数字智能化诊疗技术在胰腺癌中的应用

胰腺癌是恶性程度极高的消化道肿瘤，起病隐匿，缺乏具有敏感性和特异性的肿瘤标志物，早期诊断困难，预后不佳，5年生存率≤6%。胰十二指肠切除术和胰体尾切除术是治疗胰头癌和胰体尾癌的标准手术方式，根治性手术切除是唯一可能治愈胰腺癌的手段。胰腺癌特别是胰头癌，早期易侵犯门静脉、肠系膜上静脉等重要血管，仅有15％～20％的患者在诊断时获得手术机会，术前准确判断肿瘤的可切除性和个体化手术规划有望使手术切除患者获得最大的生存获益。近年来，随着数字智能化诊疗技术在肝胆胰外科的发展，为胰腺癌术前可切除性评估、个体化手术规划、可视化指导手术等方面提供新的思路与方法，有助于提高胰腺癌临床诊断率和外科手术治疗效果。

 

1  传统影像学检查技术在胰头癌术前可切除性评估中的局限性

 

胰腺癌手术的高难度、高风险与胰头十二指肠区域复杂的解剖结构有关，术前精确了解肿瘤与周围重要血管如门静脉、腹腔干、肝总动脉及肠系膜上动、静脉的关系，对于评估胰头肿瘤可切除性尤为重要。目前，胰头癌可切除性的评估手段主要以B超、CT、MRI等传统影像学检查为主，但存在以下局限性：（1）均为二维平面影像；（2）不能立体、单独地显示肿瘤与胰周重要血管的相互关系和侵犯程度；（3）难以发现腹腔动脉系统与门静脉系统属支的变异情况；（4）需由影像科医师协助分析图像；（5）不能根据术前规划进行仿真手术，选择最优手术方案。

 

2  胰腺癌三维可视化（3DV）仿真手术

 

随着数字智能化诊疗技术的发展和3DV诊疗理论不断完善，3DV和虚拟仿真手术在胰腺外科中被逐渐应用。既往胰腺肿瘤可切除评估主要依靠1997年Lu等制订的CT血管造影（CTA）分型，其特异性和敏感性较低，容易导致判断错误。在CT和MRI图像评估的基础上，进行个体化的三维重建和可视化分析，形成3DV模型，可以清晰地显示胰腺肿瘤与胰周血管、周围脏器间的位置关系，整体评估腹腔动脉系统与门静脉系统属支是否存在变异情况。通过3DV技术可以获得更详细的血管解剖信息、胰周血管变化以及肿瘤引起的血管改变情况，虚拟仿真手术可以提前预演手术，选择最佳手术方案，减少手术创伤，缩短手术时间。笔者团队首次建立了胰腺肿瘤3DV分型及可切除性评估标准，结合术中病理学检查，指导胰腺肿瘤的精准诊治。经80例胰腺肿瘤临床治疗验证，术前经3DV评估肿瘤可切除60例，不可切除20例，与实际手术一致。CTA判断可切除50例，其中2例经3DV评估难以切除，与术中发现相同；CTA判断不可切除30例，其中有12例经3DV重新评估分析后成功切除肿瘤。与CTA相较，3DV评估使胰腺肿瘤可切除率提高12.5%。

 

胰腺癌术后预后较差的主要原因是肿瘤的复发和转移，规范的引流区域淋巴结清扫和切缘阴性对于改善患者的预后具有重要意义。Gockel等提出胰头部后方存在脂肪、神经、淋巴及纤维结缔组织等类似于直肠系膜样的结构，并将其定义为胰腺系膜，同时该解剖结构被认为是肿瘤容易发生侵犯转移、残留与复发的部位。梁海滨等将3DV技术应用于指导胰头癌胰腺全系膜切除术，实现了术前精确评估，且提高了根治性手术切除率。Miyamoto等利用三维重建显示胰腺主胰管的直径及其在胰腺表面的位置，提高手术的安全性。笔者以个体化门静脉三维重建为基础，依据肿瘤与门静脉的空间立体解剖关系，提出以门静脉血管为轴心进行肿瘤侵犯血管程度分级和评估，区别门静脉受到肿瘤的推压所产生的改变与肿瘤直接侵犯血管所引起的征象，以此制订完善的手术方案。基于3DV技术的肿瘤侵犯血管程度分级已在肝胆胰疾病手术规划中取得较好的效果。3DV软件可实现血管定量分析，精准测量受累血管的变形长度、角度和范围，对需要联合血管切除重建的患者，术前虚拟仿真手术可模拟手术过程中不同的血管切除方式和重建方案，获得最佳的重建方式（图1）。

