基于CT肝癌3Dslicer人工智能建模精准辅助外科的应用研究

吴兆平 彭浪 金煜东 陈伟力

【摘要】 目的：探討基于电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）肝癌三维切片（three dimensional slicer，3D slicer）人工智能（artificial intelligence，AI）建模精准辅助外科的应用效果。方法：选择2018年6月-2020年9月本院收诊的60例肝癌患者，均行腹腔镜肝切除术。按照有无辅助应用基于CT的3D slicer AI建模分为试验组（n=30，应用）与对照组（n=30，未应用）。观察两组手术出血量、肝门阻断时间、手术时间，分析两组术后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、转铁蛋白（transferrin，TRF）水平，比较其术后7 d静息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+），且需统计其转开腹率、术后7 d并发症发生率及围手术期死亡率。结果：试验组手术出血量较对照组少，肝门阻断时间、手术时间均较对照组短，差异均有统计学意义（P<0.05）。两组术后7 d PAB、ALB、TRF、CD4+/CD8+水平均较术前降低，但试验组均较对照组高，差异均有统计学意义（P<0.05）;而其术后7 d REE水平较术前升高，但试验组较对照组低，差异均有统计学意义（P<0.05）。试验组转开腹率、围手术期间死亡率与对照组相比，差异均无统计学意义（P>0.05）。试验组并发症发生率较对照组低，差异有统计学意义（P<0.05）。结论：基于CT的3D slicer AI建模辅助肝癌患者完成腹腔镜肝切除术，有助于减少患者的手术时间、手术出血量与并发症情况，可促使患者的血清内脏蛋白水平尽早恢复正常，且能够改善其能量代谢与免疫功能。

【关键词】 肝癌 CT 3D slicer 外科手术 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

原发性肝癌是一种病死率极高的恶性肿瘤疾病[1]，我国属该病高发国家，目前主要以腹腔镜肝切除术进行治疗。但由于肝内胆管、血管多变异且分支复杂，加之肝肿瘤和大血管存在密切关系，肝癌手术整体呈现出风险高、难度大等特点。以往常基于磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）或电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）制定肝切除手术策略[2]，虽能够一定程度上提高手术的精确性，但仍可能因术中发现肝内变异、仔细寻找胆管及血管等问题而延误最佳治疗时机，进而影响最终手术疗效。三维切片（three dimensional slicer，3D slicer）是一个用于图像分析、图像可视化及图像引导治疗的软件平台[3]，借助该软件平台能够以三维重建的方式制作符合患者实际病况的人工智能（artificial intelligence，AI）建模，提高患者的治疗精准性，保证其手术质量与安全。但由于目前有关于肝癌患者应用基于CT的3D slicer AI建模完成手术的效果研究较少，故笔者进行如下报道。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择2018年6月-2020年9月本院收诊的肝癌患者60例，均行腹腔镜肝切除术。诊断标准：符合《原发性肝癌诊疗规范（2019年版）》[4]中有关肝癌的标准。经核磁共振、肝血管造影、同位素扫描或CT等检查，发现肝内占位性病变。甲胎球蛋白≥200 μg，持续8周。纳入标准：均行腹腔镜肝切除术;术前肝功能Chlid-Pugh分级为B级或A级;肿瘤直径<10 cm;临床资料完整。排除标准：有远处转移;手术耐受度较差;既往存在肝胆系统疾病手术史或上腹部手术史;合并精神疾病，无法有效沟通。脱落与剔除标准：手术期间出现严重并发疾病或不良事件;主动撤除知情同意书。按照有无辅助应用基于CT的3D slicer AI建模分为试验组（30例，应用）与对照组（30例，未应用）。该研究已经伦理学委员会批准，患者知情同意并签署知情同意书。

