張智熒 邱 敏 馬潞林 盧 劍

(北京大學(xué)第三醫(yī)院泌尿外科，北京 100191)

人工智能(artificial intelligence，AI)是研究如何在機(jī)器上模擬、擴(kuò)展人的意識、思維，對相應(yīng)問題做出類似甚至超越人類智能方式的反應(yīng)[1]。人工智能的應(yīng)用范圍很廣，早在20世紀(jì)70年代，AI在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用就是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)研究項(xiàng)目的重要目標(biāo)之一[2]。目前，人工智能在醫(yī)療中有多方面應(yīng)用，其中醫(yī)學(xué)影像和機(jī)器人輔助手術(shù)是應(yīng)用最為成功的方向。例如使用基于人工智能計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)的自動顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行自動診斷來代替眼睛觀察，可以解決由于人眼視覺的變異和疲勞等因素而導(dǎo)致靈敏度低的問題，而利用自動胸部結(jié)核病系統(tǒng)對正常胸片和異常胸片的檢測精度可達(dá)到92%～95%[3]。人工智能在乳腺腫瘤的診治、輔助藥物研發(fā)、智能可穿戴設(shè)備中也已有較多的應(yīng)用[4]。

前列腺癌是泌尿系統(tǒng)的常見惡性腫瘤，在歐美排名第一，在國內(nèi)也有逐漸上升的趨勢。目前國內(nèi)文獻(xiàn)[5]顯示：我國腫瘤登記地區(qū)前列腺癌發(fā)病率由 2000年的4.62/10萬上升至2014年的21.62/10萬，城市地區(qū)前列腺癌發(fā)病率由2000年的5.65/10萬上升至 2014年的24.48/10萬，農(nóng)村地區(qū)前列腺癌發(fā)病率由 2000年的1.06/10萬上升至 2014年的7.71/10 萬。整體來說，14年間前列腺癌的發(fā)病率升高了4倍以上。磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)是前列腺癌最有效的影像檢查，目前已有一些將3D影像重建及人工智能應(yīng)用在前列腺腫瘤的診治中的相關(guān)報道，本文將對 3D 影像重建及人工智能在術(shù)前診斷、術(shù)中導(dǎo)航等相關(guān)應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景做一些探討。

1 3D影像重建及AI在前列腺腫瘤診斷中的應(yīng)用

歐美發(fā)達(dá)國家的醫(yī)學(xué)影像3D重建技術(shù)研究起步最早，開始于20世紀(jì)70年代，到目前經(jīng)歷了40多年的研究，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，為醫(yī)學(xué)影像三維輔助診斷系統(tǒng)的誕生奠定了基礎(chǔ)[6]。自2001 年開始，國內(nèi)也開始了虛擬中國人計(jì)劃[7]，擬利用三維重建技術(shù)以提高中國整體醫(yī)療水平。近年來，隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖像計(jì)算模型的日趨成熟、機(jī)器學(xué)習(xí)算法功能的不斷強(qiáng)大，基于圖像的輔助診斷逐漸成為了現(xiàn)實(shí)?；诖髷?shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)、圖像識別是醫(yī)學(xué)人工智能的核心技術(shù)，換句話說，AI在圖像的識別和學(xué)習(xí)中有巨大的優(yōu)勢。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中一系列試圖使用多重非線性變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行多層抽象的算法，其從人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)展而來，通過組合多個非線性處理層對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行逐層抽象，從數(shù)據(jù)中獲得不同層面的抽象特征并用于分類預(yù)測。目前用于前列腺腫瘤診斷方面較多的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其是對人腦若干基本特性的抽象和模擬，能夠模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對真實(shí)世界物體所做出的交互反應(yīng)[8]。文獻(xiàn)[9]報道其能提高前列腺癌的診斷率，減少不必要的穿刺活檢，同時其能對前列腺癌進(jìn)行分期，幫助醫(yī)生進(jìn)行治療方案的決策。

