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(shí)、思維，對(duì)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(dòng)顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)胸部結(jié)核病系統(tǒng)對(duì)正常胸片和異常胸片的檢測(cè)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(guó)內(nèi)也有逐漸上升的趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[5]顯示：我國(guó)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(bào)道，本文將對(duì) 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(guó)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(guó)內(nèi)也開始了虛擬中國(guó)人計(jì)劃[7]，擬利用三維重建技術(shù)以提高中國(guó)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(shí)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(shí)別和學(xué)習(xí)中有巨大的優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(gè)非線性處理層對(duì)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(cè)。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(duì)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(duì)真實(shí)世界物體所做出的交互反應(yīng)[8]。文獻(xiàn)[9]報(bào)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(shí)其能對(duì)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(duì)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(duì)聲波的反射不同而收集信號(hào)，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(duì)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(jí)別的前列腺癌。MRI 是通過采集不同的序列信號(hào)形成圖像，典型的前列腺腫瘤表現(xiàn)為T2期低信號(hào)，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(duì)正常及異常的前列腺圖像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，更快的對(duì)前列腺腫瘤進(jìn)行診斷。超聲與MRI對(duì)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(duì)可疑病灶進(jìn)行穿刺。Bey等[11]對(duì)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(duì)前列腺癌的檢出率更高。Bjurlin 等[12]認(rèn)為對(duì)于既往穿刺陰性的病例，融合穿刺能提高陽性率，對(duì)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(jí)的準(zhǔn)確性，同時(shí)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(duì)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(jí)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(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行分割，并運(yùn)用三維重建與可視化技術(shù)，對(duì)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(shí)掌握手術(shù)器械相對(duì)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(duì)前列腺癌術(shù)中超聲導(dǎo)航有較多研究，報(bào)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(guó)泌尿外科年會(huì)中進(jìn)行了相關(guān)報(bào)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(duì)縮短手術(shù)時(shí)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(duì)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(tái)。機(jī)器人輔助前列腺癌根治術(shù)已經(jīng)在國(guó)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(bào)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(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)穿刺存在粒子植入精度差、術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、粒子的放射性對(duì)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(dòng)的實(shí)時(shí)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(bào)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(cè)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(shí)積攢了紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心在美國(guó)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(guó)執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格考試，此前已經(jīng)在14個(gè)國(guó)家的多個(gè)腫瘤治療中心進(jìn)行了臨床應(yīng)用。針對(duì)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(gè)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(gè)方面已有一些初步應(yīng)用。從臨床需求上來說，對(duì)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(duì)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(shí)，研究運(yùn)動(dòng)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(jià)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(gè)顯示器上融合。目前有一些文獻(xiàn)[23-24]報(bào)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(shí)融合并用3D眼鏡觀看者尚無報(bào)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(huì)有更為廣闊的應(yīng)用，成為泌尿外科醫(yī)生的好幫手。