1.2 方法 对照组采用腹腔镜肝切除术，方法：基于CT二维成像制定手术策略，予以患者头高脚底位，经脐直视下完成第1个Trocar插入处理，镜头探查后依据患者的具体肿瘤位置对其他Trocar位置进行确定。随后做好肝十二指肠韧带解剖、血管阻断带套入工作，必要时需行肝门血供阻断。采用电凝钩于患者肝脏表面（距离肿瘤1～2 cm）划出标记线，沿该线进行肝脏切开处理，期间若遇到胆管或血管（3 mm以上），辅用生物可吸收夹完成操作。试验组以基于CT的3D slicer AI建模应用下行腹腔镜肝切除术，方法：收集术前增强肝脏CT扫描的图片数据（dicom格式，层厚1 mm），以光盘刻录形式保存，随后在3D slicer 4.11.0版本软件中导入患者的dicom数据，选择安装肝癌手术计划插件与智能分割插件。于segmenteditor下择取肝脏六个方向（前后、左右及上下）的标志点，之后在显卡辅助下完成肿瘤、肝脏三维模型的自动分割处理，基于血管模式对肝脏周围动静脉及毗邻解剖结构进行三维重建，以STL格式保存所有模型。在肝癌手术计划插件中，依据《腹腔镜肝切除术专家共识（2013版）》[5]行相应术前规划设计，期间截取有效图片，方便与实体器官及组织进行对照。上述模型导入三维可视化工程后，再建立个体化三维可视化应用，生成参数标注、虚拟手术、三维测量及三维观察等辅助工具。术前2～3 d，指导患者进行ICG检测，掌握其肝脏储备功能，以彩色多普勒超声与ICG荧光显像技术辅助进行有效探查，确定肿瘤与血管的关系，并了解肿瘤的数目、大小与具体位置，同时与术前三维可视化评估结果作相应比对，再确定最终的手术方案。结合ICG荧光显影、术中超声，再依据区域血流阻断后的缺血线对肝切除线进行标记，再行腹腔镜肝切除术。

1.3 观察指标 观察两组手术出血量、肝门阻断时间、手术时间。手术出血量，计算吸引器瓶中血量+血纱布总质量-干纱布总质量的最终血量;肝门阻断时间，记录阻断带夹紧时间;手术时间，记录开始切皮处理至完成切口包扎的时间。比較两组术前与术后7 d前白蛋白（prealbumin，PAB）、白蛋白（albumin，ALB）、转铁蛋白（transferrin，TRF）水平。抽取5 mL研究对象的空腹静脉血，于室温下放置标本2 h，再以3 000 r/min的速度进行离心处理，在微型离心管中置入上清液，标记后于冰箱-80 ℃下进行冷存处理，再以特定蛋白分析仪（型号：BN prospec;生产公司：美国德灵公司）完成上述3种指标水平的测定。比较两组术前与术后7 d静息能量消耗（resting energy expenditure，REE）水平、分化簇4（cluster of differentiation 4，CD4+）/分化簇8（cluster of differentiation 8，CD8+）。采用间接能量测定仪（由美国Medgraphic公司提供）完成REE水平的测定，主要评测起床后（5：00～7：00）至入睡前（22：00～24：00）的能量消耗;流式细胞仪（型号：CytoFLEX，生产厂家：美国贝克曼库尔特有限公司）用于CD4+、CD8+水平的测定，随后再对CD4+/CD8+值进行计算。统计两组转开腹率、术后7 d并发症发生率及围手术期死亡率。并发症包括腹腔感染、肺部感染、腹泻、腹腔出血、胆漏。

1.4 统计学处理 采用SPSS 20.0软件对所得数据进行统计分析，计量资料用（x±s）表示，组间比较采用t检验，组内比较采用配对t检验;计数资料以率（%）表示，比较采用字2检验。以α=0.05为检验水准，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料比较 试验组中，女16例，男14例;年龄41～76岁，平均（58.62±6.29）岁;Chlid-Pugh分级：B级4例，A级26例;肿瘤位置：右半肝9例，左半肝21例。对照组中，女17例，男13例;年龄40～78岁，平均（58.84±6.24）岁;Chlid-Pugh分级：B级6例，A级24例;肿瘤位置：右半肝10例，左半肝20例。两组性别、年龄、Chlid-Pugh分级及肿瘤位置比較，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。

2.2 两组手术情况比较 试验组手术出血量较对照组少，肝门阻断时间、手术时间均较对照组短，差异均有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.3 两组术前与术后7 d PRE、ALB、TRF水平变化比较 两组术前PAB、ALB、TRF水平相比，差异均无统计学意义（P>0.05）;两组术后7 d PAB、ALB、TRF水平均较术前降低，但试验组均较对照组高，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表2。

2.4 两组术前与术后7 d能量代谢、T细胞亚群比较 两组术前REE水平、CD4+/CD8+相比，差异均无统计学意义（P>0.05）;两组术后7 d REE水平较术前升高、CD4+/CD8+较术前降低，试验组REE水平较对照组低，CD4+/CD8+较对照组高，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表3。

2.5 两组并发症、转开腹、围手术期死亡情况比较 试验组并发症发生率较对照组低（P<0.05），试验组转开腹率、围手术期间死亡率均低于对照组，但两组比较差异均无统计学意义（P>0.05），见表4。

