人工智能技術(shù)在結(jié)直腸癌全程管理中的應(yīng)用

王培培，吳 斌

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 基本外科， 北京 100730)

結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)是一種常見的惡性消化道腫瘤，近年來發(fā)病率和病死率呈逐年上升趨勢(shì)[1]。根據(jù)2018年中國(guó)國(guó)家癌癥中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，結(jié)直腸癌已經(jīng)成為了中國(guó)女性第三大癌、男性第四大癌[2]。目前我國(guó)基本醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)存在不均衡的問題，基層缺少結(jié)直腸?？漆t(yī)師，結(jié)直腸癌的規(guī)范化診療在很多基層地區(qū)存在諸多短板。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地運(yùn)用到醫(yī)療領(lǐng)域，人工智能(artificial intelligence, AI)技術(shù)為結(jié)直腸腫瘤的全程管理的實(shí)現(xiàn)提供了平臺(tái)與支持[3-4]，可進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤的規(guī)范化診治，提高療效?，F(xiàn)就AI技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤全程管理中的應(yīng)用綜述如下。

1 腫瘤全程管理的定義

隨著腫瘤治療手段的不斷進(jìn)步，靶向治療、免疫治療等新技術(shù)取得進(jìn)展，腫瘤患者的生存期不斷延長(zhǎng)。腫瘤治療的理念已經(jīng)從單純的治療腫瘤、殺滅腫瘤細(xì)胞，轉(zhuǎn)變成延長(zhǎng)患者生存期、提高生存質(zhì)量[5-7]。腫瘤全程管理的理念也應(yīng)運(yùn)而生。

腫瘤全程管理涵蓋了腫瘤早期準(zhǔn)確診斷、規(guī)范的綜合治療、康復(fù)隨訪等一系列疾病發(fā)展過程。既要著手預(yù)防前移，又要重視多學(xué)科規(guī)范化診治。其根本目的就是為腫瘤患者制定基于循證醫(yī)學(xué)的診療方案，譬如臨床路徑選擇、術(shù)前輔助精準(zhǔn)診斷等[4,8]，使患者從疾病診斷到疾病終結(jié)均獲得綜合有效的治療和監(jiān)管，并進(jìn)行全程心理干預(yù)。

2 結(jié)直腸癌的全程管理

2.1 傳統(tǒng)的結(jié)直腸癌管理存在的問題

2.1.1 早期診斷不及時(shí)：盡管近年來診斷和現(xiàn)代外科技術(shù)突飛猛進(jìn)，但結(jié)直腸癌的總體生存率并沒有明顯提升，很重要的原因在于不能早期診斷、及時(shí)發(fā)現(xiàn)腫瘤。此外，患者治療時(shí)的腫瘤分期是影響結(jié)直腸癌預(yù)后的重要因素，晚期患者治療效果通常較差并且預(yù)后不良。因此早期診治對(duì)改善結(jié)直腸癌患者的預(yù)后具有重要意義。

2.1.2 重復(fù)檢查與不規(guī)范診療：許多結(jié)直腸腫瘤患者在確診前輾轉(zhuǎn)于多家醫(yī)院，存在重復(fù)檢查現(xiàn)象，增加患者費(fèi)用也延遲治療時(shí)間。由于基層醫(yī)院缺少直腸核磁等檢查手段以及結(jié)直腸?？漆t(yī)師，難以對(duì)結(jié)直腸癌患者進(jìn)行準(zhǔn)確腫瘤分期，對(duì)分期較晚及合并癥較多的復(fù)雜疾病患者無法進(jìn)行有效地多學(xué)科診療模式(multidisciplinary team，MDT)綜合治療。

2.1.3 術(shù)后隨訪困難：作為一種常見的惡性腫瘤，結(jié)直腸癌有逐漸“慢病化”的趨勢(shì)。不少患者在完成手術(shù)及化療后，就不再進(jìn)行長(zhǎng)期定期復(fù)診，直到發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移，大多為時(shí)已晚。臨床醫(yī)師由于工作量大，對(duì)于隨訪工作往往分身乏術(shù)。如何做好結(jié)直腸癌患者術(shù)后的長(zhǎng)期隨訪是目前大部分腫瘤醫(yī)師共同的難題。

2.2 人工智能(AI)技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤全程管理中的應(yīng)用進(jìn)展

