人工智能读片技术在肺部转移瘤患者综合诊断和治疗中的应用

尹 航 吴华伟 钱晓哲 唐 健 潘文标 赵晓菁

肺是恶性肿瘤最常见的转移部位之一，随着恶性肿瘤的治疗技术和手段不断发展，肿瘤患者的生存时间逐渐延长，故肺部转移瘤的患病率呈逐年增高趋势。据统计，>75%的肺转移瘤患者合并肺外转移，仅约15%～25%的患者转移灶局限于肺内且符合根治性切除适应证[1]。因此，对于转移瘤患者的全面评估十分重要，全身PET-CT检查可评估患者的全身情况，但对于直径<1 cm的肺部转移瘤，其作用有限。肺部转移瘤切除手术的基本原则是尽可能完整切除转移灶，尽量多保留肺组织，以提高患者的生存率并改善其生存质量。读片遗漏对患者的预后有一定的影响，故术前通过读片明确肺部转移瘤的数量和位置对制订手术方案和判断手术效果具有重要意义。

随着大数据分析的应用和人工智能(artificial intelligence，AI)技术的计算能力显著提高，以及新的深度学习算法的开展，AI的应用范围越来越广泛。AI读片技术可从影像学检查的图像中提取出肉眼易遗漏的信息，从而提高图像的诊断准确率。上海交通大学医学院附属仁济医院胸外科应用AI技术读片，以期提高肺部转移瘤检出率和手术完整切除率，避免不当的手术，减少患者的创伤。

1 对象与方法

1.1 研究对象 收集2014年1月—2020年1月在上海交通大学医学院附属仁济医院胸外科行手术治疗的169例肺部转移瘤患者术前和术后随访的影像学资料(包括患者术前胸部CT、全身PET-CT检查资料，术后随访胸部CT检查资料，原发疾病部位的影像学资料)。169例患者中，男101例、女68例，年龄范围14～79岁，年龄为(57.4±12.3)岁； ≤55岁患者48例、>55岁患者121例。原发肿瘤：结直肠癌66例，泌尿系统肿瘤29例(肾癌22例、膀胱癌6例、前列腺癌1例)，肝癌22例，乳腺癌18例，头颈颌面部来源肿瘤11例(鼻咽癌4例、唾液腺癌2例、喉癌1例、舌癌1例、腮腺癌1例、甲状腺癌2例)，骨和软组织肉瘤7例，妇科肿瘤7例(宫颈癌2例、子宫内膜癌2例、卵巢癌3例)，生殖系统肿瘤4例(精原细胞肿瘤、葡萄胎各2例)，胃十二指肠肿瘤4例，胰腺癌1例。寡转移患者130例，多发转移患者39例。

1.2 方法 对于原发肿瘤的复发多依靠影像学检查来诊断；对于出现肺部转移瘤进展，以及除肺以外的第二靶器官转移多依靠影像学检查结合病理学检查来诊断。采用AI读片技术与人工读片相结合的方法对比患者术前与术后随访的影像学资料，统计经过AI读片后考虑为肺部转移瘤的结节、手术中切除的结节、未被切除但AI读片后考虑为肺部转移瘤的结节，判定术后“复发”的结节是否为原来的影像学资料上遗漏或存疑的结节。如果术前AI读片与人工读片相结合后考虑的肺部转移瘤与手术切除结节相符，且在随访中未发现原有结节增大，则认为该患者肺部转移瘤被完整切除。读片分为两个部分：①由两名经验丰富的放射科医师和两名有丰富读片经验的胸外科医师分别读片，记录考虑为肺部转移瘤的结节并汇总；同时将患者影像学资料应用上海皓桦科技股份有限公司提供的AI软件进行读片。②将人工读片和AI读片的肺结节全部检出，由放射科医师和胸外科医师共同读片，确定考虑为肺部转移瘤的数量，重点标记考虑为肺部转移瘤但手术未切除的结节，在随访过程中观察这些结节有无进展。

