴性预测值为0.896（95%

： 0.809~0.976），AUC值为0.841，F1值为0.832。放射科医师F1值分别为0.571、0.450、0.675、0.623、0.617、0.635，3D ResNet18模型F1值均高于放射科医师。识别耐药肺结核结果最优的放射科医师的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为0.701（95%

：0.605~0.802）、0.567（95%

： 0.447~0.684）、0.651（95%

： 0.549~0.757）、0.623（95%

： 0.500~0.754），其灵敏度、阳性预测值和阴性预测值均低于3D ResNet18模型（

0.05）。类激活映射图表明3D ResNet18能够关注到关键病变区域。

结论

3D ResNet18 模型在肺结核耐药性识别中预测性能最优，有望辅助临床诊断耐药肺结核。

Abstract

Objective‍　‍To develop and validate a deep learning model based on chest CT images to accurately distinguish between drug-resistant (DR-TB) and -sensitive tuberculosis (DS-TB). Methods‍　‍A retrospective study was conducted on 722 cases of confirmed secondary tuberculosis admitted in our center from January 2019 to December 2022. According to the results of antimicrobial susceptibility test

they were divided into 357 DS-TB cases and 365 DR-TB cases. Pre-existing U-Net segmentation model was employed to segment the lung parenchyma regions in CT images. The dataset was randomly partitioned into a training set and a testing set in an 8:2 ratio. Six 3D deep learning architectures (3D Swin Transformer

3D ShuffleNet v2

3D ViT

3D MobileNet v2

3D DenseNet

and 3D ResNet18) were employed to evaluate the discriminative efficiency between DS-TB and DR-TB. Hyperparameters were optimized by five-fold cross-validation on the training set to construct the optimal model. The performance of the constructed model was assessed using area under the curve (AUC)

sensitivity

specificity

positive predictive value (PPV)

negative predictive value (NPV)

and F1-score. Six radiologists independently evaluated DR-TB identification on the test set

and their performance was compared with the best-performing deep learning model. Resul

ts‍　‍The AUC value in DR-TB prediction was 0.583

0.704

0.698

0.758

0.736

and 0.841

respectively

for 3D Swin Transformer

3D ShuffleNet v2

3D ViT

3D MobileNet v2

3D DenseNet

and 3D ResNet18. The 3D ResNet18 model demonstrated optimal performance

achieving a sensitivity of 0.935 (95%

: 0.880

0.987)

a specificity of 0.642 (95%

: 0.492

0.757)

a PPV of 0.750 (95%

: 0.663

0.835)

an NPV of 0.896 (95%

: 0.809

0.976)

an AUC value of 0.841

and a F1-score of 0.832. The radiologists got a F1-score of 0.571

0.450

0.675

0.623

0.617 and 0.635

respectively

and the F1-score of the 3D ResNet18 model is all higher than that of the radiologists. The highest-performing radiologist achieved sensitivity

specificity

PPV and NPV of 0.701 (95%

: 0.605

0.802)

0.567 (95%

: 0.447

0.684)

0.651 (95%

: 0.549

0.757)

and 0.623 (95%

: 0.500

0.754)

with all these values lower than those of the 3D ResNet18 model (

0.05). Class activation mapping showed that the 3D ResNet18 model could focus on key lesion areas. The class activation mapping demonstrated that the 3D ResNet18 model could effectively focus on critical lesion regions. Conclusion‍　‍Our 3D ResNet18 model shows the best predictive performance in identifying DR-TB

and is expected to assist clinical diagnosis for DR-TB.

关键词

Keywords

references

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