基于CT肝癌3Dslicer人工智能建模精準輔助外科的應用研究

吳兆平 彭浪 金煜東 陳偉力

【摘要】 目的：探討基于電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）肝癌三維切片（three dimensional slicer，3D slicer）人工智能（artificial intelligence，AI）建模精準輔助外科的應用效果。方法：選擇2018年6月-2020年9月本院收診的60例肝癌患者，均行腹腔鏡肝切除術。按照有無輔助應用基于CT的3D slicer AI建模分為試驗組（n=30，應用）與對照組（n=30，未應用）。觀察兩組手術出血量、肝門阻斷時間、手術時間，分析兩組術后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、轉鐵蛋白（transferrin，TRF）水平，比較其術后7 d靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+），且需統計其轉開腹率、術后7 d并發癥發生率及圍手術期死亡率。結果：試驗組手術出血量較對照組少，肝門阻斷時間、手術時間均較對照組短，差異均有統計學意義（P<0.05）。兩組術后7 d PAB、ALB、TRF、CD4+/CD8+水平均較術前降低，但試驗組均較對照組高，差異均有統計學意義（P<0.05）;而其術后7 d REE水平較術前升高，但試驗組較對照組低，差異均有統計學意義（P<0.05）。試驗組轉開腹率、圍手術期間死亡率與對照組相比，差異均無統計學意義（P>0.05）。試驗組并發癥發生率較對照組低，差異有統計學意義（P<0.05）。結論：基于CT的3D slicer AI建模輔助肝癌患者完成腹腔鏡肝切除術，有助于減少患者的手術時間、手術出血量與并發癥情況，可促使患者的血清內臟蛋白水平盡早恢復正常，且能夠改善其能量代謝與免疫功能。

【關鍵詞】 肝癌 CT 3D slicer 外科手術 人工智能建模

[Abstract] Objective： To explore the application effect of artificial intelligence （AI） modeling based on computed tomography （CT） three-dimensional slicer （3D slicer） of liver cancer in precision assisted surgery. Method： Sixty patients with liver cancer admitted to our hospital from June 2018 and September 2020 were selected for laparoscopic hepatectomy. According to whether the 3D slicer AI modeling based on CT was used as auxiliary application， the patients were divided into the experimental group （n=30， used） and the control group （n=30， not used）. The surgical blood loss， hepatic portal occlusion time and surgical time were observed in two groups， and the levels of prealbumin （PAB）， albumin （ALB） and transferrin （TRF） of two groups were analyzed at 7 d after surgery. The resting energy expenditure （REE） and cluster of differentiation 4 （CD4+）/cluster of differentiation 8 （CD8+） were compared at 7 d after surgery. The rate of conversion to laparotomy， total rate of complications at 7 d after surgery and perioperative mortality rate were statistically analyzed. Result： The surgical blood loss in the experimental group was less than that in the control group， and the hepatic portal occlusion time and surgical time were shorter than those in the control group （P<0.05）. The levels of PAB， ALB， TRF and CD4+/CD8+ at 7 d after surgery in the two groups were decreased compared with those before surgery， and the levels in the experimental group were higher than those in the control group （P<0.05）. The REE level at 7 d after surgery was increased compared to before surgery， and the level in the experimental group was lower than that in the control group （P<0.05）. There were no significant differences in the rate of conversion to laparotomy and mortality rate during the perioperative period in the experimental group compared to the control group （P>0.05）. The incidence rate of complications of the experimental group was lower than that of the control group （P<0.05）. Conclusion： CT-based 3D slicer AI modeling assists patients with liver cancer to complete laparoscopic hepatectomy， which helps to reduce the surgical time， surgical blood loss and complications， and can promote the serum visceral protein level to return to normal as soon as possible， and can improve the energy metabolism and immune function.

