人工智能放療平臺結(jié)合5G技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程放療

焦勇，馮麗娟，比確子拉，梁月，康盛偉，章樺

1.四川省腫瘤醫(yī)院信息中心，四川成都 610041；2.四川省腫瘤醫(yī)院放療中心，四川成都 610041；3.北京連心醫(yī)療科技有限公司，北京 100094

前言

世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究所出版的《世界癌癥報告》2020 版顯示我國2020年新發(fā)癌癥約457 萬人，死亡約300 萬人［1］。城市惡性腫瘤發(fā)病率高于農(nóng)村，而農(nóng)村惡性腫瘤死亡率高于城市［2］。導(dǎo)致惡性腫瘤的地區(qū)差異的原因可能是不同地區(qū)在自然地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)水平、醫(yī)療資源配置、診療水平、癌癥篩查項目和人群生活方式等不同［3］。惡性腫瘤是嚴(yán)重威脅我國居民健康的一大類疾病，已成為我國居民的第1位死亡原因［4］。

放療是惡性腫瘤的3 大治療手段之一，超過70%的惡性腫瘤患者需接受放療［5］。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)療衛(wèi)生投入較多、醫(yī)院診療水平較高，優(yōu)質(zhì)放療資源多集中于省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)，市縣級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)針對惡性腫瘤的治療水平尚存在欠缺，導(dǎo)致市縣級腫瘤患者需要進(jìn)行跨區(qū)域治療，無形中增加了腫瘤患者的治療成本。

為滿足國家對腫瘤患者分級診療要求，省級腫瘤治療醫(yī)療機(jī)構(gòu)通過與市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)建立醫(yī)聯(lián)體聯(lián)盟合作關(guān)系。省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師不定期到市縣級醫(yī)聯(lián)體醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行患者診療，并指導(dǎo)市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師；市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)不定期組織放療醫(yī)師到省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)修學(xué)習(xí)，進(jìn)而提升市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師診療水平。但通過該方式需要較長周期才能達(dá)到整體提升市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師診療水平的目的。

隨著人工智能和云技術(shù)的日益成熟，出現(xiàn)了多種自動勾畫軟件，如ABAS、MIM、OnQ 等［6-7］，這幾款軟件能夠執(zhí)行3DCT、4DCT、MRI 或PET/CT 等不同模態(tài)影像間的形變配準(zhǔn)［8-11］。目前人工智能放療平臺已在多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行部署和應(yīng)用，也有許多專家學(xué)者對人工智能放療平臺自動勾畫效果進(jìn)行研究，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)的自動勾畫給予充分的肯定。醫(yī)療機(jī)構(gòu)為確?；颊咝畔⒌陌踩?，人工智能放療平臺一般部署于醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，放療醫(yī)師只能通過移動終端或PC 在特定地點進(jìn)行工作，極大地限制了放療醫(yī)師的工作便捷性和工作效率。要體現(xiàn)移動終端操作的便捷性，需要使用4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入，但該方式又要求人工智能放療平臺部署到互聯(lián)網(wǎng)上，這給患者信息安全帶來極大挑戰(zhàn)，且4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有限，人工智能放療平臺加載腫瘤患者CT 圖像時需等待較長時間來進(jìn)行圖像加載和傳輸；同時，人工智能放療平臺無法為跨區(qū)域的合作醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供服務(wù)。

工信部賽迪智庫編寫的《5G 發(fā)展2021 展望白皮書》提到，2021年我國5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模將進(jìn)一步增長，且增幅將超過2020年。國家也高度重視5G 的發(fā)展，要求積極推進(jìn)5G 商用，隨著5G 專網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，為解決前述問題帶來了契機(jī)。

1 方法

1.1 人工智能放療平臺搭建

精確勾畫腫瘤靶區(qū)和危及器官是實現(xiàn)精確放療的前提和保障［12］。張富利等［13］比較了基于深度學(xué)習(xí)和圖譜庫方法自動勾畫不同部位腫瘤危及器官輪廓的幾何學(xué)精度，發(fā)現(xiàn)前者在總體上更有優(yōu)勢。人工智能放療平臺主要通過計算機(jī)深度學(xué)習(xí)方法來完成患者靶區(qū)和危及器官的自動勾畫［14-17］?；谔卣鞯纳疃葘W(xué)習(xí)方法通過捕獲不同算法間的差異并將其納入預(yù)測模型以解決臨床工作中可能遇到的問題，國內(nèi)外許多學(xué)者都對此進(jìn)行探討［18-22］。本研究中的人工智能放療平臺采用北京連心醫(yī)療公司開發(fā)的AiContour軟件。

