管海濤，蔡衛(wèi)華，吳建軍，季達(dá)峰，趙金麗

1.南通市第三人民醫(yī)院超聲科，江蘇 南通 226006；

2.南通市第三人民醫(yī)院普外科，江蘇 南通 226006；

3.南通大學(xué)，江蘇 南通 226019；

4.南通大學(xué)附屬醫(yī)院影像科，江蘇 南通 226001

肝臟腫瘤性病變一直呈高發(fā)態(tài)勢(shì)，肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)占我國(guó)惡性腫瘤死亡率的第二位。超聲引導(dǎo)下微波消融(microwave ablation，MWA)由于其微創(chuàng)性及有效性，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于肝癌治療。但部分肝癌病例因毗鄰重要組織、缺乏有效進(jìn)針路線及射頻后氣化干擾，術(shù)中定位及評(píng)估不準(zhǔn)，導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間久、滅活率低甚至引發(fā)嚴(yán)重并發(fā)癥。近年來(lái)隨著人工智能及虛擬導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，使術(shù)前有效規(guī)劃術(shù)中智尋肝癌成為可能。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集南通市第三人民醫(yī)院2016年7月至2020年1月間收治18例確診肝癌患者，共計(jì)20個(gè)病灶，平均年齡46.5歲，術(shù)前影像學(xué)檢查示肝癌全部或部分距鄰近腸道、肝包膜、二級(jí)膽管或大血管、膽囊距離≤5 mm；易發(fā)嚴(yán)重并發(fā)癥包括肝膿腫、大出血、鄰近膽囊、胃、腸管損傷、腫瘤種植等。適應(yīng)證：危險(xiǎn)區(qū)域肝癌、肝癌邊界不規(guī)則伴邊界清晰或不清晰；禁忌證：?jiǎn)蝹€(gè)腫瘤直徑≥5 cm，伴肝內(nèi)轉(zhuǎn)移及浸潤(rùn)性病變；富血供腫瘤；門(mén)靜脈一級(jí)分支癌栓；基礎(chǔ)情況較差，不能手術(shù)耐受者，有嚴(yán)重感染性疾病特別是膽系感染者。

1.2 儀器 超聲儀器采用GE E9 3.5 MHz腹部探頭及BK Pro Focus 8824術(shù)中探頭。超聲造影為聲諾維六氟化硫微泡。微波消融設(shè)備為南京康友KY2000型微波消融治療儀，微波電極外徑為15 G，發(fā)射頻率為2 450 MHz，最大輸出功率100 W，連續(xù)可調(diào)。

1.3 方法 肝臟腫塊超聲輔助診斷系統(tǒng)為自主研發(fā)人工智能系統(tǒng)，采用基于(deep convolutional neural networks，deep CNN)的(faster region-based convolutional neural networks，F(xiàn)aster R-CNN)技術(shù)，以肝癌超聲圖像為研究對(duì)象，收集正常肝臟各切面圖像行deep CNN學(xué)習(xí)，遷移學(xué)習(xí)后優(yōu)化預(yù)先訓(xùn)練的deep CNN構(gòu)建更快的R-CNN。將Image J軟件標(biāo)識(shí)的肝腫塊超聲圖像作為補(bǔ)丁訓(xùn)練分類(lèi)器，并通過(guò)與基于區(qū)域建議的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成構(gòu)建檢測(cè)器，檢測(cè)器檢測(cè)樣本后自動(dòng)標(biāo)識(shí)肝臟異常病灶，其中AlexNet-conv5-60-ANN學(xué)習(xí)法智尋肝癌預(yù)警準(zhǔn)確性為95%[1-2]，預(yù)警準(zhǔn)確性為人工智能自動(dòng)標(biāo)識(shí)出的正確病灶數(shù)/實(shí)際病灶數(shù)。術(shù)前人工智能肝臟超聲腫塊輔助診斷系統(tǒng)識(shí)別擬消融肝癌，比對(duì)CT位置確認(rèn)一致后存圖學(xué)習(xí)。虛擬導(dǎo)航技術(shù)利用CT圖像作為三維重建依據(jù)，利用MIMICS 19.0對(duì)肝臟、病灶行邊界分割，建立肝癌3D模型以STL格式導(dǎo)出后至3ds Max中，根據(jù)選用儀器微波天線單、多針模式可覆蓋范圍，利用棱柱算法及層疊算法在CT 3ds Max中模擬布針，確定超聲引導(dǎo)下最優(yōu)消融完全步針策略。消融操作規(guī)范參照陳敏華[3]團(tuán)隊(duì)肝癌規(guī)范化消融治療指南，其中消融完全要求：包膜完整邊界清晰時(shí)微波消融范圍覆蓋腫瘤邊緣外0.5 cm，包膜不完整及或邊界不清時(shí)微波消融范圍覆蓋腫瘤邊緣外1 cm。術(shù)中人工智能軟件比對(duì)術(shù)前識(shí)別肝癌超聲圖像快速智尋肝癌，確認(rèn)位置一致后行微波消融術(shù)，術(shù)后灰階超聲及造影即刻評(píng)估消融范圍及有無(wú)并發(fā)癥。