[Key words] Liver cancer CT 3D slicer Surgery Artificial intelligence modeling

First-authors address： Jiujiang NO.1 Peoples Hospital， Jiujiang 332000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2021.18.002

原發性肝癌是一種病死率極高的惡性腫瘤疾病[1]，我國屬該病高發國家，目前主要以腹腔鏡肝切除術進行治療。但由于肝內膽管、血管多變異且分支復雜，加之肝腫瘤和大血管存在密切關系，肝癌手術整體呈現出風險高、難度大等特點。以往?；诖殴舱癯上瘢╩agnetic resonance imaging，MRI）或電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）制定肝切除手術策略[2]，雖能夠一定程度上提高手術的精確性，但仍可能因術中發現肝內變異、仔細尋找膽管及血管等問題而延誤最佳治療時機，進而影響最終手術療效。三維切片（three dimensional slicer，3D slicer）是一個用于圖像分析、圖像可視化及圖像引導治療的軟件平臺[3]，借助該軟件平臺能夠以三維重建的方式制作符合患者實際病況的人工智能（artificial intelligence，AI）建模，提高患者的治療精準性，保證其手術質量與安全。但由于目前有關于肝癌患者應用基于CT的3D slicer AI建模完成手術的效果研究較少，故筆者進行如下報道。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2018年6月-2020年9月本院收診的肝癌患者60例，均行腹腔鏡肝切除術。診斷標準：符合《原發性肝癌診療規范（2019年版）》[4]中有關肝癌的標準。經核磁共振、肝血管造影、同位素掃描或CT等檢查，發現肝內占位性病變。甲胎球蛋白≥200 μg，持續8周。納入標準：均行腹腔鏡肝切除術;術前肝功能Chlid-Pugh分級為B級或A級;腫瘤直徑<10 cm;臨床資料完整。排除標準：有遠處轉移;手術耐受度較差;既往存在肝膽系統疾病手術史或上腹部手術史;合并精神疾病，無法有效溝通。脫落與剔除標準：手術期間出現嚴重并發疾病或不良事件;主動撤除知情同意書。按照有無輔助應用基于CT的3D slicer AI建模分為試驗組（30例，應用）與對照組（30例，未應用）。該研究已經倫理學委員會批準，患者知情同意并簽署知情同意書。

1.2 方法 對照組采用腹腔鏡肝切除術，方法：基于CT二維成像制定手術策略，予以患者頭高腳底位，經臍直視下完成第1個Trocar插入處理，鏡頭探查后依據患者的具體腫瘤位置對其他Trocar位置進行確定。隨后做好肝十二指腸韌帶解剖、血管阻斷帶套入工作，必要時需行肝門血供阻斷。采用電凝鉤于患者肝臟表面（距離腫瘤1～2 cm）劃出標記線，沿該線進行肝臟切開處理，期間若遇到膽管或血管（3 mm以上），輔用生物可吸收夾完成操作。試驗組以基于CT的3D slicer AI建模應用下行腹腔鏡肝切除術，方法：收集術前增強肝臟CT掃描的圖片數據（dicom格式，層厚1 mm），以光盤刻錄形式保存，隨后在3D slicer 4.11.0版本軟件中導入患者的dicom數據，選擇安裝肝癌手術計劃插件與智能分割插件。于segmenteditor下擇取肝臟六個方向（前后、左右及上下）的標志點，之后在顯卡輔助下完成腫瘤、肝臟三維模型的自動分割處理，基于血管模式對肝臟周圍動靜脈及毗鄰解剖結構進行三維重建，以STL格式保存所有模型。在肝癌手術計劃插件中，依據《腹腔鏡肝切除術專家共識（2013版）》[5]行相應術前規劃設計，期間截取有效圖片，方便與實體器官及組織進行對照。上述模型導入三維可視化工程后，再建立個體化三維可視化應用，生成參數標注、虛擬手術、三維測量及三維觀察等輔助工具。術前2～3 d，指導患者進行ICG檢測，掌握其肝臟儲備功能，以彩色多普勒超聲與ICG熒光顯像技術輔助進行有效探查，確定腫瘤與血管的關系，并了解腫瘤的數目、大小與具體位置，同時與術前三維可視化評估結果作相應比對，再確定最終的手術方案。結合ICG熒光顯影、術中超聲，再依據區域血流阻斷后的缺血線對肝切除線進行標記，再行腹腔鏡肝切除術。

