人工神经网络在晚期肝癌治疗计划系统中的应用

2013-12-23罗保平罗文新唐玉琼胡爱红何敢想

华中科技大学学报（医学版） 2013年2期

罗保平，罗文新△，唐玉琼，袁俊，胡爱红，尹红，何敢想

1湖北中医药大学附属医院血管外科，武汉 430061

2湖北省肿瘤医院乳腺科，武汉 430079

计算机人工神经网络系统已广泛应用于各项科学研究，但在肿瘤的治疗中鲜有人涉及。我们经过近20年的研究，经历了从Turbor C 2.00到Visual C＋＋6.0的不断换代改进，获得了一些成果。我们以复杂的化学治疗为契点，进行了一些尝试，应用人工神经网络系统，成功编制出肝癌的治疗计划系统。

1 材料与方法

1.1 设计原理

参考Willshow－von der Malsburg模式，分别以临床症状、体征、诊断、辅助检查等重要病理生理状态为类对象（class）。在类对象模块结构中采用两维形式排列输入输出两层神经网络，输入层的每条神经元与输出层对应的一条神经元联结，诊断模块以这些类对象的输出神经为输入神经，再将与之相对应的输出神经传入治疗模块，最后得出结果（图1）。

图1 人工神经网络模块互联结构图Fig.1 Artificial nerve network module interconnection diagram

1.2 建立数据库

包括数字人体的结构数据库、诊断数据库、单药药理数据库［1］，联合化疗方案的数据库［2－3］。设立自定义类对象，量化一般情况、体力评分等指标。建立诊断、脏器功能、化疗方案之间的神经网络［1］。

1.3 设备配置

PentenⅡ电脑一台。软件编排：根据患者的临床症状、体征、诊断、辅助检查等重要病理生理状态，将减症放疗、动脉介入栓塞化疗等一系列治疗方法存入治疗方案库，模拟神经系统工作原理，建立神经网络（图2）。

图2 程序设计流程图Fig.2 Flow chart of program design

1.4 临床资料

验证模型病例。选择符合晚期肝癌诊断［4］的患者260例，其中男174例，女86例。将患者随机分为2组，治疗组（treatment group，TG）：122 例，男87例，女35 例，男女之比8∶3；对照组（control group，CG）：138 例，男87 例，女51 例，男女之比8.7∶5。

1.5 Ⅳ期原发性晚期肝癌诊断标准

参见文献［4］。①CT 发现肝脏实质性病变；门脉、腔静脉内发现癌栓；②A－FP＞500ng／mL；③按TNM 分型：T4N1M0为Ⅳa期，T4N1M1为Ⅳb期；④血清直接胆红素＞40μmol／L；⑤明显腹水或胸水；⑥肺、脑等脏器发现明显转移灶。

1.6 治疗方法

参见文献［2－3，5－9］。治疗组根据人工神经网络治疗系统选择以下一种或多种治疗方案，对照组通过医疗专家制定以下的一种或多种治疗方案：①肿瘤手术治疗（OP）；②肝动脉介入栓塞灌注化疗（LAI）；③肝门区放疗（RT）；④置入式输注器植入术（PI）；⑤瘤体内无水乙醇注射（AA）；⑥免疫治疗（IT）；⑦中药治疗（TH）；⑧单纯对症处理（DW）；⑨全身化疗（WC）。

1.7 统计学方法

采用SPSS 13.0统计软件处理数据。计量资料组间均数比较采用t检验，计数资料组间比较采用χ2检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 疗效评定标准

参见文献［4］。①完全缓解（CR）：肿瘤完全消失，持续1月；②部分缓解（PR）：肿瘤最大直径与最小直径的乘积减少50%以上，持续1 月；③好转（MR）：肿瘤最大直径与最小直径的乘积减少＞25%，但小于50%；④稳定（SD）：肿瘤最大直径与最小直径的乘积增大或缩小＜25%；⑤恶化（PD）：肿瘤两径乘积增大＞25%或出现新病灶。

2.2 治疗方法统计

见表1。编排的程序，力争包括各种可能的治疗方案。

表1 治疗方法统计（例）Table 1 Statistics of treatment methods（cases）

2.3 不同并发症的统计

见表2。分析影响因素的模块基本包括了大部分常见的并发症。

表2 肝癌不同并发症的统计（例）Table 2 Statistics of liver cancer complications（cases）

2.4 肝癌转移灶的统计

见表3。转移灶的治疗模块中，力争较全面地编排各种重要脏器转移灶。

表3 肝癌转移灶的统计（例）Table 3 Statistics of liver cancer metastases（cases）

2.5 治疗前、后肝癌患者肝功能的比较

见表4。根据人工神经网络治疗系统选择治疗方案的病例，肝功能恢复较快。

表4 治疗前、后（30～60d）肝癌患者肝功能的比较（±s）Table 4 Before and after treatment（30～60d）comparison of liver cancer in patients with liver function（±s）