2 結(jié)果

2.1 消融病灶部位、邊緣特征 18例患者共20個(gè)肝癌病灶均為危險(xiǎn)部位肝癌，危險(xiǎn)部位分布：肝癌Ⅶ、Ⅵ段鄰近膈肌7例，鄰近二級(jí)膽管及門(mén)脈3例，Ⅷ段鄰近腸道4例，Ⅲ、Ⅳ交接處4例，Ⅴ段緊貼膽囊2例；病灶邊緣清晰12例，不清晰8例(邊緣清晰指影像學(xué)檢查肝腫瘤包膜完整，與周?chē)M織有較明顯分界或周?chē)M織壓迫水腫帶)。

2.2 人工智能與虛擬導(dǎo)航技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用預(yù)警及消融結(jié)果 術(shù)前人工智能超聲輔助診斷系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率為95%(圖1)，但術(shù)中為85%(17/20)。據(jù)預(yù)設(shè)虛擬導(dǎo)航路線及消融方案超聲引導(dǎo)下迅速置入微波天線至擬消融區(qū)域(圖2、圖3)，消融后即刻造影(圖4)顯示后即刻造影一次消融完全率為95%(19/20)，且微波消融手術(shù)效率較高，無(wú)嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生，輕微并發(fā)癥如術(shù)后疼痛，低熱偶有發(fā)生。微波前尋瘤及第一針步針到位時(shí)間平均為8.2 min。

圖1 肝腫塊超聲輔助診斷系統(tǒng),綠框?yàn)槌曖t(yī)師據(jù)CT或病理結(jié)果預(yù)標(biāo)肝癌，黃框?yàn)槿斯ぶ悄苘浖A(yù)警標(biāo)識(shí)肝癌

圖2 虛擬導(dǎo)航模型體表進(jìn)針路徑

圖3 (由內(nèi)到外)橙色部分為病灶腫瘤實(shí)際范圍，綠色部分為規(guī)范要求消融范圍(有包膜0.5 cm，不規(guī)則或包膜不清1 cm)，藍(lán)色部分為實(shí)際消融可達(dá)范圍

圖4 微波消融后即刻灰階及造影評(píng)估有無(wú)癌株殘留、有無(wú)并發(fā)癥

3 討論

超聲引導(dǎo)下熱消融已成為治療肝癌的重要手段，但在肝臟危險(xiǎn)區(qū)域微波消融易發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥[4]。YANG等[5]研究發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域肝癌射頻消融不完全甚至可造成局部進(jìn)展高于非危險(xiǎn)區(qū)域。如何避免危險(xiǎn)區(qū)域肝癌微波消融嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生，并能一次完全消融成為熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)術(shù)前利用CT及超聲圖像融合導(dǎo)航模擬布陣路線，可有效提高腫瘤消融完全率，但手術(shù)醫(yī)生大都為外科及介入科醫(yī)生，超聲圖像判斷能力弱且危險(xiǎn)部位消融難度大，實(shí)際操作中存在手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)及嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生[4，6-7]，隨著人工智能發(fā)展，超聲圖像中肝臟腫塊實(shí)時(shí)智能識(shí)別成為可能[2，8-9]。兩者聯(lián)合應(yīng)用可輔助手術(shù)醫(yī)生全程快遞甄別超聲圖像中的肝腫塊根據(jù)術(shù)前規(guī)劃行消融術(shù)，以達(dá)到安全、完全、高效的治療目標(biāo)。

