徐金明医生：人工智能一体化三维重建应用于胸外科的中国专家共识解读

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性肿瘤，并占恶性肿瘤发病率的第二位及死亡率的第一位。基于人工智能（Artificial Intelligence, 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。

1 三维重建辅助肺结节良恶性判别

既往对小结节的判别多基于计算机体层摄影（computed tomography, CT）的二维影像特征，存在对肺段等精细解剖部位的识别不佳，对胸外科医师空间重构能力要求较高等问题尚未解决。三维重建对肺结节的判别具有重要意义。

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-planar reformatting , MPR）、最大强度投影法（maximum intensity projection，MIP）、容积再现（volume rendering, VR）等，以多层螺旋CT为基础的三维重建在磨玻璃结节（ground glass opacity nodule, GGO）诊治中应用广泛。高分辨率CT（high resolution CT, HRCT）相比普通CT能更准确地定位处肺部结节病灶，明显提高了磨玻璃结节尤其是小直径结节的检出率，这些优势基于连续，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。高分辨率的三维重建技术极大地提升了影像质量，从而更真实地展现出结节的解剖结构，清楚地显示肺结节内部的密度变化、边缘特征、其周边及内部的小血管、细支气管影与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（Virtual Reality, VR）也已经在多项针对肺部磨玻璃结节的研究及应用中取得应用。

2. 人工智能联合三维重建对肺结节良恶性判定

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。近年来大热的人工智能辅助诊断技术，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。人工智能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。但是，考虑到人工智能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^[1]。

2 三维重建辅助肺部结节术式规划

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，可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^[2-5]。

3 三维重建辅助胸部其他疾病诊治

1. 三维重建辅助胸腔大肿瘤手术评估

手术切除是治疗胸腔巨大肿瘤的主要方法，但由于胸腔大肿瘤病理类型复杂、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。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。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、降低手术风险[6]。利用CT、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^[7]。

2. 三维重建辅助胸壁疾病诊治

多层螺旋CT的三维重建相比于X线平片能够提高肋骨骨折的检出率，同时对胸骨骨折的诊断准确性也要优于X线平片^[8]。三维CT图像重建技术可以辅助定位肋骨骨折，以及设计规划手术切口和手术方式^[9]，甚至评估胸腔内器官损伤情况。尤其一些胸部创伤患者，特别是车祸或者工伤涉及的伤残鉴定及赔偿时，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^[10]。

此外，三维重建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，提供手术精准度，减少手术时长，加速患者术后康复，减少住院时间。三维重建能明确鸡胸、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^{[11, 12]}。 

总之，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。

专家述评

人工智能是目前全球高新技术发展的重要标志之一。三维重建技术是在人工智能基础上应用于微创外科（尤其是胸外科）的重要技术体现。胸外科微创肺部手术技术在诸多高新技术的助力下已从经典开放手术实现了微创、精准手术的转化。如何进一步实现精细化手术，尤其是以肺段、亚肺段、联合亚肺段及肺段袖式为代表的术式？人工智能一体化三维重建技术将在其中发挥关键作用。本共识通过相关解读，重点就如何准确分析病灶，实现术前规划和导航，提高手术安全性，模拟手术和培训等多维度模式，为患者带来最优化的个体化治疗方案。

人工智能和三维重建技术的融合标志着胸外科领域手术技术的创新发展，将在今后得到进一步发展和示范应用。

参考文献

1. Wang S, Zhou M, Liu Z, Liu Z, Gu D, Zang Y, Dong D, Gevaert O, Tian J. Central focused convolutional neural networks: Developing a data-driven model for lung nodule segmentation. Medical image analysis 2017; 40: 172-83.

2. Xu G, Chen C, Zheng W, Zhu Y, Chen H, Cai B. Application of the IQQA-3D imaging interpretation and analysis system in uniportal video-assisted thoracoscopic anatomical segmentectomy: a series study. Journal of thoracic disease 2019; 11(5): 2058-66.

3. Seong YW, Jeon JH, Jang HJ, Cho S, Jheon S, Kim K. Video-assisted thoracic surgery sleeve rep and bronchoplasty using 3D imaging system: its safety and efficacy. Journal of cardiothoracic surgery 2021; 16(1): 302.

4. She XW, Gu YB, Xu C, Li C, Ding C, Chen J, Zhao J. Three-dimensional (3D)- computed tomography bronchography and angiography combined with 3D-video-assisted thoracic surgery (VATS) versus conventional 2D-VATS anatomic pulmonary segmentectomy for the treatment of non-small cell lung cancer. Thoracic cancer 2018; 9(2): 305-9.

5. Wu Z, Huang Z, Qin Y, Jiao W. Progress in three-dimensional computed tomography reconstruction in anatomic pulmonary segmentectomy. Thoracic cancer 2022; 13(13): 1881-7.

6. 冯振. 胸腔巨大肿瘤手术预后分析及三维重建影像技术临床应用研究 [博士]: 山东大学; 2017.

7. 魏鑫. 三维重建模型在微创食管癌根治术中的应用研究 [硕士]: 河南大学; 2020.

8. Majercik S, Pieracci FM. Chest Wall Trauma. Thoracic surgery clinics 2017; 27(2): 113-21.

9. Senekjian L, Nirula R. Rib Fracture Fixation: Indications and Outcomes. Critical care clinics 2017; 33(1): 153-65.

10. 中国医师协会胸外科医师分会创伤外科学组. 肋骨胸骨肺部创伤诊治专家共识(2022版). 中国胸心血管外科临床杂志 2023; 30(1).

11. Bellia-Munzon G, Martinez J, Toselli L, Nazar Peirano M, Sanjurjo D, Vallee M, Martinez-Ferro M. From bench to bedside: 3D reconstruction and printing as a valuable tool for the chest wall surgeon. Journal of pediatric surgery 2020; 55(12): 2703-9.

12. Pretorius ES, Haller JA, Fishman EK. Spiral CT with 3D reconstruction in children requiring reoperation for failure of chest wall growth after pectus excavatum surgery. Preliminary observations. Clinical imaging 1998; 22(2): 108-16.