基于CT肝癌3Dslicer人工智能建模精準(zhǔn)輔助外科的應(yīng)用研究

吳兆平 彭浪 金煜東 陳偉力

【摘要】 目的：探討基于電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）肝癌三維切片（three dimensional slicer，3D slicer）人工智能（artificial intelligence，AI）建模精準(zhǔn)輔助外科的應(yīng)用效果。方法：選擇2018年6月-2020年9月本院收診的60例肝癌患者，均行腹腔鏡肝切除術(shù)。按照有無(wú)輔助應(yīng)用基于CT的3D slicer AI建模分為試驗(yàn)組（n=30，應(yīng)用）與對(duì)照組（n=30，未應(yīng)用）。觀察兩組手術(shù)出血量、肝門(mén)阻斷時(shí)間、手術(shù)時(shí)間，分析兩組術(shù)后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TRF）水平，比較其術(shù)后7 d靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+），且需統(tǒng)計(jì)其轉(zhuǎn)開(kāi)腹率、術(shù)后7 d并發(fā)癥發(fā)生率及圍手術(shù)期死亡率。結(jié)果：試驗(yàn)組手術(shù)出血量較對(duì)照組少，肝門(mén)阻斷時(shí)間、手術(shù)時(shí)間均較對(duì)照組短，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。兩組術(shù)后7 d PAB、ALB、TRF、CD4+/CD8+水平均較術(shù)前降低，但試驗(yàn)組均較對(duì)照組高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;而其術(shù)后7 d REE水平較術(shù)前升高，但試驗(yàn)組較對(duì)照組低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。試驗(yàn)組轉(zhuǎn)開(kāi)腹率、圍手術(shù)期間死亡率與對(duì)照組相比，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。試驗(yàn)組并發(fā)癥發(fā)生率較對(duì)照組低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。結(jié)論：基于CT的3D slicer AI建模輔助肝癌患者完成腹腔鏡肝切除術(shù)，有助于減少患者的手術(shù)時(shí)間、手術(shù)出血量與并發(fā)癥情況，可促使患者的血清內(nèi)臟蛋白水平盡早恢復(fù)正常，且能夠改善其能量代謝與免疫功能。

【關(guān)鍵詞】 肝癌 CT 3D slicer 外科手術(shù) 人工智能建模

[Abstract] Objective： To explore the application effect of artificial intelligence （AI） modeling based on computed tomography （CT） three-dimensional slicer （3D slicer） of liver cancer in precision assisted surgery. Method： Sixty patients with liver cancer admitted to our hospital from June 2018 and September 2020 were selected for laparoscopic hepatectomy. According to whether the 3D slicer AI modeling based on CT was used as auxiliary application， the patients were divided into the experimental group （n=30， used） and the control group （n=30， not used）. The surgical blood loss， hepatic portal occlusion time and surgical time were observed in two groups， and the levels of prealbumin （PAB）， albumin （ALB） and transferrin （TRF） of two groups were analyzed at 7 d after surgery. The resting energy expenditure （REE） and cluster of differentiation 4 （CD4+）/cluster of differentiation 8 （CD8+） were compared at 7 d after surgery. The rate of conversion to laparotomy， total rate of complications at 7 d after surgery and perioperative mortality rate were statistically analyzed. Result： The surgical blood loss in the experimental group was less than that in the control group， and the hepatic portal occlusion time and surgical time were shorter than those in the control group （P<0.05）. The levels of PAB， ALB， TRF and CD4+/CD8+ at 7 d after surgery in the two groups were decreased compared with those before surgery， and the levels in the experimental group were higher than those in the control group （P<0.05）. The REE level at 7 d after surgery was increased compared to before surgery， and the level in the experimental group was lower than that in the control group （P<0.05）. There were no significant differences in the rate of conversion to laparotomy and mortality rate during the perioperative period in the experimental group compared to the control group （P>0.05）. The incidence rate of complications of the experimental group was lower than that of the control group （P<0.05）. Conclusion： CT-based 3D slicer AI modeling assists patients with liver cancer to complete laparoscopic hepatectomy， which helps to reduce the surgical time， surgical blood loss and complications， and can promote the serum visceral protein level to return to normal as soon as possible， and can improve the energy metabolism and immune function.