1.3 观察指标 将患者出现原发肿瘤的原位复发或出现除肺以外的第二靶器官转移作为随访终点。将性别(男、女)、年龄(≤55岁、>55岁)、原发肿瘤病理类型[结直肠肿瘤、肝脏肿瘤、泌尿系统肿瘤、乳腺肿瘤、头颈颌面部肿瘤、骨和软组织肉瘤、妇科和生殖系统肿瘤、其他肿瘤(胃十二指肠肿瘤和胰腺肿瘤)]、肺部转移瘤是否被完整切除、肺部转移瘤是否为寡转移纳入基线资料进行统计。肺部转移瘤寡转移按照结直肠癌肺转移多学科综合治疗专家共识(2018版)[2]的分类标准定义，≤4处转移灶为寡转移。

1.4 统计学处理 应用SPSS 23.0统计学软件和R软件。计数资料以频数(n)和百分率(%)表示。采用Kaplan-Meier法计算术前读片遗漏患者、非遗漏患者术后1、2、3年的无进展生存率(progression-free surial，PFS)，采用log-rank法比较两者间的差异。采用单因素和多因素CoX分析确定影响患者预后的危险因素。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 肺部转移瘤患者的随访情况 169例患者中，8例术后失访，2例死于非肿瘤相关原因；其余159例患者每年随访时进行原发疾病和胸部CT检查，直至随访终点事件发生。61例患者出现全身不同部位的肿瘤进展，包括原发肿瘤局部复发或肺以外第二靶器官转移45例(其中11例合并肺部进展)、单纯肺部进展16例；其余98例患者暂无明确肿瘤进展证据。单纯或合并肺部进展的27例患者中，因术前读片遗漏导致肿瘤进展13例(48.15%，13/27)，其中仅为术前读片遗漏6例、术前读片遗漏+新发肺部转移瘤7例；新发肺部转移瘤20例(74.07%，20/27)，其中仅为新发肺部转移瘤13例、术前读片遗漏+新发肺部转移瘤7例；转移瘤切缘复发2例(7.40%，2/27)，其中单纯切缘复发1例、术前读片遗漏+新发肺部转移瘤+切缘复发1例。

2.2 不同类型原发肿瘤患者肺部转移瘤进展情况 术前读片遗漏肿瘤进展6例，其中结直肠肿瘤3例、泌尿系统肿瘤1例、乳腺肿瘤1例、头颈颌面部肿瘤1例。新发肺部转移瘤13例，其中结直肠肿瘤4例、肝脏肿瘤2例、泌尿系统肿瘤1例、乳腺肿瘤3例、头颈颌面部肿瘤1例、妇科肿瘤1例、胰腺肿瘤1例。术前读片遗漏肿瘤进展+新发肺部转移瘤7例，其中结直肠肿瘤4例、肝脏肿瘤2例、泌尿系统肿瘤1例。

2.3 术前读片遗漏对患者的术后PFS的影响 13例术前读片有遗漏的患者术后1、2、3年的PFS分别为76.9%(10/13)、69.9%(9/13)、53.8%(7/13)，146例术前读片无遗漏的患者分别为80.8%(118/146)、74.0%(108/146)、68.5%(100/146)。术前读片无遗漏患者术后1、2、3年PFS均显著高于术前读片有遗漏者(P值均<0.05)。

2.4 肺部转移瘤患者预后的危险因素分析 单因素分析结果显示，肿瘤是否系寡转移(HR=4.636,95%CI为4.201～5.117)、原发肿瘤病理类型(HR=1.373,95%CI为1.312～1.438)、肺部转移瘤是否被完整切除(HR=1.632,95%CI为1.580～1.686)为影响患者预后的危险因素(P值均<0.05)，年龄(HR=0.993,95%CI为0.969～1.018)、性别(HR=0.969,95%CI为0.911～1.030)不是影响患者预后的危险因素(P值均>0.05)。剔除年龄、性别因素后的多因素COX分析结果显示，肿瘤是否系寡转移(HR=3.211，95%CI为2.839～3.565)、原发肿瘤病理类型(HR=1.339，95%CI为1.279～1.402)、肺部转移瘤是否被完整切除(HR=1.485，95%CI为1.439～1.536)是影响患者预后的危险因素(P值均<0.05)，其中，肿瘤是否系寡转移与患者预后的相关性最高。

