2023人工智能一体化三维重建应用于胸外科的中国专家共识（完整版）.docx

2023人工智能一体化三维重建应用于胸外科的中国专家共识(完整版)摘要为进一步规范三维重建在胸外科中的应用，人工智能一体化三维重建应用于胸外科的中国专家共识专家组讨论制定了本共识。本共识依据目前三维重建技术在胸外科各种场景中使用的临床经验和已有的前瞻性或回顾性研究，总结形成推荐意见，并附录目前存在争议、尚未进行充分的临床研究或仍在探索阶段的三维重建技术应用场景，为未来的临床研究和临床疾病诊治提供方向和证据，以期达成共识。正文胸外科疾病涉及胸壁、肺、食管、纵隔等多器官，其中肿瘤性疾病最为显著，比如肺癌在全球范围内是最常见的恶怅中瘤，位居恶性W瘤发病率的第2位及死亡率的第1位口。基于人工智能(artificialintelligence,AI)的三维重建技术在协助肺结节诊断和治疗方面越来越受到重视。然而,目前AI在胸外科疾病的临床应用相对较少，为了全面提升我国胸外科疾病的专业化诊疗水平，本共识基于AI在胸外科疾病的多维度应用建立初步的书面指导原则。针对现有文献及临床实践依据，经过专家组系统的讨论与商议，最终形成本共识。本共识不设证据类别，共识等级则依据专家组投票比例划分：若支持意见80%,则初步定为一致共识，共识等级设为I级；60%80%支持则划定为基本一致共识，共识等级设为!级，支持意见60%则取消相关推荐。随着未来更多文献发表，本共识将不断更新完善。1 三维重建辅助肺结节良恶性判别关于肺结节的诊断与治疗在国内外已经形成了许多专家共识。相关研究2表明：考虑为原位腺癌(adenocarcinomainsitu,AIS1微浸润性腺癌(minimallyinvasiveadenocarcinoma,MIA)与浸润性腺癌(invasiveadenocarcinoma,IAC)结节应当及时手术治疗，不典型腺瘤样增生(atypicaladeno-matoushyperplasia,AAH)和良性磨玻璃结节影(ground-glassopacity,GGO)仅建议CT随访。由于不同医生对指南的掌握不尽相同，导致部分小结节被过度治疗。既往7寸小结节的判别多基于CT的二维影像特征，存在对肺段等精细解剖部位识别不佳、对胸外科医师空间重构能力要求较高等问题。相关文献及研究认为三维重建对肺结节的判别具有重要意义。1.1 三维重建对肺结节性质判别目前胸外科常用的三维重建技术包括：多平面重建(multi-planarreformatting,MPR最大强度投影法(maximumintensityprojection,MIPX容积再现等，以多层螺旋CT为基础的三维重建在GGO诊治中应用广泛。高分辨率CT(highresolutionCT,HRCT)相比普通CT能更准确定位肺部结节病灶，明显提高了肺磨玻璃结节尤其是小直径结节的检出率，这些优势均基于连续、快速且低层厚的容积扫描，且不受患者呼吸运动影响，使得解剖结构无重叠；高分辨率三维重建技术极大提升了影像质量，从而更真实地展现出结节的解剖结构，清楚显示肺结节内部的密度变化、边缘特征、周边及内部的小血管、细支气管影、结节周边胸膜的牵拉程度，可以更有效、完善且精准地评价GGO的影像学特征。此外，在这一领域，虚拟现实技术也已经在多项针对肺部GGO的研究及应用中取得应用。肺部小结节准确、直观的整体轮廓形态可以从三维立体的角度被塑造，为避免通过轴位像的片面性误导医生，还需要全方位立体观察3。北京协和医学院在同时性多原发肺癌外科治疗的预后研究及基因组学分析中认为，三维重建/3D打印模型可以快速准确定位切除标本中的多个肺结节，病变的病理结果与术前CT检查结果能够一一对应，这对进一步研究多发性肺结节的临床病理特征及放射组学具有重要意义o上海交通大学基于早期肺腺癌性GGOCT三维重建下相关影像学参数术前预测癌细胞Ki-67表达指数的模型研究认为：GGOCT三维重建的相关影像学参数包括直径、总体积(totalvolumeJV最大CT值(maximum,MAX整体CT值分布标准差(standarddeviation,STD)及随访中的体积倍增时间(volumedoublingtime,VDT)对其良恶性鉴别参考价值重大；结节恶性程度越高，以上参数的值越大，提示外科医生应及时手术干预；参数小于阈值时，可以考虑CT随访。