2.2.1 在腫瘤定性診斷及分期診斷上的應(yīng)用進(jìn)展：結(jié)直腸腫瘤的診斷可分為定性診斷及定位診斷，定性診斷主要依靠于電子結(jié)腸鏡活檢組織病理結(jié)果。分期診斷主要依賴于影像學(xué)檢查，例如腹盆增強(qiáng)CT、直腸MRI、直腸超聲等。

定性診斷：電子結(jié)腸鏡檢查是目前發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸腫瘤的重要手段。窄帶光成像(narrow-band imaging，NBI)是一種成像增強(qiáng)內(nèi)窺鏡，用于觀察黏膜上皮的微結(jié)構(gòu)和毛細(xì)血管，并可以實(shí)現(xiàn)結(jié)直腸息肉的實(shí)時(shí)組織學(xué)預(yù)測(cè)[9]。2016年日本學(xué)者使用新型窄帶光成像雙焦距內(nèi)鏡提出了結(jié)直腸腫瘤JNET分型[10]。此新型內(nèi)鏡可通過一鍵切換，實(shí)現(xiàn)窄帶光成像及45～90倍放大近焦觀察。計(jì)算機(jī)輔助深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)(DNN-CAD)應(yīng)用于腸鏡檢查，該系統(tǒng)可以區(qū)分<5 mm的結(jié)直腸息肉，其鑒定腫瘤和增生性息肉陽(yáng)性預(yù)測(cè)值為89.6%、陰性預(yù)測(cè)值為91.5%，并且鑒別時(shí)間比內(nèi)窺鏡醫(yī)師更短[11]。有研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)一套計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)，其使用權(quán)威專家完成的結(jié)腸鏡診斷資料作為學(xué)習(xí)樣本，讓CAD進(jìn)行學(xué)習(xí)，在其學(xué)習(xí)成果的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)對(duì)病例分析結(jié)果的敏感性、特異性和準(zhǔn)確性分別達(dá)到90.0%、63.3% 和76.5%[12]。此外，基于腸道微生物群落與宿主的免疫系統(tǒng)間的相互作用，Bang等研究收集了696個(gè)樣本，以5個(gè)分類水平的微生物為特征，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了最佳預(yù)測(cè)模型，研究結(jié)果認(rèn)為腸道微生物可以用來區(qū)分不同疾病，并提示腸道微生物在結(jié)直腸疾病診斷的潛在應(yīng)用價(jià)值[13]。人工智能平臺(tái)高效、準(zhǔn)確的定性診斷在一定程度上減輕臨床醫(yī)師的工作量，并降低判斷誤差，具有一定的臨床輔助診斷意義。

分期診斷：高分辨磁共振(MRI)對(duì)于判斷直腸癌的術(shù)前分期有很多優(yōu)勢(shì)[14]，但需要專業(yè)的影像科醫(yī)師耗費(fèi)較多的時(shí)間，而且不同診斷醫(yī)師間存在主觀偏倚[15]。2016年Girshick提出“Faster R-CNN”(faster region-based convolutional neural network)，模擬醫(yī)學(xué)影像診斷過程，進(jìn)行圖像識(shí)別[16]。青島大學(xué)附屬醫(yī)院建立了超過1萬張直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移圖像高分辨MRI數(shù)據(jù)庫(kù)，建立直腸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的人工智能自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。在其研究驗(yàn)證階段，人工智能平臺(tái)影像診斷單個(gè)病例的診斷時(shí)間為10 s，而醫(yī)師的平均判斷時(shí)間為600 s[17]。由此可看出人工智能平臺(tái)進(jìn)行圖像診斷高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，一定程度上減少了由于醫(yī)師診斷水平差異等造成的判斷誤差。

2.2.2 在腫瘤綜合治療上的應(yīng)用進(jìn)展：用藥指導(dǎo)： 2019年Ruffle等詳細(xì)闡述了AI技術(shù)在消化系統(tǒng)疾病領(lǐng)域的詳細(xì)應(yīng)用，指出未來AI技術(shù)會(huì)在指導(dǎo)用藥、檢測(cè)病灶等方方面面起到不可小覷的作用[18]。伊立替康(CPT-11)是結(jié)腸癌化療中的常用藥物，伊立替康聯(lián)合卡培他濱是治療晚期結(jié)直腸癌的有效方案，具有較高的總緩解率[19]。但伊立替康毒性較強(qiáng)，其主要不良反應(yīng)表現(xiàn)為延遲性腹瀉和中性粒細(xì)胞減少。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)CPT-11的毒性，其算法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性分別為延遲性腹瀉91%、白細(xì)胞減少76%、中性粒減少75%，可為醫(yī)生的臨床決策提供參考[20]。