前列腺腫瘤的診斷主要依靠影像學(xué)檢查、血清前列腺特異性抗原 (prostate specific antigen，PSA)篩查及組織穿刺活檢。對于前列腺比較敏感的影像學(xué)檢查是超聲及MRI，超聲的原理是利用不同組織對聲波的反射不同而收集信號，通過電腦軟件形成可視的聲圖，前列腺腫瘤一般容易出現(xiàn)在外周帶，表現(xiàn)為低回聲結(jié)節(jié)。人眼是通過聲圖來判斷前列腺腫瘤，而依靠人工智能可能不僅能對聲圖進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，還能通過收集形成聲圖的數(shù)據(jù)來直接學(xué)習(xí)，從而進(jìn)行診斷。謝立平等[10]采用人工智能超聲電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)檢查來診斷前列腺癌： 60例患者中52例需接受經(jīng)直腸前列腺穿刺活檢,24例穿刺活檢病理確診為前列腺癌, 穿刺陽性率46.2%；33例首次穿刺者中確診前列腺癌者17例,穿刺陽性率51.5%；19例重復(fù)穿刺者中確診前列腺癌者7例,穿刺陽性率36.8%；其認(rèn)為人工智能超聲 CT 指導(dǎo)的靶向穿刺不僅能以較少的穿刺針數(shù)取得較高的前列腺癌穿刺陽性率, 而且更易于發(fā)現(xiàn)低級別的前列腺癌。MRI 是通過采集不同的序列信號形成圖像，典型的前列腺腫瘤表現(xiàn)為T2期低信號，基于海量的前列腺核磁影像數(shù)據(jù)，結(jié)合 3D影像重建，AI通過對正常及異常的前列腺圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，更快的對前列腺腫瘤進(jìn)行診斷。超聲與MRI對前列腺癌的診斷信息有限，而兩者聯(lián)合有助于提高前列腺穿刺活檢的陽性率。穿刺過程中通過超聲引導(dǎo)，結(jié)合MRI的3D影像重建，可以更精確的對可疑病灶進(jìn)行穿刺。Bey等[11]對比了超聲引導(dǎo)下穿刺與磁共振超聲融合穿刺，兩組的陽性率分別為57%及59.3%，其認(rèn)為磁共振超聲融合穿刺對前列腺癌的檢出率更高。Bjurlin 等[12]認(rèn)為對于既往穿刺陰性的病例，融合穿刺能提高陽性率，對于首次穿刺的病例，其能更好地確定腫物的位置，提高分期與分級的準(zhǔn)確性，同時減少不必要的穿刺。相信在人工智能的幫助下，或許能更好地融合超聲與MRI，尋找有效的穿刺靶點(diǎn)。

病理是診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，而診斷主要依靠病理切片，換句話說就是圖像。使用人工智能對圖像相關(guān)特征的提取，還可以得到病理圖像的分類和分級的信息，而這一切都需要基于全切片數(shù)字化圖像的技術(shù)[13]?；诖朔N技術(shù)，依靠人工智能可以讓其不知疲倦的分析病理圖像信息，提高前列腺癌的診斷效率。

2 3D影像重建及AI在前列腺腫瘤治療中的應(yīng)用

前列腺腫瘤的治療方式很多，根據(jù)分期，可選擇手術(shù)治療、放射治療(以下簡稱放療)(包括外放療及粒子植入術(shù))、化學(xué)藥物治療等。3D 影像重建及 AI 在此領(lǐng)域最前沿的就是術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是指在手術(shù)前運(yùn)用MRI和CT等采集患者病灶及其周圍器官的二維圖像，根據(jù)圖像分割技術(shù)對其進(jìn)行分割，并運(yùn)用三維重建與可視化技術(shù)，對分割結(jié)果進(jìn)行重建，獲得患者病灶與周圍器官的三維虛擬模型。根據(jù)病灶的形狀與大小，制定定量、精確的劑量和手術(shù)計(jì)劃，從而指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行精準(zhǔn)的手術(shù)操作。

在微創(chuàng)手術(shù)過程中，基于3D影像重建的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)可以讓外科醫(yī)師在術(shù)中實(shí)時掌握手術(shù)器械相對患者解剖結(jié)構(gòu)的三維位置，避開重要的組織器官，為手術(shù)推進(jìn)提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)“地圖”導(dǎo)航[14]。Ukimura等[15-18]對前列腺癌術(shù)中超聲導(dǎo)航有較多研究，報道了其在腹腔鏡保留性神經(jīng)的前列腺癌根治術(shù)及機(jī)器人手術(shù)中的相關(guān)應(yīng)用，并在美國泌尿外科年會中進(jìn)行了相關(guān)報道，其認(rèn)為基于3D影像重建，結(jié)合超聲MRI融合穿刺確認(rèn)的病理結(jié)果，術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)幫助術(shù)者精準(zhǔn)完成復(fù)雜的手術(shù)操作，降低切緣陽性率，使得外科手術(shù)更安全和更準(zhǔn)確。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)對縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)精度，減輕患者在術(shù)中的痛苦和術(shù)后的合并癥等方面都有重要的作用。

此外，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以進(jìn)行術(shù)前模擬，對復(fù)雜手術(shù)操作路徑進(jìn)行規(guī)劃，減少術(shù)中失誤，提高手術(shù)成功率；并可以為青年醫(yī)師的培訓(xùn)和復(fù)雜手術(shù)操作的練習(xí)提供良好的平臺。機(jī)器人輔助前列腺癌根治術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外應(yīng)用多年，其中應(yīng)用最廣的就是達(dá)芬奇系統(tǒng)，其能幫助術(shù)者使術(shù)中操作更加精細(xì)。雖然有一些利用人工智能行遠(yuǎn)程手術(shù)的報道，但整體來說，手術(shù)相關(guān)的人工智能主要是基于計(jì)算機(jī)的輔助系統(tǒng)，可以認(rèn)為是術(shù)者手的延伸，智能化較低，目前還不能做到依靠智能系統(tǒng)機(jī)器人自己做手術(shù)。相信隨著人工智能的發(fā)展，其不斷地學(xué)習(xí)解剖，通過深度學(xué)習(xí)既往手術(shù)資料，或許在未來能夠做到真正的機(jī)器人手術(shù)。