[Key words] Liver cancer CT 3D slicer Surgery Artificial intelligence modeling

First-authors address： Jiujiang NO.1 Peoples Hospital， Jiujiang 332000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.18.002

原發(fā)性肝癌是一種病死率極高的惡性腫瘤疾病[1]，我國(guó)屬該病高發(fā)國(guó)家，目前主要以腹腔鏡肝切除術(shù)進(jìn)行治療。但由于肝內(nèi)膽管、血管多變異且分支復(fù)雜，加之肝腫瘤和大血管存在密切關(guān)系，肝癌手術(shù)整體呈現(xiàn)出風(fēng)險(xiǎn)高、難度大等特點(diǎn)。以往?；诖殴舱癯上瘢╩agnetic resonance imaging，MRI）或電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）制定肝切除手術(shù)策略[2]，雖能夠一定程度上提高手術(shù)的精確性，但仍可能因術(shù)中發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)變異、仔細(xì)尋找膽管及血管等問(wèn)題而延誤最佳治療時(shí)機(jī)，進(jìn)而影響最終手術(shù)療效。三維切片（three dimensional slicer，3D slicer）是一個(gè)用于圖像分析、圖像可視化及圖像引導(dǎo)治療的軟件平臺(tái)[3]，借助該軟件平臺(tái)能夠以三維重建的方式制作符合患者實(shí)際病況的人工智能（artificial intelligence，AI）建模，提高患者的治療精準(zhǔn)性，保證其手術(shù)質(zhì)量與安全。但由于目前有關(guān)于肝癌患者應(yīng)用基于CT的3D slicer AI建模完成手術(shù)的效果研究較少，故筆者進(jìn)行如下報(bào)道。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2018年6月-2020年9月本院收診的肝癌患者60例，均行腹腔鏡肝切除術(shù)。診斷標(biāo)準(zhǔn)：符合《原發(fā)性肝癌診療規(guī)范（2019年版）》[4]中有關(guān)肝癌的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)核磁共振、肝血管造影、同位素掃描或CT等檢查，發(fā)現(xiàn)肝內(nèi)占位性病變。甲胎球蛋白≥200 μg，持續(xù)8周。納入標(biāo)準(zhǔn)：均行腹腔鏡肝切除術(shù);術(shù)前肝功能Chlid-Pugh分級(jí)為B級(jí)或A級(jí);腫瘤直徑<10 cm;臨床資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn)：有遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移;手術(shù)耐受度較差;既往存在肝膽系統(tǒng)疾病手術(shù)史或上腹部手術(shù)史;合并精神疾病，無(wú)法有效溝通。脫落與剔除標(biāo)準(zhǔn)：手術(shù)期間出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)疾病或不良事件;主動(dòng)撤除知情同意書(shū)。按照有無(wú)輔助應(yīng)用基于CT的3D slicer AI建模分為試驗(yàn)組（30例，應(yīng)用）與對(duì)照組（30例，未應(yīng)用）。該研究已經(jīng)倫理學(xué)委員會(huì)批準(zhǔn)，患者知情同意并簽署知情同意書(shū)。

