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數字智能化診療技術在胰腺癌中的應用

方馳華, 張鵬

南方醫科大學珠江醫院, 廣東省數字醫學臨床工程技術研究中心

胰腺癌是惡性程度極高的消化道腫瘤,起病隱匿,缺乏具有敏感性和特異性的腫瘤標誌物,早期診斷困難,預後不佳,5年生存率≤6%。胰十二指腸切除術和胰體尾切除術是治療胰頭癌和胰體尾癌的標準手術方式,根治性手術切除是唯一可能治癒胰腺癌的手段。胰腺癌特別是胰頭癌,早期易侵犯門靜脈、腸系膜上靜脈等重要血管,僅有15%~20%的患者在診斷時獲得手術機會,術前準確判斷腫瘤的可切除性和個體化手術規劃有望使手術切除患者獲得最大的生存獲益。近年來,隨著數字智能化診療技術在肝膽胰外科的發展,為胰腺癌術前可切除性評估、個體化手術規劃、可視化指導手術等方面提供新的思路與方法,有助於提高胰腺癌臨床診斷率和外科手術治療效果。

1 傳統影像學檢查技術在胰頭癌術前可切除性評估中的局限性

胰腺癌手術的高難度、高風險與胰頭十二指腸區域複雜的解剖結構有關,術前精確了解腫瘤與周圍重要血管如門靜脈、腹腔乾、肝總動脈及腸系膜上動、靜脈的關係,對於評估胰頭腫瘤可切除性尤為重要。目前,胰頭癌可切除性的評估手段主要以超音波、CT、MRI等傳統影像學檢查為主,但存在以下局限性:(1)均為二維平面影像;(2)不能立體、單獨地顯示腫瘤與胰周重要血管的相互關係和侵犯程度;(3)難以發現腹腔動脈系統與門靜脈系統屬支的變異情況;(4)需由影像科醫師協助分析圖像;(5)不能根據術前規劃進行模擬手術,選擇最優手術方案。

2 胰腺癌三維可視化(3DV)模擬手術

隨著數字智能化診療技術的發展和3DV診療理論不斷完善,3DV和虛擬模擬手術在胰腺外科中被逐漸應用。既往胰腺腫瘤可切除評估主要依靠1997年Lu等製訂的CT血管造影(CTA)分型,其特異性和敏感性較低,容易導致判斷錯誤。在CT和MRI圖像評估的基礎上,進行個體化的三維重建和可視化分析,形成3DV模型,可以清晰地顯示胰腺腫瘤與胰周血管、周圍臟器間的位置關係,整體評估腹腔動脈系統與門靜脈系統屬支是否存在變異情況。通過3DV技術可以獲得更詳細的血管解剖信息、胰周血管變化以及腫瘤引起的血管改變情況,虛擬模擬手術可以提前預演手術,選擇最佳手術方案,減少手術創傷,縮短手術時間。筆者團隊首次建立了胰腺腫瘤3DV分型及可切除性評估標準,結合術中病理學檢查,指導胰腺腫瘤的精準診治。經80例胰腺腫瘤臨床治療驗證,術前經3DV評估腫瘤可切除60例,不可切除20例,與實際手術一致。CTA判斷可切除50例,其中2例經3DV評估難以切除,與術中發現相同;CTA判斷不可切除30例,其中有12例經3DV重新評估分析後成功切除腫瘤。與CTA相較,3DV評估使胰腺腫瘤可切除率提高12.5%。

胰腺癌術後預後較差的主要原因是腫瘤的複發和轉移,規範的引流區域淋巴結清掃和切緣陰性對於改善患者的預後具有重要意義。Gockel等提出胰頭部後方存在脂肪、神經、淋巴及纖維結締組織等類似於直腸系膜樣的結構,並將其定義為胰腺系膜,同時該解剖結構被認為是腫瘤容易發生侵犯轉移、殘留與複發的部位。梁海濱等將3DV技術應用於指導胰頭癌胰腺全系膜切除術,實現了術前精確評估,且提高了根治性手術切除率。Miyamoto等利用三維重建顯示胰腺主胰管的直徑及其在胰腺表面的位置,提高手術的安全性。筆者以個體化門靜脈三維重建為基礎,依據腫瘤與門靜脈的空間立體解剖關係,提出以門靜脈血管為軸心進行腫瘤侵犯血管程度分級和評估,區別門靜脈受到腫瘤的推壓所產生的改變與腫瘤直接侵犯血管所引起的徵象,以此製訂完善的手術方案。基於3DV技術的腫瘤侵犯血管程度分級已在肝膽胰疾病手術規劃中取得較好的效果。3DV軟體可實現血管定量分析,精準測量受累血管的變形長度、角度和範圍,對需要聯合血管切除重建的患者,術前虛擬模擬手術可模擬手術過程中不同的血管切除方式和重建方案,獲得最佳的重建方式(圖1)。