而如今针对三维重建联合高分辨薄层CT对GGO的手术定位与结节定性均开展了广泛的临床应用。其体积、CT值、最大CT值、平均CT值、平均直径等参数都提示其结节的潜在病理分型。另外Ki-67表达情况也可作为早期腺癌的术前参数预测2。推荐1:三维重建技术可更加全面地评估肺结节的影像学特征，推荐使用三维重建技术对肺结节性质进行辅助判定（II1.2 人工智能联合三维重建对肺结节良恶性判别目前三维重建技术主要根据以下特征评价肺结节,包括大小、形状、位置、密度、钙化形式、边缘形态、倍增时间等。传统胸部CT受影像医师经验、主观意识、设备先进程度等因素影响，易出现误诊、漏诊等问题。近年来大热的AI辅助诊断技术，依靠深度卷积神经网络算法、图片识别功能等先进技术，实现了医学影像技术与诊疗体系快速发展5。有学者使用Al技术对肺癌病理图像进行分类并通过76个数据集验证取得良好效果。Wang等7构建新型基于深度卷积神经网络的分割模型，能够精细地分析肺结节的边缘轮廓，效果可以媲美高年资放射科医师。Ciompi等8通过AI搭建了一套可以自动区分肺结节形态的检测系统，可识别形态包括实性、亚实性、非实性、钙化型等形态。Song等9使用UDC-IDRI数据集对不同算法模型在肺结节良恶性预测方面进行了比较研究,结果表明基于深度卷积神经网络的算法在准确性方面远优于其他类型算法。利用大数据和Al技术在放射肿瘤学领域的应用，尤其是对肺CT影像数据进行进一步分析，将极大地提高相关疾病领域的医疗水平。AAH、AIS、MIA.IAC是肺结节病理学发展过程，而在影像学中纯磨玻璃结节(pureground-grassnodulezpGGN部分实性结节(partsolidnodule,pSN)到纯实性结节(solidnodule,SN)也是逐渐进展的过程，AI可准确识别人眼可能忽略或者无法辨认的重要信息，对特定任务表现出较好的预测性能。既往研究口0显示，以不同数据库训练集和数据集为平台的深度学习模型训练的肺结节良恶性分类模型准确性最高可达93.6%,以相同数据库为对象的训练集和验证集在深度学习模型的分类中准确性也很高,证明已初步具备肺结节诊断的能力。而在LUNGxChalIenge肺结节研究11中Al组的曲线下面积(areaunderthecurve,AUC)低于放射科医师组,且放射科医生在统计学上的表现相较于AI组优势明显，该研究证明AI技术鉴别肺结节的准确度还无法替代人工，仍需进一步优化。推荐2:(1)考虑到AI针对亚实性结节的假阴性与假阳性率均较高，临床工作中仍需病理医师阅片以减少漏诊和误诊(IX(2) AI在肺结节患者长期随访中具有重要意义，其优势在于可实时辅助医师进行随访，判断肺结节具体变化情况(11(3) AI在肺结节良恶性鉴别中有一定临床参考价值，准确性仍有待商榷(I工2 三维重建辅助肺结节术式规划肺楔形切除和肺段切除是胸外科肺部手术中相对于肺叶切除、袖式切除而言较为精细的术式，是亚肺叶切除中的重要术式。肺楔形切除常用于位置浅表的结节，对于位置较深的结节，其定位具有一定挑战性，且需要避开大的血管和支气管，防止术后大出血、肺不张、支气管胸膜屡等严重并发症。肺段手术需要识别34级支气管及其伴行的动脉、静脉，而段水平的血管变异相当丰富12-13,尤其在更为精准的联合亚段切除中要辨别的结构更为精细。如何在最大化保护肺功能的基础上安全、有效地进行切除，是胸外科医生不断探索的方向。胸部CT三维重建技术在术前能够对结节进行定位，帮助医生在术前明确结节毗邻的肺支气管、血管的分型及变异情况，为手术做好预案。而且，三维重建技术能够实现全角度自由旋转、交互式展示肺结构（血管、支气管和病灶），符合手术操作过程中的三维观感，帮助医生提高手术精准度，减少手术风险14-19。三维重建技术在肺叶切除术中也有一定的应用场景，例如，在肺裂发育不全的情况下，往往需要三维重建判定解剖变异，避免误断跨叶分布的异常解剖结构。推荐3:建议准备行亚肺叶切除手术的患者术前行三维重建，帮助完善术前规划，包括肺楔形切除术（结节位置偏深者肺段切除术、联合亚段切除术等（I%3 三维重建辅助胸腔大肿瘤手术评估解剖学上，胸部组织器官的结构关系错综复杂，牵涉到肺门、纵隔以及大血管等结构。