Nature Medicine：達(dá)摩院醫(yī)療AI攻克胰腺癌早篩難題

2023.11.21

　　胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)是最致命的實(shí)體惡性腫瘤，通常在晚期和不能手術(shù)的階段被發(fā)現(xiàn)。早期或偶然發(fā)現(xiàn)與延長生存期有關(guān)，但由于低患病率和假陽性的潛在危害，使用單一檢測篩查無癥狀的PDAC個(gè)體仍然是不可行的。平掃CT通常用于臨床適應(yīng)癥，為大規(guī)模篩查提供了潛力，然而，使用平掃CT識別PDAC一直被認(rèn)為是不可能的。

　　近期，基于阿里達(dá)摩院醫(yī)療AI，上海市胰腺疾病研究所、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院、復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院、布拉格查理大學(xué)第一附屬醫(yī)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院、哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院等機(jī)構(gòu)合作在頂級期刊Nature Medicine 發(fā)表題為“Large-scale pancreatic cancer detection via non-contrast CT and deep learning”的研究論文，該文章首次提出以“平掃CT+AI”進(jìn)行大規(guī)模的胰腺癌早期篩查。該研究開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)的方法，稱為胰腺癌人工智能檢測（Pancreatic Cancer Detection with Artificial Intelligence，PANDA），可以通過平掃CT檢測和分類胰腺病變，實(shí)現(xiàn)高精度的診斷。

　　PANDA是在來自單個(gè)中心的3,208名患者的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練的。對于病變檢測，PANDA在涉及10個(gè)中心6239名患者的多中心驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)了受試者工作特征曲線下面積(AUC)為0.986-0.996，在PDAC識別的敏感性和特異性上優(yōu)于放射科醫(yī)生分別是「平均評分34.1%和6.3%」，在包括20,530名連續(xù)患者的真實(shí)多場景驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)了病變檢測的靈敏度為92.9%，特異性為99.9%，在2萬多人的真實(shí)病例回顧性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了31例臨床漏診病變，有2例早期胰腺癌病患已完成手術(shù)治愈。值得注意的是，在鑒別常見胰腺病變亞型方面，與影像學(xué)報(bào)告(使用增強(qiáng)CT)相比，PANDA應(yīng)用于平掃CT顯示出非劣勢。PANDA有可能成為大規(guī)模胰腺癌篩查的新工具。

　　胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）是全球最致命的實(shí)體惡性腫瘤，每年導(dǎo)致約466,000例死亡。盡管PDAC預(yù)后不佳，但其早期或偶發(fā)性檢測已被證明可以顯著改善患者的生存率。最近的研究表明，通過篩查發(fā)現(xiàn)PDAC的高風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體具有較長的中位總體生存期，為9.8年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過那些通過標(biāo)準(zhǔn)臨床診斷技術(shù)以外的方式診斷的患者，其中位生存期為1.5年。因此，PDAC的篩查對于降低PDAC相關(guān)的死亡率具有最大的希望。然而，由于PDAC的相對低發(fā)生率，有效的全面篩查需要高靈敏度和異常高的特異性，以減輕過度診斷的風(fēng)險(xiǎn)。目前的篩查技術(shù)在這方面存在局限，因此亟需在普通人群中進(jìn)行實(shí)施。

　　平掃CT廣泛應(yīng)用于低資源地區(qū)的體檢中心和醫(yī)院。與增強(qiáng)CT相比（這是診斷PDAC的主要成像模態(tài)），平掃CT使患者暴露于較低的輻射劑量，并消除了對造影劑不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。除了在急診科和社區(qū)醫(yī)院常規(guī)使用的腹部平掃CT外，胸部平掃CT還可以完全或部分掃描胰腺區(qū)域，是多種臨床場景中執(zhí)行的最頻繁的CT檢查（幾乎占所有執(zhí)行的CT檢查的40%），如肺癌篩查。盡管即使對經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)生來說，從平掃CT中識別PDAC也具有挑戰(zhàn)性，但最近的研究表明，人工智能（AI）可以在各種醫(yī)學(xué)圖像分析任務(wù)上與或超過人類專家，而且AI能夠從常規(guī)圖像中合成增強(qiáng)對比的醫(yī)學(xué)圖像?；谄綊逤T的基于AI的機(jī)會性篩查具有在多個(gè)臨床領(lǐng)域推進(jìn)PDAC早期檢測的潛力，而且成本和輻射暴露極小。