3 胰腺癌3D列印物理模型

3DV技術使胰腺外科進入了胰腺腫瘤3D外科時代,以一種直觀、立體的形式顯示複雜的胰腺腫瘤解剖結構,3D列印模型立體、真實地展現胰腺腫瘤及其胰周重要血管物理模型,實現了三維平面圖像向三維空間物理模型的跨越式轉變(圖2a、b)。胰腺癌3D列印物理模型可以幫助術者明確、直觀了解關鍵手術部位的解剖情況,有助於明確解剖間隙,防止術中重要結構損傷,還有助於確定膽管、胰管及血管等管道結構的離斷位置,精確施行外科手術。

術前手術醫師對胰腺3D物理模型的分析可以加強對患者病情的掌握,也可藉助該真實物理模型對患者和家屬解釋病情的複雜性以及手術的危險性,以獲得患者及家屬的配合和理解,加強醫患溝通,減少醫療糾紛的發生。將3D列印胰腺模型帶入手術室與術中情況實時對比分析,通過不斷調整模型至最佳解剖位置,提供直觀的間接導航,減少術後相併發症的發生,縮短術後恢復時間,契合快速康復理念在肝膽胰外科中的應用。目前,3D列印技術作為一種新的技術在胰腺外科中的應用尚處於初級階段,仍需要大量的臨床研究數據和大樣本的隨機對照研究來驗證其有效性和實用性。

4 數字化虛擬現實感知技術

虛擬現實技術作為顯示複雜圖像信息的一種方法,通過高質量的開發引擎在現實場景中營造出虛擬的空間,可以在該環境中更真實地顯示胰腺腫瘤的三維模型。術前外科醫生通過頭戴式顯示器及安裝了捕捉手和手指運動的感測器的操縱搖桿可完全沉浸到虛擬模擬環境中,對不同的解剖結構進行可視化操作與互動操作,為術前規劃提供關於各種感官的模擬。虛擬現實可為年輕醫師提供逼真的三維立體學習環境,使外科醫師在術前更容易了解複雜的解剖結構,清楚地掌握胰頭十二指腸區複雜的解剖結構、腫瘤累及的範圍和腹腔血管變異情況(圖2c、d)。目前已有隨機對照試驗顯示,虛擬現實模擬手術有利於縮短初學者對腹腔鏡膽囊切除術基本技能的掌握時間,有效提高手術技巧。與傳統方法相比,虛擬現實技術從娛樂產業向臨床應用轉化既經濟又實用,採用虛擬現實進行胰腺外科臨床教學有助於增加學生的學習興趣,提高解剖知識的掌握程度。

5 擴增實境技術胰腺手術導航

術中圖像引導手術或手術導航是指在手術過程中向外科醫生展示含有患者病變部位解剖信息的影像學資料,用於指導手術。擴增實境技術可通過軟體演算法來渲染術前虛擬3DV模型,通過圖像投影的方式將三維模型與術中解剖位置匹配和融合,也可根據術中操作實時調整其形狀。在腹腔鏡或機器人胰十二指腸切除術中,運用基於擴增實境技術的手術導航系統進行手術導航,在術中可直觀地展示病灶及其周圍血管的毗鄰關係,實現內部結構的可視化,快速識別胰頭周圍血管並進行血管結紮,減少手術出血。此外,還可將術前規劃確定胰腺離斷的部位投影到術中,精準指導胰腺的離斷(圖2e、f)。近年來,胰腺外科逐漸向微創化發展,腹腔鏡或機器人胰腺手術具有創傷小,術後恢復快、術後併發症少等優點,可儘早地接受術後綜合治療,進而改善胰腺癌預後。雖然腹腔鏡可獲得放大的手術視野,為術者提供精細操作的條件,但缺乏觸覺反饋和視角受限的視野缺陷,也無法透視組織下解剖結構,因此利用擴增實境技術進行圖像引導手術可以從一定程度上彌補以上缺點。隨著數字智能化技術的發展,多模態聯合影像導航在胰腺外科的應用將會更加廣泛和深入,不斷提高手術的精準度和安全性。