人工智能放療平臺采用語義分割融合U-Net、Res-Net、Dilated Convolution 等架構(gòu)，從而達(dá)到高精度器官分割的目的，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的自動部位分類算法以及自動分割算法，完成頭頸部、胸腹部和盆腔等110 多個危及器官的自動勾畫。在卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計多層網(wǎng)絡(luò)反饋與激勵結(jié)構(gòu)，結(jié)合放療勾畫和計劃中的不變規(guī)則與變化特征，研究多尺度注意力機(jī)制在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中如何控制模型參數(shù)達(dá)到強(qiáng)化學(xué)習(xí)重點，使得網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展到腫瘤靶區(qū)的自動勾畫，可以在小量樣本數(shù)據(jù)情況下，達(dá)到良好的收斂效果，從而實現(xiàn)腫瘤靶區(qū)的自動勾畫。平臺基于大量的專家經(jīng)驗庫，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，采用FCN-深度學(xué)習(xí)模型，對影像圖像進(jìn)行像素級的分類，以提高對正常組織器官和病灶的識別能力。模型經(jīng)過大量訓(xùn)練和驗證，能更快速和準(zhǔn)確地勾畫危及器官和腫瘤靶區(qū)，得到精準(zhǔn)且符合病人個性化特性的結(jié)果。

1.1.1 放療平臺硬件配置人工智能放療平臺涉及大量的圖像計算和圖像存儲，需要使用高性能的顯卡和大容量的存儲。本研究采用的服務(wù)器配置如表1所示。

表1 人工智能放療平臺服務(wù)器配置Table 1 Configuration of artificial intelligence radiotherapy platform server

1.1.2 放療平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)人工智能放療平臺訪問方式包括PC端訪問和5G終端訪問，根據(jù)訪問要求設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。人工智能放療平臺服務(wù)器配置雙千兆網(wǎng)口，滿足網(wǎng)絡(luò)訪問和傳輸要求，一個網(wǎng)口用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)用戶訪問網(wǎng)絡(luò)配置，一個網(wǎng)口用于5G專用網(wǎng)絡(luò)訪問配置。

圖1 人工智能放療平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFigure 1 Network topology of artificial intelligence radiotherapy platform

1.2 5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

5G 智慧醫(yī)療專網(wǎng)主要涉及行業(yè)終端、5G 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、端到端網(wǎng)絡(luò)切片、行業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及邊緣計算平臺等，以行業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和行業(yè)邊緣云平臺為核心，融合5G 切片技術(shù)和邊緣計算技術(shù)。利用現(xiàn)有公網(wǎng)資源，按照共享用戶面功能（User Plane Function,UPF）模式部署實現(xiàn)公網(wǎng)專網(wǎng)模式，配置專屬DNN（Data Network Name），實現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離，保障業(yè)務(wù)安全，滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)、連接、計算、安全等云網(wǎng)融合服務(wù)需求的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案如圖2所示。

圖2 5G專網(wǎng)構(gòu)建方案Figure 2 Construction scheme of 5G private network

5G 專網(wǎng)中的行業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)關(guān)控制端部署在中國移動運(yùn)營商機(jī)房，提供4G&5G&NB 等蜂窩網(wǎng)數(shù)據(jù)接入，支持流量卸載、安全與加密、云邊端協(xié)同、計費管理、云網(wǎng)監(jiān)控管理等功能；醫(yī)療邊緣云部署于醫(yī)院機(jī)房，支持本地網(wǎng)絡(luò)綜合接入，應(yīng)用于計費管理、安全與加密、云邊端協(xié)同和第三方能力開放等功能。院外醫(yī)聯(lián)體單位（本研究選取內(nèi)江腫瘤醫(yī)院）使用5G專網(wǎng)接入，構(gòu)建一張靈活的、可擴(kuò)展的、可靠的全連接專用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“一張網(wǎng)絡(luò)”滿足不同接入需求的資源與數(shù)據(jù)整合。

1.3 遠(yuǎn)程放療協(xié)作

智能放療云平臺利用人工智能技術(shù)，賦能放療全過程，集放療流程管理、放療影像智能勾畫于一體；然后通過基于5G 的云技術(shù)，形成遠(yuǎn)程的靶區(qū)勾畫、放療質(zhì)控、MDT 多學(xué)科會診、計劃評估和患者隨訪。結(jié)合遠(yuǎn)程視頻組件，省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)（四川省腫瘤醫(yī)院）放療醫(yī)師可實時指導(dǎo)市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)（內(nèi)江腫瘤醫(yī)院）放療醫(yī)師進(jìn)行腫瘤患者危及器官勾畫，實現(xiàn)基于移動互聯(lián)網(wǎng)的跨區(qū)域協(xié)作和移動辦公，將省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)的腫瘤診療能力覆蓋到市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)，為解決放療資源不均衡和資源不足的問題提供解決方案。

2 結(jié)果

人工智能放療平臺能與5G 技術(shù)結(jié)合，放療醫(yī)師能通過5G 終端隨時隨地進(jìn)行腫瘤患者靶區(qū)勾畫，提升工作效率；同時，跨區(qū)域遠(yuǎn)程放療模式能降低市縣級腫瘤患者放療成本，提升腫瘤放療應(yīng)用范圍。

