肝脏磁共振人工智能取得重大突破,“数字肝”全面提升诊断水平

2021-05-13 JACKZHAO MedSci原创

肝病影响着全球几亿人。据估计,中国超过五分之一的人群受到肝脏疾病的困扰,尤其是乙肝、丙肝、肝硬化、肝癌、非酒精性脂肪肝、酒精性肝病和药物性肝损伤,

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肝病影响着全球几亿人。据估计,中国超过五分之一的人群受到肝脏疾病的困扰,尤其是乙肝、丙肝、肝硬化、肝癌、非酒精性脂肪肝、酒精性肝病和药物性肝损伤,使得肝病成为中国发病率和死亡率的主要影响因素之一。肝脏疾病在我国发病率较高,起病隐匿、进展迅速,给社会经济和人民健康带来了巨大威胁,对这部分患者的早期诊治、预后判断、个体化治疗一直是临床研究的重点。尽管目前人工智能技术飞速发展,但其在肝脏肿瘤诊疗领域中尚缺乏系统研究。

肝脏解剖

不过,这一现状正在发生改变。国家消化系统疾病临床医学研究中心/首都医科大学附属北京友谊医院放射科主任杨正汉教授团队,与国内医学影像人工智能领头羊数坤科技一起,着手研究开发了肝脏MR医学影像处理软件,旨在解决复杂的肝脏疾病诊断问题。

亿肝病患者亟待高水平诊断

肝脏是人体重要器官之一,不仅负担着整个人体的新陈代谢,还要帮助人体每天摄入的毒素排除,若人体的肝脏产生疾病或受到损伤,会对人的身体产生巨大的影响。

Epidemiological Features of NAFLD From 1999 to 2018 in China - Zhou - 2020  - Hepatology - Wiley Online Library

中国肝病变化趋势,Epidemiological Features of NAFLD From 1999 to 2018 in China,First published: 03 February 2020 https://doi.org/10.1002/hep.31150

以往大家比较熟悉的是乙肝、丙肝、药物性肝病、自免肝等常见慢性肝病。据杨正汉教授介绍,近年来由于经济发展,人民生活水平提高,食物的营养结构发生了较大变化,与其他因素一起作用,代谢相关的慢性肝病发生率有明显增高趋势,肝脏脂肪的异常沉积,也会导致慢性炎症、纤维化、肝硬化及肝脏肿瘤的发生。国家卫健委疾控局发布的《2018年全国法定传染病疫情概况》显示,病毒性肝炎依然是我国法定报告传染病中报告病例数第一的乙类传染病。据估算,我国仅乙肝病毒感染者约8600万人,再加上其他肝脏疾病患者,保守估计,中国肝脏疾病患者应该超过上亿人。

《2019年中国肿瘤登记年报》数据显示,2015年全国恶性肿瘤发病约392.9万人(全国肿瘤登记中心的数据一般滞后3年)。数据还显示,2015年全国肝癌新发病例约36.5万,占全球新发病例的50%。肝癌已是中国第二大肿瘤致死病因。60岁以下人群中,肝癌仍是最常见和致死率最高的肿瘤之一。

病态情况下,患者哪怕只剩下30%的正常肝细胞都能维持身体所需。肝病患者早期所出现的肝炎、肝硬化等都都一定有明显的症状出现,肝病患者很难凭自身感受了解到病情的产生,肝脏类疾病一直发展到中期或晚期才会出现明显的症状,但已经耽误了最佳的治疗时机。

肝脏MRI诊断技术亟待挖掘

肝脏疾病种类繁多,按照病因、发病机制及病理状态的不同,可分为局灶性病变和弥漫性病变。肝脏局灶性病变可进一步分为囊性或者实性病变,常见的类型都有数十种之多。这些局灶病变,可以肿瘤或非肿瘤病变,肿瘤病变又有良性恶性之分,诊断与鉴别诊断难度不仅难度大,而且费事费力。

MRI因具有很高的软组织分辨率,可作多种方位的切面成像,其成像参数多,所含信息量大,目前已成为常用的肝脏影像学检查方法。近年来随着MRI软件和硬件的发展,尤其是快速扫描序列和肝组织特异性对比剂的开发应用肝脏MRI检查速度明显加快,图像质量日益改善,诊断的敏感性和特异性显著提高。

肝硬化在MRI上表现比CT或超声更为明显,且在肝硬化背景中发现实性肿物如肝细胞肝癌能力总体上也优于CT及超声。

据北京友谊友谊杨正汉教授介绍,由于肝脏属于软组织器官实质器官,在影像学上是属于天然对比度不好的器官。放射科常用的检查手段有CT和MRI。相比而言,磁共振的软组织对比度要比CT高;MRI增强扫描效果也要比CT增强扫描还好一些;另外,MRI有多种成像技术,提供病变的不同特征信息要比CT丰富很多,比如说DWI可以通过探测活体组织中水分子扩散运动来提供特殊的组织对比,对于肝脏肿瘤的发现或者鉴别诊断和评估都很有帮助;又如MRI还可以有效判断肿瘤是否含有脂肪等信息。