3 讨 论

随着恶性肿瘤患者的生存时间延长和CT技术在临床应用的普及，肺部转移瘤发现率逐年升高。目前，AI读片技术在临床的应用越来越多，在近期的AI读片与人工读片的比赛中，AI读片技术突显了其快速的计算能力、高效的学习能力和不知疲倦的持久性，可见AI技术具有广阔的临床应用前景。

目前绝大多数的AI读片软件仍处于初级阶段，上海交通大学医学院附属仁济医院胸外科将其应用于寻找肺部转移瘤，而不是用于判别肺结节性质。目前的AI读片软件仅能用于寻找和发现更多的肺结节，虽经过深度学习技术和卷积神经网络技术的改进，但仍仅能对结节的良恶性做出初步判断，尚未对各种类型转移瘤的形态及其生物学特点进行深度学习。在临床实践中，有经验的读片者易受读片时的状态、视野范围、时间限制等因素影响而导致漏诊或判断失误。容易漏诊的4类肺结节为微小(直径为1～3 mm)结节，肺门血管旁、气管旁或邻近纵隔的结节，胸膜下的小结节，形态非典型的类圆形小结节。

与人工读片相比，AI读片技术在寻找肺结节方面具有显著的优势，但准确度不高，因此需要通过人工读片对结节逐个复核，以降低肺转移瘤漏诊的概率。

3.1 手术完整切除肺部转移瘤的意义 肿瘤发生肺转移，表明原发肿瘤已进展至晚期。Martini等[3]的研究结果显示，在有效控制原发肿瘤后，采用保守方案治疗的肺部转移瘤患者5年生存率<5%。早在1927年，Divis施行了第1例肺部转移瘤的手术并获得成功；1991年，美国成立国际肺转移瘤注册中心，收集了欧美18个中心大量肺转移瘤手术的临床资料，得出了肺部转移瘤切除术是安全、有效的结论[4]。

研究结果表明，在结直肠癌[5]、肝癌[6]、乳腺癌[7]、泌尿系统肿瘤、头颈颌面部肿瘤[8]、妇科和生殖系统肿瘤、软组织肉瘤、黑色素瘤等常见恶性肿瘤发生肺转移的患者中，一部分经过筛选的患者(原发肿瘤控制好、无肺外转移、可以完整切除肺转移灶)行肺部转移瘤切除术后可获得较好的临床效果。

3.2 AI读片技术在临床诊疗中的作用 AI读片技术对于肺部转移瘤患者的术前评估十分重要，其可决定是否切除肿瘤、如何切除肿瘤和切除肿瘤的范围等。AI读片技术能协助临床医师发现全部的肺结节，从而筛选出所有的肺部转移瘤；对于可彻底切除的寡转移瘤首选手术切除，对于无法完整切除的肿瘤建议选择保守治疗，对于可切除的多发转移肿瘤建议行综合诊断和治疗的评估，以确定手术和药物治疗的最佳时机。上海交通大学医学院附属仁济医院胸外科收治了14例在外院行肺部转移瘤切除术后“复发”的患者，通过对其术前影像学资料分析发现，其中11例患者于数月后发现的“复发肿瘤”在术前已存在，因肿瘤太小或位置隐蔽，故在读片时被遗漏。同样，对于术前AI评估提示肺部转移瘤无法手术切除的患者，不需行手术治疗。本研究中，13例术后随访中发现因术前读片遗漏而导致肿瘤进展的患者，如术前采用AI读片技术评估，可制订更好的治疗方案。本研究中，7例经病理学检查证实为新发的肺部转移瘤患者术后随访近6年无复发和转移证据，相关肿瘤指标亦基本正常，按照结直肠癌肺转移多学科综合治疗专家共识(2018版)[2]的分类标准定义为寡转移瘤(转移瘤数量≤4个)，表明寡转移瘤患者手术效果较好，因此术前评估转移瘤的数量对于患者预后具有重要意义。