　　什么是PANDA？

　　針對胰腺癌變位置隱匿、在平掃CT圖像中無明顯表征等特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的深度學(xué)習(xí)框架，最終訓(xùn)練為胰腺癌早期檢測模型PANDA：第一階段涉及胰腺定位，使用nnU-Net模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。第二階段進(jìn)行病變檢測，作者構(gòu)建了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNNs）以及一個(gè)分類頭，以區(qū)分平掃CT中病變的微小紋理變化。我們調(diào)整模型，以在訓(xùn)練集的交叉驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)99%的病變檢測特異性，以減少假陽性預(yù)測。第三階段涉及對胰腺病變進(jìn)行不同診斷，如果在第二階段檢測到任何異常，將與輔助記憶變壓器分支集成，以自動編碼胰腺病變的特征原型，如局部紋理、位置和胰腺形狀，以進(jìn)行更準(zhǔn)確的細(xì)粒度分類。其原理，簡而言之，利用AI放大并識別平掃CT圖像中那些肉眼難以識別的細(xì)微的病灶特征。

PANDA的開發(fā)、評估和臨床轉(zhuǎn)化概述（圖片源自Nature Medicine ）

　　模型驗(yàn)證

　　該模型構(gòu)建了一個(gè)包含3208名真實(shí)病人的訓(xùn)練集，最終通過了10家醫(yī)院或高校包含6239名病人的多中心驗(yàn)證，以及約2萬名連續(xù)病人的真實(shí)世界臨床驗(yàn)證，在胰腺癌以及相關(guān)腫瘤病變的鑒別診斷精度上絲毫不遜色于三甲醫(yī)院的CT影像報(bào)告，其胰腺癌識別敏感性相較于人工診斷提高了34.1%，特異性提高了6.3%。

　　作者的獨(dú)立內(nèi)部測試隊(duì)列包括來自SIPD的291名患者（108名PDAC患者，67名非PDAC患者和116名正常對照）。這些患者標(biāo)簽在手術(shù)病理學(xué)或2年的隨訪中得到確認(rèn)。對于病變檢測，PANDA在接收操作特征曲線（ROC曲線）下的面積（AUC）為0.996（95%置信區(qū)間（CI）0.991-1.00），靈敏度為94.9%（95% CI 91.4-97.8%），特異性為100%（95% CI 100-100%）；對于PDAC亞組，檢測的靈敏性總體為97.2%（95% CI 93.5-100%），其中I期為97.1%（95% CI 91.4-100%；n = 35），II期為96.2%（95% CI 90.4-100%；n = 52；）。對于小的PDAC（直徑<2 cm，T1期），檢測的靈敏度為85.7%（95% CI 64.3-100%；n = 14；）。對于PDAC鑒別，AUC為0.987（95% CI 0.975-0.996），靈敏度為92.6%（95% CI 87.3-97.0%），特異性為97.3%（95% CI 94.6-99.5%）。

真實(shí)臨床評價(jià)（圖片源自Nature Medicine ）

　　同時(shí)通過閱片者實(shí)驗(yàn)，比較了PANDA與一組非增強(qiáng)CT掃描的閱片者，包括胰腺成像專家、一般放射科醫(yī)生和放射科住院醫(yī)生。結(jié)果顯示，PANDA在病變檢測和胰腺癌（PDAC）鑒別方面顯著優(yōu)于平均閱片者表現(xiàn)。在第二項(xiàng)研究中，PANDA在非增強(qiáng)CT掃描中與專業(yè)的胰腺成像專家閱片的表現(xiàn)進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，PANDA在病變檢測和PDAC鑒別方面的性能略優(yōu)于專業(yè)閱片者。