同时，该区域的解剖变异类型也很多，这增加了术前精准评估的难度，使手术风险相对较高。而常规的增强CT只提供了轴位横断面的连续图像，这对于外科医生在临床评估时构想局部区域的三维解剖关系而言，存在很多不足。术前精准评估胸腔巨大肿瘤的位置、起源以及与周围结构的关系尤为重要，而目前这通常需要外科医生凭借丰富的临床经验和足够的空间想象力。手术切除是治疗胸腔巨大肿瘤的主要方法，但由于病理类型复杂、瘤体巨大、肿瘤与邻近结构的关系不明确等原因，手术风险较高，手术切除的难度也相对较大。使用三维重建影像技术可以更加精准、高效地识别肿瘤毗邻结构和滋养血管，有助于减少术中出血量、降低手术风险20。利用CTx磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI造影等二维数据重建三维影像，可以为胸腔巨大肿瘤术前评估提供重要辅助，并且可以制定个体化手术方案，为手术提供精准全面的术前评估；另一方面，三维重建的影像也有利于科研教学活动的开展21三维重建技术还可以在诊断食管癌和鉴别纵隔内阳性淋巴结22等方面提供更加丰富的信息，有助于制定更有效的治疗策略。推荐4:CT、MRl等影像学检查发现的胸腔大肿瘤建议通过进一步完善三维重建辅助术前评估，其在毗邻结构的识别上优势巨大(114 三维重建辅助胸壁疾病诊治胸部CT已被公认为当下诊断各种胸壁/胸腔内器官损伤的基础方法，可用于评估患者是否需要通过手术修复23。多层CT三维重建具有突出特点，如直观、立体及多角度观察,有效弥补了胸部X线片诊断肋骨骨折的不足。多层螺旋CT的三维重建能够提高肋骨骨折的检出率，尤其是对于细微的肋骨骨折，同时对胸骨骨折的诊断准确性也要优于胸部X线片24。通过三维CT图像重建技术可辅助定位肋骨骨折、设计规划手术切口和手术方式，甚至评估胸腔内器官损伤情况25。对于一些胸部创伤患者，特别是车祸或者工伤涉及的伤残鉴定及赔偿，胸部CT肋骨三维重建相比CT平扫可以更为直接地显示骨折的数目及程度，从而能提供更加清晰的工伤鉴定依据，进而有助于理赔的及时完成26,因此对胸壁外伤患者推荐常规进行胸部CT平扫和三维重建。三维重建技术可以应用于胸壁肿物、胸壁畸形、肋骨肿瘤等多个方面的形态判定，辅助临床医生对胸壁病变进行准确模拟，提高手术精准度，缩短手术时间，加速患者术后康复，缩短住院时间。采用胸腔镜辅助手术结合三维重建技术，对肋骨骨折切开复位内固定术极具精确性，且术中的创伤小、术后留置胸腔闭式引流管时间短、疼痛轻，能够大大加快患者恢复,尽早出院，是一种安全有效的手术方式，有助于实现患者快速康复27。3D重建能明确鸡胸、漏斗胸等胸壁畸形患者肋骨和肋软骨的方向及其与胸骨的关系，从而可以对胸壁进行精确的术前测量并指导个体化的手术矫正28-29。推荐5:对胸壁疾病拟行手术的患者，术前推荐常规进行胸部CTxMRI等影像学检查，并进行三维重建（IX5 3D打印技术辅助胸骨及肋骨骨折治疗在胸骨、肋骨骨折手术过程中，通过采用3D打印技术，基于数字模型文件利用塑料、粉末金属等可粘合材料进行逐层打印，可有效减少内固定装置的塑形不准确，在手术时间、手术切口、术后疼痛和内固定成功率方面有优势27。另外可利用薄层CT与肋骨CT通过软件重塑肋骨骨折处的三维模型,结合成熟的3D打印技术生成个性化的肋骨模型。Chen等30的研究提示制备3D打印的肋骨模型误差较小，能够达到临床使用需求。为进一步缩短手术时间、提升固定材料准确性、降低实施内固定的几率,同时也为了更好地针对肋骨骨折部位进行定位，应根据重建后的肋骨形状选择最恰当的材质，并于术前规划出足够的手术范围，完善手术流程，让手术形式安全化、微创化31。推荐6:3D打印技术可以利用永久性材料进行术前精准评估，有助于个性化定制更加精确的胸骨及肋骨固定装置，也可让胸骨及肋骨骨折的定位以及手术切口的规划更加明确清晰（I%6 结语三维可视化重建技术在日常胸外科的临床工作中逐渐普及，对比传统的影像学技术如X光线、CT等具有更形象、更立体、更准确等优势。特别是近年来随着AI技术的崛起，AI和三维重建技术的融合将为胸外科各类疾病的术前精准诊断、术中精准定位、术后快速康复以及最佳获益做出更大的贡献。