 

 

3  胰腺癌3D打印物理模型

 

3DV技术使胰腺外科进入了胰腺肿瘤3D外科时代，以一种直观、立体的形式显示复杂的胰腺肿瘤解剖结构，3D打印模型立体、真实地展现胰腺肿瘤及其胰周重要血管物理模型，实现了三维平面图像向三维空间物理模型的跨越式转变（图2a、b）。胰腺癌3D打印物理模型可以帮助术者明确、直观了解关键手术部位的解剖情况，有助于明确解剖间隙，防止术中重要结构损伤，还有助于确定胆管、胰管及血管等管道结构的离断位置，精确施行外科手术。

 

术前手术医师对胰腺3D物理模型的分析可以加强对患者病情的掌握，也可借助该真实物理模型对患者和家属解释病情的复杂性以及手术的危险性，以获得患者及家属的配合和理解，加强医患沟通，减少医疗纠纷的发生。将3D打印胰腺模型带入手术室与术中情况实时对比分析，通过不断调整模型至最佳解剖位置，提供直观的间接导航，减少术后相并发症的发生，缩短术后恢复时间，契合快速康复理念在肝胆胰外科中的应用。目前，3D打印技术作为一种新的技术在胰腺外科中的应用尚处于初级阶段，仍需要大量的临床研究数据和大样本的随机对照研究来验证其有效性和实用性。

 

4  数字化虚拟现实感知技术

 

虚拟现实技术作为显示复杂图像信息的一种方法，通过高质量的开发引擎在现实场景中营造出虚拟的空间，可以在该环境中更真实地显示胰腺肿瘤的三维模型。术前外科医生通过头戴式显示器及安装了捕捉手和手指运动的传感器的操纵手柄可完全沉浸到虚拟仿真环境中，对不同的解剖结构进行可视化操作与交互操作，为术前规划提供关于各种感官的模拟。虚拟现实可为年轻医师提供逼真的三维立体学习环境，使外科医师在术前更容易了解复杂的解剖结构，清楚地掌握胰头十二指肠区复杂的解剖结构、肿瘤累及的范围和腹腔血管变异情况（图2c、d）。目前已有随机对照试验显示，虚拟现实模拟手术有利于缩短初学者对腹腔镜胆囊切除术基本技能的掌握时间，有效提高手术技巧。与传统方法相比，虚拟现实技术从娱乐产业向临床应用转化既经济又实用，采用虚拟现实进行胰腺外科临床教学有助于增加学生的学习兴趣，提高解剖知识的掌握程度。

 

5  增强现实技术胰腺手术导航

 

 

术中图像引导手术或手术导航是指在手术过程中向外科医生展示含有患者病变部位解剖信息的影像学资料，用于指导手术。增强现实技术可通过软件算法来渲染术前虚拟3DV模型，通过图像投影的方式将三维模型与术中解剖位置匹配和融合，也可根据术中操作实时调整其形状。在腹腔镜或机器人胰十二指肠切除术中，运用基于增强现实技术的手术导航系统进行手术导航，在术中可直观地展示病灶及其周围血管的毗邻关系，实现内部结构的可视化，快速识别胰头周围血管并进行血管结扎，减少手术出血。此外，还可将术前规划确定胰腺离断的部位投影到术中，精准指导胰腺的离断（图2e、f）。近年来，胰腺外科逐渐向微创化发展，腹腔镜或机器人胰腺手术具有创伤小，术后恢复快、术后并发症少等优点，可尽早地接受术后综合治疗，进而改善胰腺癌预后。虽然腹腔镜可获得放大的手术视野，为术者提供精细操作的条件，但缺乏触觉反馈和视角受限的视野缺陷，也无法透视组织下解剖结构，因此利用增强现实技术进行图像引导手术可以从一定程度上弥补以上缺点。随着数字智能化技术的发展，多模态联合影像导航在胰腺外科的应用将会更加广泛和深入，不断提高手术的精准度和安全性。