　　具體而言，第一項(xiàng)研究包括33名閱片者，對291例非增強(qiáng)CT掃描進(jìn)行解讀。與CT圖像一起，閱片者還獲得了每個(gè)患者的年齡和性別，并將每個(gè)病例評定為PDAC、非PDAC或正常。結(jié)果表明，PANDA的性能顯著優(yōu)于平均閱片者，尤其是在病變檢測和PDAC鑒別方面。在第二項(xiàng)研究中，15名專業(yè)的胰腺成像專家解讀了相同291例患者的多相增強(qiáng)CT掃描，PANDA在非增強(qiáng)CT掃描中的表現(xiàn)略優(yōu)于專業(yè)閱片者使用增強(qiáng)CT掃描的平均性能。

　　此外，研究者還提到，在第一項(xiàng)研究的一月冷卻期后，閱片者在得到AI輔助后的表現(xiàn)進(jìn)一步提高，特別是在非專業(yè)閱片者中。總體而言，這項(xiàng)研究結(jié)果表明，PANDA對于非增強(qiáng)CT掃描中的胰腺疾病的診斷具有顯著的輔助作用，尤其是在非專業(yè)閱片者中。

　　社會意義

　　早期診斷和治療：平掃CT的簡便性和低成本使得更多人能夠接受胰腺癌篩查。通過早期發(fā)現(xiàn)胰腺癌，可以提高患者接受治療的機(jī)會，從而提高治愈率。

　　降低醫(yī)療成本：與一些昂貴的篩查方法相比，平掃CT是一種相對經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法。這將有助于減輕醫(yī)療系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使更多人能夠接受定期檢查，提高早期診斷的機(jī)會。

　　提高篩查覆蓋率：由于平掃CT的簡單性和廣泛的可用性，可以更容易地在社區(qū)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)中推廣，提高胰腺癌篩查的覆蓋率。這有助于確保更多人能夠及時(shí)接受篩查，促進(jìn)早期發(fā)現(xiàn)。

　　減輕患者負(fù)擔(dān)：相比于一些需要復(fù)雜準(zhǔn)備或昂貴費(fèi)用的篩查方法，平掃CT對患者來說更為方便和經(jīng)濟(jì)。這可能會降低患者對篩查的抵觸情緒，增加他們接受定期檢查的意愿。

　　社會健康影響：通過早期發(fā)現(xiàn)和治療胰腺癌，可以減少患者的痛苦，提高生存率，有助于維護(hù)社會的整體健康。

　　當(dāng)前，AI已深入應(yīng)用于醫(yī)療流程等方方面面。在一些基于醫(yī)學(xué)圖像的疾病檢測及診斷任務(wù)上，AI展現(xiàn)超人的性能，尤其是在放射影像科、病理科等擁有大量臨床數(shù)據(jù)的科室，AI作為輔助診斷的工具，開始幫助醫(yī)生分擔(dān)部分工作，提高醫(yī)療決策的準(zhǔn)確性與效率。

　　達(dá)摩院始終專注于以醫(yī)學(xué)圖像AI為核心的精準(zhǔn)癌癥治療全流程，研發(fā)了包括規(guī)模篩查、精準(zhǔn)診斷、預(yù)后治療、響應(yīng)評估在內(nèi)的全流程的癌癥診療技術(shù)，陸續(xù)在胰腺癌、食管癌肺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌等高發(fā)癌癥的識別、篩查上取得階段性進(jìn)展，研究成果先后登上《Nature Communications》等醫(yī)學(xué)頂級期刊及CVPR/MICCAI/IPMI等AI頂會。

　　“AI應(yīng)該解決那些尚未得到解決、而病人又真切需要的臨床需求。我們需要在病人性命攸關(guān)的臨床問題上，做出不可或缺的貢獻(xiàn)?！?達(dá)摩院醫(yī)療AI團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、IEEE Fellow呂樂表示。這是達(dá)摩院醫(yī)療AI團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人對于技術(shù)的第一性原則，也是達(dá)摩院長期致力于AI與醫(yī)學(xué)影像的融合研究的出發(fā)點(diǎn)。

　　據(jù)介紹，達(dá)摩院與浙大一院、復(fù)旦腫瘤、北醫(yī)三院等多家三甲醫(yī)院建立深厚的臨床科研合作關(guān)系，其醫(yī)療AI產(chǎn)品已成功對接落地30+家醫(yī)療影像合作伙伴，累計(jì)落地醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)達(dá)1000+家，為全球2000+萬人次提供智能化醫(yī)療健康服務(wù)。

胰腺癌 AI ai 早篩

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