1.2 方法 對(duì)照組采用腹腔鏡肝切除術(shù)，方法：基于CT二維成像制定手術(shù)策略，予以患者頭高腳底位，經(jīng)臍直視下完成第1個(gè)Trocar插入處理，鏡頭探查后依據(jù)患者的具體腫瘤位置對(duì)其他Trocar位置進(jìn)行確定。隨后做好肝十二指腸韌帶解剖、血管阻斷帶套入工作，必要時(shí)需行肝門(mén)血供阻斷。采用電凝鉤于患者肝臟表面（距離腫瘤1～2 cm）劃出標(biāo)記線(xiàn)，沿該線(xiàn)進(jìn)行肝臟切開(kāi)處理，期間若遇到膽管或血管（3 mm以上），輔用生物可吸收夾完成操作。試驗(yàn)組以基于CT的3D slicer AI建模應(yīng)用下行腹腔鏡肝切除術(shù)，方法：收集術(shù)前增強(qiáng)肝臟CT掃描的圖片數(shù)據(jù)（dicom格式，層厚1 mm），以光盤(pán)刻錄形式保存，隨后在3D slicer 4.11.0版本軟件中導(dǎo)入患者的dicom數(shù)據(jù)，選擇安裝肝癌手術(shù)計(jì)劃插件與智能分割插件。于segmenteditor下?lián)袢「闻K六個(gè)方向（前后、左右及上下）的標(biāo)志點(diǎn)，之后在顯卡輔助下完成腫瘤、肝臟三維模型的自動(dòng)分割處理，基于血管模式對(duì)肝臟周?chē)鷦?dòng)靜脈及毗鄰解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，以STL格式保存所有模型。在肝癌手術(shù)計(jì)劃插件中，依據(jù)《腹腔鏡肝切除術(shù)專(zhuān)家共識(shí)（2013版）》[5]行相應(yīng)術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，期間截取有效圖片，方便與實(shí)體器官及組織進(jìn)行對(duì)照。上述模型導(dǎo)入三維可視化工程后，再建立個(gè)體化三維可視化應(yīng)用，生成參數(shù)標(biāo)注、虛擬手術(shù)、三維測(cè)量及三維觀察等輔助工具。術(shù)前2～3 d，指導(dǎo)患者進(jìn)行ICG檢測(cè)，掌握其肝臟儲(chǔ)備功能，以彩色多普勒超聲與ICG熒光顯像技術(shù)輔助進(jìn)行有效探查，確定腫瘤與血管的關(guān)系，并了解腫瘤的數(shù)目、大小與具體位置，同時(shí)與術(shù)前三維可視化評(píng)估結(jié)果作相應(yīng)比對(duì)，再確定最終的手術(shù)方案。結(jié)合ICG熒光顯影、術(shù)中超聲，再依據(jù)區(qū)域血流阻斷后的缺血線(xiàn)對(duì)肝切除線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)記，再行腹腔鏡肝切除術(shù)。

1.3 觀察指標(biāo) 觀察兩組手術(shù)出血量、肝門(mén)阻斷時(shí)間、手術(shù)時(shí)間。手術(shù)出血量，計(jì)算吸引器瓶中血量+血紗布總質(zhì)量-干紗布總質(zhì)量的最終血量;肝門(mén)阻斷時(shí)間，記錄阻斷帶夾緊時(shí)間;手術(shù)時(shí)間，記錄開(kāi)始切皮處理至完成切口包扎的時(shí)間。比較兩組術(shù)前與術(shù)后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TRF）水平。抽取5 mL研究對(duì)象的空腹靜脈血，于室溫下放置標(biāo)本2 h，再以3 000 r/min的速度進(jìn)行離心處理，在微型離心管中置入上清液，標(biāo)記后于冰箱-80 ℃下進(jìn)行冷存處理，再以特定蛋白分析儀（型號(hào)：BN prospec;生產(chǎn)公司：美國(guó)德靈公司）完成上述3種指標(biāo)水平的測(cè)定。比較兩組術(shù)前與術(shù)后7 d靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+）。采用間接能量測(cè)定儀（由美國(guó)Medgraphic公司提供）完成REE水平的測(cè)定，主要評(píng)測(cè)起床后（5：00～7：00）至入睡前（22：00～24：00）的能量消耗;流式細(xì)胞儀（型號(hào)：CytoFLEX，生產(chǎn)廠家：美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司）用于CD4+、CD8+水平的測(cè)定，隨后再對(duì)CD4+/CD8+值進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)兩組轉(zhuǎn)開(kāi)腹率、術(shù)后7 d并發(fā)癥發(fā)生率及圍手術(shù)期死亡率。并發(fā)癥包括腹腔感染、肺部感染、腹瀉、腹腔出血、膽漏。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 20.0軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料用（x±s）表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料以率（%）表示，比較采用字2檢驗(yàn)。以α=0.05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組一般資料比較 試驗(yàn)組中，女16例，男14例;年齡41～76歲，平均（58.62±6.29）歲;Chlid-Pugh分級(jí)：B級(jí)4例，A級(jí)26例;腫瘤位置：右半肝9例，左半肝21例。對(duì)照組中，女17例，男13例;年齡40～78歲，平均（58.84±6.24）歲;Chlid-Pugh分級(jí)：B級(jí)6例，A級(jí)24例;腫瘤位置：右半肝10例，左半肝20例。兩組性別、年齡、Chlid-Pugh分級(jí)及腫瘤位置比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），具有可比性。