 

6  人工智能-影像组学（radiomics）

 

基于人工神经网络的深度学习拓展了人工智能在医学领域的应用范围，深度学习的影像组学研究是当下最热门的研究领域之一。2012年，荷兰马斯特里赫特大学医学中心的Lambin教授等首次提出“影像组学”的概念，利用人工智能-影像组学的方法高通量、自动地从大量的医学影像数据中定量分析、提取特征和信息，通过对这些数据的挖掘、分析得到描述组织特性的指标，与临床资料相结合建立包含生物学、信息学的风险预测模型。目前，医学影像人工智能的研究已经涉及对肝胆胰疾病患者肿瘤淋巴结转移、术后肝衰竭或肿瘤早期复发的预测。对于胰腺手术而言，防止和及时处理术后胰瘘的发生有利于患者围手术期的康复，利用影像组学方法建立的风险预测模型为识别胰瘘的发生提供了一种新的方法，对术后尽早采取干预措施提供决策支持。Bihorac等针对术后并发症和死亡的风险利用机器学习算法构建了一个自动化的预测分析模型，该模型可以通过术前电子病历数据精确识别、预测手术并发症和死亡的发生风险，该算法在临床实际工作流程中的可行性有待进一步验证。Liang等运用影像组学的方法结合列线图模型在术前有效地实现了对胰腺神经内分泌瘤病理组织学分级的预测。此外，从术前CT中提取影像学特征也可以用于预测胰腺导管内乳头状黏液性肿瘤风险程度，判断肿瘤的良、恶性程度，优化手术决策。

 

影像组学是医学影像和个体化诊疗之间的桥梁，同时也是数字智能化医学技术发挥术前预测作用的一个重要方向。但是，许多已发表的影像组学相关研究仍缺乏科学完整性和临床相关性的同质化、标准化评价标准。因此，不仅需要建立一个严格的评价标准和报告准则，还需要进一步的实验室和多中心研究结果进行验证。作为一门新兴的学科，影像组学在临床应用中面临着巨大的挑战和发展机遇。

 

7  胰腺癌数字智能化诊疗体系的构建

 

针对经影像学检查（超声、非薄层CT或MRI）初步诊断为胰腺癌的患者，应进一步采集高质量的薄层CT数据进行个体化的3DV处理，基于3DV模型进行可切除性评估，以血管为轴心的3DV分级方法优先评估肿瘤与血管的浸润关系，明确肿瘤是否侵犯胰周大血管和侵犯程度，判断能否施行胰十二指肠切除术或胰体尾肿瘤切除术。在完成3DV分析的基础上，针对具体情况采取虚拟仿真手术、3D打印、虚拟现实技术和增强现实手术导航。同时采用影像组学预测并发症发生风险，判断肿瘤的良、恶性程度及术后肿瘤复发和临床预后，为后续个体化治疗和多学科团队综合治疗协作组的诊断与治疗提供宝贵意见。根据实际手术中观察到的肿瘤与血管变异情况，与术前基于三维模型制订的手术方案进行一致性评估。所有患者术后进行持续随访，建立完善的随访系统及数据库系统，采用门诊、住院、网络或电话方式进行规律随访，评价患者短期和长期的手术治疗效果。

 

8  总结与展望

 

随着以现代医学和数字化、智能化高新技术相结合为基础，涵盖了多学科和多领域知识所形成的新型数字智能化诊疗技术的出现，数字化胰腺3D外科迎来了数字智能化诊疗时代。3DV仿真、3D打印、虚拟现实、增强现实手术导航、影像组学等数字智能化诊疗技术的临床应用，实现了胰腺疾病3DV精准诊疗从理论向数字智能化胰腺癌诊疗体系跳跃式的转变，推动着胰腺外科疾病向数字化、智能化辅助诊疗的方向发展，对胰腺癌诊疗水平的提高起到了巨大的推动作用，使外科医师可以精准地实施复杂的胰腺手术。未来，胰腺癌数字智能化诊疗体系将会推动传统的诊疗流程发生革命性变化，改善胰腺癌患者外科治疗效果和远期生存率。

 

引证本文：方驰华， 张鹏. 数字智能化诊疗技术在胰腺癌中的应用[J]. 临床肝胆病杂志， 2019， 35(5)： 941-945.