目前的AI技术已被应用于诸多临床实践中，如在影像科开展的读片、诊断和治疗策略制订方面的应用，AI读片技术联合人工读片可减少肺和转移瘤的漏诊[9]。本研究结果显示，术前读片未遗漏患者术后1、2、3年PFS均显著高于术前读片遗漏者。然而，患者的预后并不完全取决于读片后肺部转移瘤是否被完整切除，原发肿瘤的类型、分期，以及患者是否接受科学规范的综合治疗均可影响其预后。本研究单因素和多因素分析结果均显示，肿瘤是否系寡转移、原发肿瘤病理类型、肺部转移瘤是否被完整切除是影响患者预后的危险因素。

3.3 随访的意义 首次发现肺部转移瘤后应先行一段时间随访，再考虑行手术治疗，尤其当患者同期存在肿瘤相关指标水平升高时。研究结果表明，肺部转移瘤患者相关的肿瘤指标物水平(如结直肠癌肺转移患者的CEA[5]、肝癌肺转移患者的AFP[6])显著高于正常值是手术效果不佳的危险因素。如患者行肺部转移瘤切除手术后不久即发现新的肺部转移瘤，且相关肿瘤指标水平较高时，立即手术可能对患者的远期预后并无明显改善，而根据原发肿瘤的类型、病理、分期制订出科学的随访或药物治疗周期，将有助于发现隐藏在肺内、肺外的转移病灶。随访期间可对原发肿瘤进行化学治疗、靶向治疗或免疫治疗；患者经过一段时间的随访，如转移瘤数量无增多，可行手术治疗；如肺转移瘤的数量增多，则认为这类患者手术获益低，远期效果不佳，建议经多学科综合诊断和治疗后再选择合适的治疗方案。

新发肺部转移瘤的患者预后较差。因此，随访可筛查出预后不良的患者，从而选择更合适的治疗方案，避免对患者施行低获益的手术。

3.4 手术切除的范围 肺部转移瘤的治疗原则为尽量切除病变肺组织，保留正常肺组织，不宜行全肺切除手术。发现肺部转移瘤表明患者已处于肿瘤晚期，行肺部转移瘤切除术后，建议仍需要针对原发疾病进行放射和化学治疗或靶向免疫治疗。有研究[10]结果表明，因肺部转移瘤行全肺切除术的患者术后生存时间<2年。因此，上海交通大学医学院附属仁济医院胸外科认为，肺部转移瘤切除术应以肺楔形切除、肺段切除、肺叶切除为主，避免行全肺切除术。本研究中有2例肿瘤较大(直径>2 cm)的患者行肺楔形切除术，术后随访发现切缘复发。因此，对于较大的转移瘤，建议至少行肺段切除术。

目前，关于肺部转移瘤的诊断和治疗仍处于探索阶段，随着医学技术的进步与多学科综合诊断和治疗的理念深入人心，肺部转移瘤的手术指征和原则将不断得以完善，最终患者可获得越来越好的治疗效果。

人工读片倾向于发现有问题的肺结节，而目前的AI读片技术的主要作用是帮助临床医师发现易被肉眼忽略的结节。因此，人机共同读片的灵敏度、特异度均高于单纯人工读片或者单纯AI读片。经过病理学检查的验证，证实了AI读片在经过专业医师审核后可较真实地反映患者肺部转移瘤的情况，如将此技术应用于临床，可更好地筛选适合手术的患者，为肺部转移瘤的患者提供更合适的治疗方案。

因本研究仅为单中心回顾性分析，样本量和随访时间均不足，故研究结果可能存在一定偏倚，尚待进一步随访总结，分析相关结果和预后的危险因素。