6 人工智慧-影像組學(radiomics)

基於人工神經網路的深度學習拓展了人工智慧在醫學領域的應用範圍,深度學習的影像組學研究是當下最熱門的研究領域之一。2012年,荷蘭馬斯特裡赫特大學醫學中心的Lambin教授等首次提出「影像組學」的概念,利用人工智慧-影像組學的方法高通量、自動地從大量的醫學影像數據中定量分析、提取特徵和信息,通過對這些數據的挖掘、分析得到描述組織特性的指標,與臨床資料相結合建立包含生物學、信息學的風險預測模型。目前,醫學影像人工智慧的研究已經涉及對肝膽胰疾病患者腫瘤淋巴結轉移、術後肝衰竭或腫瘤早期複發的預測。對於胰腺手術而言,防止和及時處理術後胰瘺的發生有利於患者圍手術期的康復,利用影像組學方法建立的風險預測模型為識別胰瘺的發生提供了一種新的方法,對術後儘早採取乾預措施提供決策支持。Bihorac等針對術後併發症和死亡的風險利用機器學習演算法構建了一個自動化的預測分析模型,該模型可以通過術前電子病曆數據精確識別、預測手術併發症和死亡的發生風險,該演算法在臨床實際工作流程中的可行性有待進一步驗證。Liang等運用影像組學的方法結合列線圖模型在術前有效地實現了對胰腺神經內分泌瘤病理組織學分級的預測。此外,從術前CT中提取影像學特徵也可以用於預測胰腺導管內乳頭狀黏液性腫瘤風險程度,判斷腫瘤的良、惡性程度,優化手術決策。

影像組學是醫學影像和個體化診療之間的橋樑,同時也是數字智能化醫學技術發揮術前預測作用的一個重要方向。但是,許多已發表的影像組學相關研究仍缺乏科學完整性和臨床相關性的同質化、標準化評價標準。因此,不僅需要建立一個嚴格的評價標準和報告準則,還需要進一步的實驗室和多中心研究結果進行驗證。作為一門新興的學科,影像組學在臨床應用中面臨著巨大的挑戰和發展機遇。

7 胰腺癌數字智能化診療體系的構建

針對經影像學檢查(超聲、非薄層CT或MRI)初步診斷為胰腺癌的患者,應進一步採集高質量的薄層CT數據進行個體化的3DV處理,基於3DV模型進行可切除性評估,以血管為軸心的3DV分級方法優先評估腫瘤與血管的浸潤關係,明確腫瘤是否侵犯胰周大血管和侵犯程度,判斷能否施行胰十二指腸切除術或胰體尾腫瘤切除術。在完成3DV分析的基礎上,針對具體情況採取虛擬模擬手術、3D列印、虛擬現實技術和擴增實境手術導航。同時採用影像組學預測併發症發生風險,判斷腫瘤的良、惡性程度及術後腫瘤複發和臨床預後,為後續個體化治療和多學科團隊綜合治療協作組的診斷與治療提供寶貴意見。根據實際手術中觀察到的腫瘤與血管變異情況,與術前基於三維模型製訂的手術方案進行一致性評估。所有患者術後進行持續隨訪,建立完善的隨訪系統及資料庫系統,採用門診、住院、網路或電話方式進行規律隨訪,評價患者短期和長期的手術治療效果。

8 總結與展望

隨著以現代醫學和數字化、智能化高新技術相結合為基礎,涵蓋了多學科和多領域知識所形成的新型數字智能化診療技術的出現,數字化胰腺3D外科迎來了數字智能化診療時代。3DV模擬、3D列印、虛擬現實、擴增實境手術導航、影像組學等數字智能化診療技術的臨床應用,實現了胰腺疾病3DV精準診療從理論向數字智能化胰腺癌診療體系跳躍式的轉變,推動著胰腺外科疾病向數字化、智能化輔助診療的方向發展,對胰腺癌診療水準的提高起到了巨大的推動作用,使外科醫師可以精準地實施複雜的胰腺手術。未來,胰腺癌數字智能化診療體系將會推動傳統的診療流程發生革命性變化,改善胰腺癌患者外科治療效果和遠期生存率。


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