1.3 觀察指標 觀察兩組手術出血量、肝門阻斷時間、手術時間。手術出血量，計算吸引器瓶中血量+血紗布總質量-干紗布總質量的最終血量;肝門阻斷時間，記錄阻斷帶夾緊時間;手術時間，記錄開始切皮處理至完成切口包扎的時間。比較兩組術前與術后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、轉鐵蛋白（transferrin，TRF）水平。抽取5 mL研究對象的空腹靜脈血，于室溫下放置標本2 h，再以3 000 r/min的速度進行離心處理，在微型離心管中置入上清液，標記后于冰箱-80 ℃下進行冷存處理，再以特定蛋白分析儀（型號：BN prospec;生產公司：美國德靈公司）完成上述3種指標水平的測定。比較兩組術前與術后7 d靜息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+）。采用間接能量測定儀（由美國Medgraphic公司提供）完成REE水平的測定，主要評測起床后（5：00～7：00）至入睡前（22：00～24：00）的能量消耗;流式細胞儀（型號：CytoFLEX，生產廠家：美國貝克曼庫爾特有限公司）用于CD4+、CD8+水平的測定，隨后再對CD4+/CD8+值進行計算。統計兩組轉開腹率、術后7 d并發癥發生率及圍手術期死亡率。并發癥包括腹腔感染、肺部感染、腹瀉、腹腔出血、膽漏。

1.4 統計學處理 采用SPSS 20.0軟件對所得數據進行統計分析，計量資料用（x±s）表示，組間比較采用t檢驗，組內比較采用配對t檢驗;計數資料以率（%）表示，比較采用字2檢驗。以α=0.05為檢驗水準，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組一般資料比較 試驗組中，女16例，男14例;年齡41～76歲，平均（58.62±6.29）歲;Chlid-Pugh分級：B級4例，A級26例;腫瘤位置：右半肝9例，左半肝21例。對照組中，女17例，男13例;年齡40～78歲，平均（58.84±6.24）歲;Chlid-Pugh分級：B級6例，A級24例;腫瘤位置：右半肝10例，左半肝20例。兩組性別、年齡、Chlid-Pugh分級及腫瘤位置比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。

2.2 兩組手術情況比較 試驗組手術出血量較對照組少，肝門阻斷時間、手術時間均較對照組短，差異均有統計學意義（P<0.05），見表1。

2.3 兩組術前與術后7 d PRE、ALB、TRF水平變化比較 兩組術前PAB、ALB、TRF水平相比，差異均無統計學意義（P>0.05）;兩組術后7 d PAB、ALB、TRF水平均較術前降低，但試驗組均較對照組高，差異均有統計學意義（P<0.05）。見表2。

2.4 兩組術前與術后7 d能量代謝、T細胞亞群比較 兩組術前REE水平、CD4+/CD8+相比，差異均無統計學意義（P>0.05）;兩組術后7 d REE水平較術前升高、CD4+/CD8+較術前降低，試驗組REE水平較對照組低，CD4+/CD8+較對照組高，差異均有統計學意義（P<0.05）。見表3。

2.5 兩組并發癥、轉開腹、圍手術期死亡情況比較 試驗組并發癥發生率較對照組低（P<0.05），試驗組轉開腹率、圍手術期間死亡率均低于對照組，但兩組比較差異均無統計學意義（P>0.05），見表4。

3 討論

原發性肝癌的發病率目前在國內常見惡性腫瘤疾病中位列第4位，而其病死率在該類疾病致死病因中高居第2位[6-7]，一般以肝切除術進行治療。隨著微創技術的不斷發展，腹腔鏡肝切除術成為治療原發性肝癌患者的主要術式之一[8]。肝癌患者多有肝硬化、腫瘤體積大等病理表現，會增加臨床解剖患者肝臟系統、腫瘤的難度[9]。施術者稍有不慎可能會導致患者生命垂危，具體包括術中出血與術后肝衰竭兩種。前者多是因術前未細致掌握患者重要血管與其腫瘤間的關系造成，后者則是術前未精確預估患者的殘肝體積導致[10]。為改善上述現狀，臨床認為術前掌握肝內脈管系統解剖及準確評估殘肝體積較為重要[11]。