2.2 兩組手術(shù)情況比較 試驗(yàn)組手術(shù)出血量較對(duì)照組少，肝門(mén)阻斷時(shí)間、手術(shù)時(shí)間均較對(duì)照組短，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見(jiàn)表1。

2.3 兩組術(shù)前與術(shù)后7 d PRE、ALB、TRF水平變化比較 兩組術(shù)前PAB、ALB、TRF水平相比，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）;兩組術(shù)后7 d PAB、ALB、TRF水平均較術(shù)前降低，但試驗(yàn)組均較對(duì)照組高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見(jiàn)表2。

2.4 兩組術(shù)前與術(shù)后7 d能量代謝、T細(xì)胞亞群比較 兩組術(shù)前REE水平、CD4+/CD8+相比，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）;兩組術(shù)后7 d REE水平較術(shù)前升高、CD4+/CD8+較術(shù)前降低，試驗(yàn)組REE水平較對(duì)照組低，CD4+/CD8+較對(duì)照組高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見(jiàn)表3。

2.5 兩組并發(fā)癥、轉(zhuǎn)開(kāi)腹、圍手術(shù)期死亡情況比較 試驗(yàn)組并發(fā)癥發(fā)生率較對(duì)照組低（P<0.05），試驗(yàn)組轉(zhuǎn)開(kāi)腹率、圍手術(shù)期間死亡率均低于對(duì)照組，但兩組比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見(jiàn)表4。

3 討論

原發(fā)性肝癌的發(fā)病率目前在國(guó)內(nèi)常見(jiàn)惡性腫瘤疾病中位列第4位，而其病死率在該類(lèi)疾病致死病因中高居第2位[6-7]，一般以肝切除術(shù)進(jìn)行治療。隨著微創(chuàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，腹腔鏡肝切除術(shù)成為治療原發(fā)性肝癌患者的主要術(shù)式之一[8]。肝癌患者多有肝硬化、腫瘤體積大等病理表現(xiàn)，會(huì)增加臨床解剖患者肝臟系統(tǒng)、腫瘤的難度[9]。施術(shù)者稍有不慎可能會(huì)導(dǎo)致患者生命垂危，具體包括術(shù)中出血與術(shù)后肝衰竭兩種。前者多是因術(shù)前未細(xì)致掌握患者重要血管與其腫瘤間的關(guān)系造成，后者則是術(shù)前未精確預(yù)估患者的殘肝體積導(dǎo)致[10]。為改善上述現(xiàn)狀，臨床認(rèn)為術(shù)前掌握肝內(nèi)脈管系統(tǒng)解剖及準(zhǔn)確評(píng)估殘肝體積較為重要[11]。

近幾年臨床常基于MRI或CT二維成像輔助原發(fā)性肝癌患者完成腹腔鏡肝切除術(shù)，通常邊分離患者的肝實(shí)質(zhì)邊探尋其膽管、血管，難以精確判斷患者肝內(nèi)脈管的結(jié)構(gòu)變異情況[12]，且無(wú)法多角度了解血管、腫瘤間的關(guān)系，期間可能會(huì)遇到手術(shù)出血量大、手術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題[13]，療效相對(duì)有限。本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)組手術(shù)出血量、肝門(mén)阻斷時(shí)間、手術(shù)時(shí)間方面的效果均優(yōu)于對(duì)照組（P>0.05）。3D slicer是一種能夠?qū)⒊Ｒ?jiàn)CT二維影像資料轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視化應(yīng)用的軟件[14]，具有雙向交互性與強(qiáng)大可擴(kuò)展性，其數(shù)據(jù)分析、圖像處理功能較強(qiáng)，能夠以三維重建的方式做好AI建模工作。該技術(shù)用于肝癌手術(shù)患者中，可從任意角度了解肝內(nèi)脈管系統(tǒng)與腫瘤的毗鄰關(guān)系，促使施術(shù)者更為細(xì)致地掌握腫瘤的實(shí)際切除范圍[15]。而在AI仿真建模下還可通過(guò)反復(fù)預(yù)切除的方式幫助施術(shù)者熟悉手術(shù)過(guò)程，提高施術(shù)者的肝切除精確性，最大限度保留患者殘肝解剖結(jié)構(gòu)的完整性[16]。與此同時(shí)結(jié)合ICG熒光顯像技術(shù)，于肝癌患者深部肝實(shí)質(zhì)離斷時(shí)進(jìn)行切肝平面與腫瘤定位，還能夠探查遺漏的小病灶，進(jìn)一步提升患者的整體手術(shù)療效與安全性[17]，避免術(shù)后出現(xiàn)肝衰竭情況及相關(guān)并發(fā)癥情況。如本文結(jié)果中，結(jié)合CT的3D slicer AI建模進(jìn)行手術(shù)的患者，其并發(fā)癥相對(duì)更少。