本研究中超聲肝腫塊輔助診斷系統(tǒng)為與加拿大國(guó)家科學(xué)院合作開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)，采用基于deep CNN的Faster R-CNN技術(shù)，F(xiàn)aster R-CNN較傳統(tǒng)檢測(cè)器(computer aided detection，CADe)檢測(cè)效率提高，可高效準(zhǔn)確預(yù)警肝臟腫塊超聲圖像，其中AlexNet-conv5-60-ANN方法可快速預(yù)警肝癌，準(zhǔn)確率高達(dá)95%[1-2，8]。本研究組術(shù)前漏預(yù)警一例肝腫塊超聲圖像為彌漫性肝硬化背景下稍低回聲，因軟件收集正常數(shù)據(jù)集為正常人群肝臟超聲圖像，腫塊超聲圖像與肝臟背景差別較大，因此無(wú)法識(shí)別彌漫性肝病基礎(chǔ)上灰階差別較小的腫塊[1-2]。術(shù)中匹配時(shí)漏預(yù)警3例病灶，2例漏預(yù)警原因?yàn)椋涸撓到y(tǒng)訓(xùn)練分類(lèi)器補(bǔ)丁為Image J軟件標(biāo)識(shí)的肝臟腫塊超聲圖像，數(shù)據(jù)集均為低頻腹部探頭采集的靜態(tài)圖像，術(shù)中高頻探頭采集圖像與低頻圖像紋理不一導(dǎo)致漏預(yù)警；另一例漏預(yù)警原因?yàn)椋翰≡畛蔬吘壊磺遢^弱回聲。肝癌微波消融療效及風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵在于微波天線的布針?lè)桨?，超聲圖像與CT圖像融合基礎(chǔ)上的虛擬導(dǎo)航技術(shù)可優(yōu)化微波天線步針?lè)桨竅10-11]，本研究術(shù)前利用虛擬導(dǎo)航技術(shù)三維重建病灶及模擬可視化步針路徑，術(shù)中因體位變化及步針困難時(shí)增加超聲容積導(dǎo)航再次確認(rèn)。本研究中人工智能與虛擬導(dǎo)航聯(lián)合應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域肝癌微波消融一次消融完全率高達(dá)95%，但存在一例一次消融不全病例，原因?yàn)榱鲶w近門(mén)脈二級(jí)分支致熱量流失過(guò)多而致一次消融不全，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤邊緣或造影血供豐富區(qū)域聚桂醇注射可避免發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥及可阻止熱量流失增加療效[4]，該病例超聲造影引導(dǎo)下增加消融不全區(qū)域及毗鄰血管瘤體組織內(nèi)聚桂醇注射后復(fù)造影顯示消融完全。在實(shí)際應(yīng)用中，隔離液的使用非常重要，多項(xiàng)研究表明其可避免嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生[12]。

本研究中基于deep CNN的Faster R-CNN技術(shù)可縮短超聲引導(dǎo)下微波消融術(shù)前及術(shù)中尋瘤時(shí)間，虛擬導(dǎo)航技術(shù)可優(yōu)化步針策略，兩者聯(lián)合應(yīng)用具有較高的一次消融完全率，尋瘤及布針時(shí)間較短，未見(jiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生，具有較高臨床應(yīng)用價(jià)值。

本研究為團(tuán)隊(duì)前期研究基礎(chǔ)上應(yīng)用研究，微波消融尋瘤時(shí)間及第一針步針到位時(shí)間受術(shù)者經(jīng)驗(yàn)及病灶部位、邊緣特征等影響，且存在漏預(yù)警情況，后期擬增加樣本量迭代軟件版本，以便適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景。12例患者在治療后半年內(nèi)未見(jiàn)復(fù)發(fā)，6例患者因新冠肺炎疫情影響失訪。