肝脏病种多样,MRI增强还可采用肝胆特异性对比剂对比剂,理论上可以解决绝大多数肝脏诊断问题。“肝脏MRI的好处显而易见,但是缺憾在于规范操作MRI设备且判读图像能力强的影像医生却并不多。由于肝脏本身的复杂特性,光一个脏器就有那么多种病变,MRI有许多影像信息要去学习判断,所以影像医生学习成长过程比较漫长。”谈到肝脏MR的短板时,杨正汉教授感叹说。

北京友谊医院目前是国内最大的磁共振培训中心,每年大概有数千位医生参加友谊的学习班。而半年以上长期学习进修的医生,每年超过200多人。据杨正汉教授分析,不同级别的医院,甚至同一个三甲医院内部的医生之间,不同年资医师之间,其影像水平差距较大。归根结底还是由于MRI技术的难度较大,有经验的医生做培训难度也很大,导致医生们提升慢,使得MRI这项技术并没有充分发挥出应有的能力。

“基于上述原因,我一直在思考能不能借助人工智能来解决这个问题。既然高水平专家能通过MRI影像特征作出的诊断,这说明这些疾病还是有规律可循的,我们可以利用计算机的图像识别能力,给计算机建立一个有效的模型,把一些高水平有经验医生的知识和经验,去教会机器学习,教会人工智能自动去识别肝脏病变。”面对MR人才困境,杨正汉教授想到了用AI去解决行业难题。

“数字肝”全面提升诊断水平

此前,北京友谊医院与数坤科技在冠脉CTA人工智能领域已经开展了非常深入的合作,在杨正汉教授看来,选择开发肝脏MRI辅助诊断系统的合作团队非数坤科技莫属。

“数坤科技此前成功开发出了冠脉CTA智能辅助诊断系统,血管分割做得非常好。而肝脏的分叶分段分析都是基于血管。我们把血管提取出来以后可以做3D重建,这对下一步无论是做肝移植、还是肝胆外科等都有了标准模型。血管结构勾勒出来以后,非血管结构的部分就是病灶了。我们测试了一下目前训练的模型,分割精度Dice值都在0.9以上,最高的已经达到0.96以上,已经能够满足目前临床的一般应用。”杨正汉教授说。

医生拿到病人影像学图像以后,首先要核实患者信息,如病人姓名、年龄、性别、门诊号、住院号,这些方面就可以交给人工智能来存储和识别。这套人工智能还学会了对肝脏磁共振的平扫多序列及增强多时相的自动识别、病灶的自动检出、征象准确识别,最后实现病变性质的智能诊断。这套系统无论对于三甲医院还是其他级别医院的医生都很有帮助。此外,对于一些非腹部影像亚专业的医生,他们在诊断其他部位影像的时候也是需要看看腹部影像的,这套系统就能够帮到这部分影像医生。

中国幅员辽阔,不同地区水平差异很大,不同级别医院,尤其在基层医院,广大的患者和医生都在基层,总体上水平不是很高,所以这套系统对基层也很有帮助。这套系统训练出来以后,将能够全面提升医生的诊断水平,专家们还能够用这套系统,做成一个交互式的教学系统,利用人工智能把高水平的专家的经验让机器学会以后,它还会利用互动的方式,与其他医生做互动式教学。

“北京友谊医院前期与数坤科技成功研发了冠脉CTA的AI系统。而肝脏疾病种类繁多,MRI图像信息丰富,需要识别的征象类型超过50个,因此肝脏MRI AI系统的复杂程度要比冠脉CTA AI系统。目前全球范围内,从发表的论文来看,仅有少数论文涉及到肝脏MRI AI,而且都是单一任务的研究,而此次北京友谊医院与数坤科技联合开发的肝脏MRI AI系统是一个整体诊断方案,有望在肝脏局灶病变MRI智能诊断方面取得突破。”杨正汉教授表示。

杨正汉教授目前担任中国医师协会放射医师分会常务委员兼总干事,中国医师协会消化医师分会消化影像专业委员会主任委员,中国医学影像技术研究会常务理事、副秘书长、放射分会主任委员,中国抗癌协会肿瘤影像专业委员会常务委员兼MRI学组组长,《中华放射学杂志》等专业期刊编委。

 

参考文献:

Epidemiological Features of NAFLD From 1999 to 2018 in China,First published: 03 February 2020 https://doi.org/10.1002/hep.31150

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