外科手術(shù)創(chuàng)傷所致的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)，通常會(huì)促使患者的肌肉蛋白質(zhì)分解，以尿素氮、尿肌酐的形式排出，故而蛋白質(zhì)的分解與患者的創(chuàng)傷程度存在緊密聯(lián)系。一旦患者的蛋白質(zhì)水平下降，可能會(huì)影響其骨骼肌及相關(guān)器官功能，增加其罹發(fā)多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的風(fēng)險(xiǎn)。基于此，臨床常借助血清內(nèi)臟蛋白指標(biāo)來(lái)觀察患者的手術(shù)創(chuàng)傷程度，這與梅俊[18]的報(bào)道內(nèi)容大致相同。PAB、ALB、TRF均是一種可以反映患者機(jī)體蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況的指標(biāo)，其中PAB、TRF的半衰期相對(duì)較短，但評(píng)價(jià)的敏感性較高;而ALB的半衰期較長(zhǎng)，但敏感性相對(duì)較低。本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)組術(shù)后7 d PAB、ALB、TRF水平均高于對(duì)照組（P<0.05），提示結(jié)合CT的3D slicer AI建模進(jìn)行手術(shù)的安全性較高，能夠減低患者的受創(chuàng)程度，促使患者術(shù)后營(yíng)養(yǎng)狀況盡快恢復(fù)正常，以避免相關(guān)并發(fā)癥的產(chǎn)生。REE指人體清醒、安靜狀態(tài)下不受精神緊張、食物、環(huán)境溫度及肌肉活動(dòng)等影響的能量消耗，通過(guò)計(jì)算患者每日能量消耗的方式能夠了解其代謝狀態(tài)。一般而言，手術(shù)創(chuàng)傷所致的應(yīng)激反應(yīng)越大，患者機(jī)體的代謝水平越高[19]，這與應(yīng)激激素下其內(nèi)環(huán)境改變有關(guān)。

CD4+/CD8+則能夠了解宿主T細(xì)胞亞群的紊亂狀態(tài)，反映患者機(jī)體遭受手術(shù)創(chuàng)傷的應(yīng)激水平。本研究結(jié)果顯示，試驗(yàn)組REE水平、CD4+/CD8+均優(yōu)于對(duì)照組（P<0.05），表明以CT的3D slicer AI建模進(jìn)行手術(shù)對(duì)患者代謝、免疫功能的影響均較小，這可能與該技術(shù)下應(yīng)用腹腔鏡肝切除術(shù)能夠充分保留患者的殘余功能有關(guān)，可減少無(wú)效肝存在，避免出現(xiàn)大范圍切除所致的肝功能失代償情況，促使患者盡快康復(fù)。

綜上所得，肝癌患者以基于CT的3D slicer AI建模完成腹腔鏡肝切除術(shù)，能夠提高手術(shù)有效性與安全性，改善術(shù)后的代謝狀態(tài)、免疫功能，值得臨床借鑒。但本次研究仍存在不足之處，如隨訪(fǎng)時(shí)間短、納入病例少等，需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究，為后續(xù)患者的精準(zhǔn)治療夯實(shí)基礎(chǔ)。

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（收稿日期：2021-05-27） （本文編輯：程旭然）