2.1 放療效率提升

2.1.1 勾畫效率提升人工智能放療平臺支持110+器官的自動勾畫，放療醫(yī)師可以通過平臺對腫瘤患者危及器官進(jìn)行自動勾畫后，使用少量的時間進(jìn)行手動優(yōu)化，即可滿足臨床放療對高精度勾畫的要求［4］。王繼平等［23］對鼻咽癌危及器官自動分割研究的10 例測試患者進(jìn)行手工勾畫和自動分割的平均時間分別為1 663 s 和432 s，自動分割較手工勾畫節(jié)省時間1231 s（74.02%）。由此可見，靶區(qū)自動勾畫加人工調(diào)優(yōu)的模式相比純手工勾畫節(jié)省50%以上的時間成本。

智能放療平臺進(jìn)行自動勾畫的效果如圖3所示，該病例自動勾畫部位包括全身分層、心臟四器、盆腔聯(lián)合分割、乳腺、十二指腸、心肺聯(lián)合分割、腎、肝脾胃等，自動勾畫時間為11.5 min。

圖3 智能放療平臺自動勾畫Figure 3 Automatic segmentation on intelligent radiotherapy platform

將人工勾畫預(yù)估時間與針對乳腺、十二指腸等部位自動勾畫時間進(jìn)行對比（表2）。對于乳腺、十二指腸等勾畫時間較短的部位，自動勾畫和人工勾畫耗時相近；但對于頭頸部等勾畫時間較長的部位，自動勾畫相較于人工勾畫時間節(jié)省約44%。

表2 自動勾畫和人工勾畫時間對比Table 2 Comparison of time taken for between automatic and manual segmentations(min)

2.1.2 工作效率提升放療醫(yī)師通過5G 終端安全訪問到人工智能放療平臺，隨時隨地進(jìn)行勾畫操作。人工智能放療平臺自動勾畫操作采用異步模式在后臺進(jìn)行處理，處理時間依賴于圖像層數(shù)和平臺服務(wù)器性能，放療醫(yī)師可開啟自動勾畫后，處理其它工作內(nèi)容，待自動勾畫完成后進(jìn)行少量調(diào)優(yōu)操作，極大地提升了放療醫(yī)師的工作效率。

2.2 移動終端操作便捷性提升

5G專網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使醫(yī)療機(jī)構(gòu)和醫(yī)聯(lián)體機(jī)構(gòu)移動終端網(wǎng)絡(luò)傳輸下行速率不低于300 Mbps，移動終端連接服務(wù)端時延如圖4所示，時延均在100 ms 內(nèi)。在腫瘤患者診療過程中，影像數(shù)據(jù)非常大，通過5G移動終端加載腫瘤患者影像數(shù)據(jù)更加快捷，無卡頓現(xiàn)象，可提升移動終端操作便捷性。同時，只要放療醫(yī)師所處區(qū)域有5G 信號覆蓋，放療醫(yī)師即可隨時進(jìn)行靶區(qū)勾畫（圖5），增強(qiáng)放療醫(yī)師使用移動終端進(jìn)行腫瘤患者靶區(qū)勾畫的意愿，擴(kuò)充腫瘤患者靶區(qū)勾畫場景。

圖4 5G移動終端連接服務(wù)端時延Figure 4 Time delay of 5G mobile terminal connection server

圖5 移動終端勾畫示意圖Figure 5 Segmentation on mobile terminal

2.3 跨區(qū)域遠(yuǎn)程放療協(xié)同

通過遠(yuǎn)程放療協(xié)作平臺，省級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師可以實時與市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師溝通，進(jìn)行患者病歷討論、靶區(qū)勾畫指導(dǎo)、放療建議等，有助于提升市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療醫(yī)師診療水平，也有助于增強(qiáng)腫瘤患者就近就醫(yī)意愿，進(jìn)一步減少農(nóng)村地區(qū)腫瘤患者就醫(yī)成本，進(jìn)而推動實現(xiàn)腫瘤患者分級診療愿景。

3 結(jié)論

人工智能放療平臺結(jié)合5G技術(shù)能實現(xiàn)移動靶區(qū)自動勾畫，利用計算機(jī)輔助自動或半自動勾畫危及器官不僅可以縮短勾畫時間，而且可以有效減少不同醫(yī)師個體主觀判斷所致的勾畫差異［24-26］，為放療醫(yī)師靶區(qū)勾畫提供更好的便捷性的同時節(jié)省了放療醫(yī)師大量的靶區(qū)勾畫時間，提升腫瘤患者放療效率。平臺結(jié)合遠(yuǎn)程視頻組件，為提升市縣級醫(yī)療機(jī)構(gòu)放療診療能力提供參考，滿足國家分級診療要求，進(jìn)一步提升市縣級腫瘤患者就近治療意愿和降低就醫(yī)成本。