3 讨论

原发性肝癌的发病率目前在国内常见恶性肿瘤疾病中位列第4位，而其病死率在该类疾病致死病因中高居第2位[6-7]，一般以肝切除术进行治疗。随着微创技术的不断发展，腹腔镜肝切除术成为治疗原发性肝癌患者的主要术式之一[8]。肝癌患者多有肝硬化、肿瘤体积大等病理表现，会增加临床解剖患者肝脏系统、肿瘤的难度[9]。施术者稍有不慎可能会导致患者生命垂危，具体包括术中出血与术后肝衰竭两种。前者多是因术前未细致掌握患者重要血管与其肿瘤间的关系造成，后者则是术前未精确预估患者的残肝体积导致[10]。为改善上述现状，临床认为术前掌握肝内脉管系统解剖及准确评估残肝体积较为重要[11]。

近几年临床常基于MRI或CT二维成像辅助原发性肝癌患者完成腹腔镜肝切除术，通常边分离患者的肝实质边探寻其胆管、血管，难以精确判断患者肝内脉管的结构变异情况[12]，且无法多角度了解血管、肿瘤间的关系，期间可能会遇到手术出血量大、手术耗时长等问题[13]，疗效相对有限。本研究结果显示，试验组手术出血量、肝门阻断时间、手术时间方面的效果均优于对照组（P>0.05）。3D slicer是一种能够将常见CT二维影像资料转变为三维可视化应用的软件[14]，具有双向交互性与强大可扩展性，其数据分析、图像处理功能较强，能够以三维重建的方式做好AI建模工作。该技术用于肝癌手术患者中，可从任意角度了解肝内脉管系统与肿瘤的毗邻关系，促使施术者更为细致地掌握肿瘤的实际切除范围[15]。而在AI仿真建模下还可通过反复预切除的方式帮助施术者熟悉手术过程，提高施术者的肝切除精确性，最大限度保留患者残肝解剖结构的完整性[16]。与此同时结合ICG荧光显像技术，于肝癌患者深部肝实质离断时进行切肝平面与肿瘤定位，还能够探查遗漏的小病灶，进一步提升患者的整体手术疗效与安全性[17]，避免术后出现肝衰竭情况及相关并发症情况。如本文结果中，结合CT的3D slicer AI建模进行手术的患者，其并发症相对更少。

外科手术创伤所致的神经内分泌反应，通常会促使患者的肌肉蛋白质分解，以尿素氮、尿肌酐的形式排出，故而蛋白质的分解与患者的创伤程度存在紧密联系。一旦患者的蛋白质水平下降，可能会影响其骨骼肌及相关器官功能，增加其罹发多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的风险。基于此，临床常借助血清内脏蛋白指标来观察患者的手术创伤程度，这与梅俊[18]的报道内容大致相同。PAB、ALB、TRF均是一种可以反映患者机体蛋白质营养状况的指标，其中PAB、TRF的半衰期相对较短，但评价的敏感性较高;而ALB的半衰期较长，但敏感性相对较低。本研究结果显示，试验组术后7 d PAB、ALB、TRF水平均高于对照组（P<0.05），提示结合CT的3D slicer AI建模进行手术的安全性较高，能够减低患者的受创程度，促使患者术后营养状况尽快恢复正常，以避免相关并发症的产生。REE指人体清醒、安静状态下不受精神紧张、食物、环境温度及肌肉活动等影响的能量消耗，通过计算患者每日能量消耗的方式能够了解其代谢状态。一般而言，手术创伤所致的应激反应越大，患者机体的代谢水平越高[19]，这与应激激素下其内环境改变有关。

CD4+/CD8+则能够了解宿主T细胞亚群的紊乱状态，反映患者机体遭受手术创伤的应激水平。本研究结果显示，试验组REE水平、CD4+/CD8+均优于对照组（P<0.05），表明以CT的3D slicer AI建模进行手术对患者代谢、免疫功能的影响均较小，这可能与该技术下应用腹腔镜肝切除术能够充分保留患者的残余功能有关，可减少无效肝存在，避免出现大范围切除所致的肝功能失代偿情况，促使患者尽快康复。

综上所得，肝癌患者以基于CT的3D slicer AI建模完成腹腔镜肝切除术，能够提高手术有效性与安全性，改善术后的代谢状态、免疫功能，值得临床借鉴。但本次研究仍存在不足之处，如随访时间短、纳入病例少等，需进一步进行相关研究，为后续患者的精准治疗夯实基础。

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（收稿日期：2021-05-27） （本文编辑：程旭然）