圍手術(shù)期并發(fā)癥評(píng)估：吻合口漏是結(jié)直腸切除術(shù)后一種嚴(yán)重的并發(fā)癥，影響患者術(shù)后恢復(fù)、增加二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、導(dǎo)致患者病死率增高[21-22]。Sammour等于2017年發(fā)表了以人工智能為基礎(chǔ)的結(jié)腸癌術(shù)后吻合口漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的研究[23]，其研究目的是驗(yàn)證基于人工智能分析的吻合口漏風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算器的有效性及臨床應(yīng)用價(jià)值，并與 (the American College of Surgeons National Surgical Quality Improvement Program，ACS NSQIP)和(Calculator and the Colon Leakage Score，CLS)進(jìn)行比較，其研究結(jié)果是吻合口漏風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模擬器可以比ACS NSQIP(AUROC 0.73vs0.58)和CLS(AUROC 0.96vs0.80)更有效地預(yù)測(cè)左半結(jié)腸癌術(shù)后吻合口漏發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)結(jié)直腸外科醫(yī)師臨床決策提供參考。

遠(yuǎn)程診療及MDT策略選擇：國(guó)內(nèi)目前 MDT 診治模式尚未普及，很多基層不具備 MDT的工作條件，無法為病情復(fù)雜的初診患者提供最佳治療方案。結(jié)直腸癌 MDT團(tuán)隊(duì)一般由結(jié)直腸外科專家牽頭，集合腫瘤內(nèi)科、肝臟外科、放療科、放射科等專家共同組成，還會(huì)根據(jù)患者的病情不同，邀請(qǐng)胸外科、核醫(yī)學(xué)科、病理科等專家參加討論。MDT 決策包括：化療、手術(shù)、放療、聯(lián)合治療等，還包括介入、營(yíng)養(yǎng)支持等其他治療方式，覆蓋從入院檢查到后期觀察隨訪的全過程。目前可利用結(jié)直腸腫瘤大數(shù)據(jù)樣本的計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，建立對(duì)不同治療方案的敏感性預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)臨床對(duì)結(jié)直腸癌患者提供個(gè)體化的MDT策略選擇。利用AI技術(shù)推廣MDT診療模式，為基層醫(yī)生普及MDT理念，為廣大患者提供更加專業(yè)優(yōu)質(zhì)的治療指導(dǎo)，提高臨床療效。

2.2.3 在腫瘤患者的預(yù)后及隨訪中的應(yīng)用進(jìn)展;圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)，尤其是深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)圖像分類中已顯示出較高的準(zhǔn)確性[24-25]。有研究綜合模擬出一種用腫瘤組織樣本圖像來預(yù)測(cè)結(jié)直腸癌預(yù)后的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，這項(xiàng)研究新穎之處在于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)通過讀片可以直接預(yù)測(cè)患者的預(yù)后，其研究結(jié)果認(rèn)為先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以從結(jié)直癌細(xì)胞的組織形態(tài)中提取更多有關(guān)預(yù)后的信息[26]。

目前臨床上對(duì)患者術(shù)后隨訪主要依靠護(hù)士及一線醫(yī)師，耗時(shí)較多。2018年起，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院日間手術(shù)管理中心采用基于語(yǔ)音、語(yǔ)義識(shí)別技術(shù)的人工智能語(yǔ)音系統(tǒng)開展日間手術(shù)患者的術(shù)后隨訪工作。其研究結(jié)果提示 AI隨訪組與人工隨訪組電話接通率分別為85.70%和86.68%,信息采集率分別為98.86%和98.48%,兩組之間無差異。該系統(tǒng)在一定程度上減少了護(hù)士、醫(yī)師的工作強(qiáng)度，并能夠適時(shí)、保質(zhì)地完成對(duì)患者的隨訪工作。

3 問題與展望

目前，結(jié)直腸腫瘤專科醫(yī)師在診療工作中面臨早期診斷困難、重復(fù)檢查、資源浪費(fèi)等問題。這些問題的解決除需要政策上外，更依賴于多學(xué)科的協(xié)助、新技術(shù)的應(yīng)用、融合。結(jié)直腸腫瘤疾病全程管理的作用就是將疾病診治從只重視單純的技術(shù)性切除轉(zhuǎn)變成診療全過程中多學(xué)科參與的、以生物學(xué)根治為目標(biāo)的完整治療體系。如何完善基于AI技術(shù)的腫瘤全程管理平臺(tái)的建設(shè)對(duì)我們結(jié)直腸外科同道不僅是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。