前列腺粒子植入術(shù)及熱消融等治療中也可應(yīng)用術(shù)中導(dǎo)航。類似于前列腺穿刺活檢，前列腺粒子植入術(shù)也是在超聲的引導(dǎo)下進(jìn)行的，人工智能可以更好地將MRI 影像與超聲相結(jié)合。手術(shù)過程中，通過導(dǎo)航系統(tǒng)將患者的位置轉(zhuǎn)換到三維虛擬模型坐標(biāo)系下。運(yùn)用三維定位技術(shù)，實(shí)時采集穿刺針在空間中的實(shí)際位置與姿態(tài)，并將其轉(zhuǎn)換到虛擬模型中，醫(yī)生通過觀察虛擬模型中穿刺針與患者的解剖結(jié)構(gòu)之間的相對位置關(guān)系，避開重要的組織器官，找到合理的進(jìn)針路徑，對患者進(jìn)行粒子植入手術(shù)。鄭勇男等[19]提出了一種結(jié)合體表信息以及體內(nèi)超聲圖像信息的混合配準(zhǔn)方法，其認(rèn)為能提高靶區(qū)配準(zhǔn)精度。傳統(tǒng)的人工手動穿刺存在粒子植入精度差、術(shù)后恢復(fù)時間長、粒子的放射性對醫(yī)生有傷害等問題，劉盛等[20]提出了一種應(yīng)用于前列腺癌治療的超聲圖像導(dǎo)航微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)術(shù)前可以進(jìn)行腫瘤靶區(qū)位置的三維重建和劑量規(guī)劃，術(shù)中能實(shí)現(xiàn)超聲波圖像導(dǎo)航，進(jìn)行手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)時引導(dǎo)和模板的準(zhǔn)確定位，提高了粒子植入的質(zhì)量。同樣的，基于3D影像重建，術(shù)中導(dǎo)航在前列腺腫瘤熱消融方面也有相關(guān)報道[21]，效果較好。

在前列腺腫瘤的綜合治療上，可利用人工智能選擇最佳治療方案：機(jī)器學(xué)習(xí)可以建立前列腺癌的預(yù)測模型，根據(jù)不同的情況選擇合適的治療方案[22]?！拔稚?Watson for Oncology)是IBM公司研發(fā)的醫(yī)療人工智能，它學(xué)習(xí)上百種醫(yī)學(xué)專業(yè)期刊及腫瘤專著的論文研究數(shù)據(jù)，同時積攢了紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心在美國100多年癌癥臨床治療中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且通過了美國執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試，此前已經(jīng)在14個國家的多個腫瘤治療中心進(jìn)行了臨床應(yīng)用。針對前列腺腫瘤的治療，它能夠快速制定以循證醫(yī)學(xué)為基礎(chǔ)的個性化的治療方案。

3 前列腺癌診治中AI及3D影像重建的技術(shù)瓶頸及應(yīng)用前景

綜上，3D影像重建及人工智能目前在前列腺腫瘤診治的各個方面已有一些初步應(yīng)用。從臨床需求上來說，對基于3D影像重建的人工智能診斷、穿刺及術(shù)中導(dǎo)航方面的相關(guān)技術(shù)需求較大。但就目前來看，存在一些技術(shù)瓶頸：從影像處理來說，前列腺腫瘤磁共振影像一般為三維數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型處理的數(shù)據(jù)為二維圖像數(shù)據(jù)。需要高維精準(zhǔn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割算法來對影像進(jìn)行分割，構(gòu)建三維模型進(jìn)行重建，需要不斷設(shè)計(jì)一些新的算法及模型。從信息處理上來說，在構(gòu)建多層次卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，研究運(yùn)動圖像的復(fù)雜特征學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的深度、濾波器組合，減少計(jì)算代價是關(guān)鍵科學(xué)問題，需要不斷的改進(jìn)技術(shù)。從術(shù)中導(dǎo)航來說，術(shù)前需要將前列腺癌影像進(jìn)行處理，術(shù)中需要將處理后的影像和真實(shí)的腫瘤相融合，即實(shí)現(xiàn)腫瘤影像可視化，實(shí)現(xiàn)將虛擬圖像和術(shù)中所見在同一個顯示器上融合。目前有一些文獻(xiàn)[23-24]報道虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在術(shù)前模擬手術(shù)操作及進(jìn)行手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用，但在術(shù)中的實(shí)時融合并用3D眼鏡觀看者尚無報道，相信隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3D影像重建及人工智能的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來可能實(shí)現(xiàn)術(shù)中3D影像融合的導(dǎo)航技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，3D影像重建及人工智能在前列腺腫瘤的診治中將會有更為廣闊的應(yīng)用，成為泌尿外科醫(yī)生的好幫手。