近幾年臨床?；贛RI或CT二維成像輔助原發性肝癌患者完成腹腔鏡肝切除術，通常邊分離患者的肝實質邊探尋其膽管、血管，難以精確判斷患者肝內脈管的結構變異情況[12]，且無法多角度了解血管、腫瘤間的關系，期間可能會遇到手術出血量大、手術耗時長等問題[13]，療效相對有限。本研究結果顯示，試驗組手術出血量、肝門阻斷時間、手術時間方面的效果均優于對照組（P>0.05）。3D slicer是一種能夠將常見CT二維影像資料轉變為三維可視化應用的軟件[14]，具有雙向交互性與強大可擴展性，其數據分析、圖像處理功能較強，能夠以三維重建的方式做好AI建模工作。該技術用于肝癌手術患者中，可從任意角度了解肝內脈管系統與腫瘤的毗鄰關系，促使施術者更為細致地掌握腫瘤的實際切除范圍[15]。而在AI仿真建模下還可通過反復預切除的方式幫助施術者熟悉手術過程，提高施術者的肝切除精確性，最大限度保留患者殘肝解剖結構的完整性[16]。與此同時結合ICG熒光顯像技術，于肝癌患者深部肝實質離斷時進行切肝平面與腫瘤定位，還能夠探查遺漏的小病灶，進一步提升患者的整體手術療效與安全性[17]，避免術后出現肝衰竭情況及相關并發癥情況。如本文結果中，結合CT的3D slicer AI建模進行手術的患者，其并發癥相對更少。

外科手術創傷所致的神經內分泌反應，通常會促使患者的肌肉蛋白質分解，以尿素氮、尿肌酐的形式排出，故而蛋白質的分解與患者的創傷程度存在緊密聯系。一旦患者的蛋白質水平下降，可能會影響其骨骼肌及相關器官功能，增加其罹發多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的風險。基于此，臨床常借助血清內臟蛋白指標來觀察患者的手術創傷程度，這與梅俊[18]的報道內容大致相同。PAB、ALB、TRF均是一種可以反映患者機體蛋白質營養狀況的指標，其中PAB、TRF的半衰期相對較短，但評價的敏感性較高;而ALB的半衰期較長，但敏感性相對較低。本研究結果顯示，試驗組術后7 d PAB、ALB、TRF水平均高于對照組（P<0.05），提示結合CT的3D slicer AI建模進行手術的安全性較高，能夠減低患者的受創程度，促使患者術后營養狀況盡快恢復正常，以避免相關并發癥的產生。REE指人體清醒、安靜狀態下不受精神緊張、食物、環境溫度及肌肉活動等影響的能量消耗，通過計算患者每日能量消耗的方式能夠了解其代謝狀態。一般而言，手術創傷所致的應激反應越大，患者機體的代謝水平越高[19]，這與應激激素下其內環境改變有關。

CD4+/CD8+則能夠了解宿主T細胞亞群的紊亂狀態，反映患者機體遭受手術創傷的應激水平。本研究結果顯示，試驗組REE水平、CD4+/CD8+均優于對照組（P<0.05），表明以CT的3D slicer AI建模進行手術對患者代謝、免疫功能的影響均較小，這可能與該技術下應用腹腔鏡肝切除術能夠充分保留患者的殘余功能有關，可減少無效肝存在，避免出現大范圍切除所致的肝功能失代償情況，促使患者盡快康復。

綜上所得，肝癌患者以基于CT的3D slicer AI建模完成腹腔鏡肝切除術，能夠提高手術有效性與安全性，改善術后的代謝狀態、免疫功能，值得臨床借鑒。但本次研究仍存在不足之處，如隨訪時間短、納入病例少等，需進一步進行相關研究，為后續患者的精準治療夯實基礎。

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（收稿日期：2021-05-27） （本文編輯：程旭然）