与同组治疗前比较＊P＜0.01；与CG 组治疗后比较△P＜0.01

组别n时间Tbili（μmol／L）Dbili（μmol／L）ALP（U／L）ALT（U／L）AST（U／L）TG 122治疗前342±94 270±110 181±114 277±145 266±144治疗后110±84＊△87±73＊△125±54＊72±49＊△95±76＊△CG 138治疗前348±79 270±94 159±120 276±143 259±147治疗后236±42 191±42 156±54 198±114 186±79

2.6 肝癌治疗后缓解情况

见表5。根据人工神经网络治疗系统选择治疗方案的病例缓解率较高。

表5 肝癌治疗后（250～350d）缓解情况（例）Table 5 Alleviate the situation in the treatment of liver cancer（250－350d）（cases）

2.7 晚期肝癌患者治疗后（1月）腹水消失情况

见表6。TG 组中腹水患者114例，CG 组中腹水患者103例，根据人工神经网络治疗系统选择治疗方案的患者，其腹水消失较快。

表6 晚期肝癌患者治疗（1月）后腹水消失情况（例）Table 6 The situation for ascites disappeared after one month of treatment in patients with advanced liver cancer（cases）

2.8 晚期肝癌患者治疗后存活时间比较

见表7。治疗后的2 年中对患者进行随访，其中TG 组有6人失访，6人继而转入其它医院治疗。CG 组中有14人失访，16人转入其它医院治疗。根据人工神经网络治疗系统选择治疗方案的病例存活时间明显延长。

表7 晚期肝癌患者治疗后存活时间比较（例）Table 7 The comparison of survival in patients with advanced liver cancer after treatment（cases）

3 讨论

原发性肝癌是恶性度很高的癌症，晚期肝癌更难治疗。肿瘤患者的个体差异较大，决定治疗方案的临床影响因素较多，普通的计算机软件很难处理这种临床多变的复杂过程。人工神经网络在处理这些复杂过程时，有极强的优势。肿瘤治疗的人工智能系统很少有人研究，临床还没有实用可靠的治疗计划系统。近五年来，我们应用人工神经网络系统，使用自已建立的肝癌治疗系统，采用局部放疗、肝动脉介入栓塞化疗、置入式输注器植入术等一系列先进方法，使部分晚期肝癌患者的生存期明显延长［10］。

我们将人体生理病理状态标准、化疗方案、患者的生理病理状态等资料量化，以结构的形式贮入资料库，以治疗方法为类对象，人工神经网络全部以类中public函数的形式建立。先确定各严重并发症的治疗方法，然后，在编制程序时，设置症状、体征、辅助检查、诊断、治疗等多个分支程序或模块，用人工神经网络系统将所患疾病、并发症、肿瘤的浸润指数［11］、各重要脏器功能与治疗方案联系起来。参考Willshow－von der Malsburg 模式，分别以临床症状、体征、诊断、辅助检查等重要病理生理状态为类对象（class）。在类对象模块结构中采用两维形式排列输入输出两层神经网络，输入层的每条神经元与输出层对应的一条神经元联结，且有独立计算的能力。诊断模块以这些类对象的输出神经为输入神经，再将与之相对应的输出神经传入治疗模块，最后得出结果。

近年来，肿瘤治疗的进展很快，技术设备也变得越来越复杂。综合治疗是目前公认的最有效的治疗方法，放疗、化疗、手术的先后顺序是目前争论的焦点。抽象地强调综合治疗已不能满足当前需要。量化各治疗方法的指标，排列各治疗方法的先后顺序，是人工神经网络需要解决的首要问题。

我们把局部放疗、肝动脉介入局部灌注、栓塞化疗、瘤体内无水乙醇注射、置入式输注器植入术等一系列先进方法，按治疗常规，预先设定的程序，输入计算机，建立治疗计划系统。

人工神经网络的治疗模块中，可随时添加一些小的模块。如门脉癌栓腹水时，使用小剂量顺铂腹腔注射化疗加肝门区适量放射治疗。人工神经网络治疗系统以这些并发症的特殊治疗模块为类对象，输入输出神经分别设置为输入输出函数，治疗模块中以case：break；分支语句编排。以腹水、黄疸、肺转移、脑转移的治疗为对象，以多级分支程序编排。

阻塞性黄疸是晚期肝癌的治疗中最棘手的问题。晚期肝癌患者的肿瘤常压制胆管，形成不易控制的黄疸或肝功能损害，黄疸的程度常和肝功能损害程度成正比。患者常常已不能承受化疗打击。因此，治疗模块中把控制黄疸为首要的类对象。

在治疗程序中，用人工神经网络统一了探察手术标准，避免了不必要的死亡，减轻了患者负担，提高了生存率。

晚期肝癌患者的肿瘤体积一般较大，普通治疗难以奏效。只有完全阻断血液供应，才有治愈的可能。因此，介入栓塞治疗是关键，必须尽早采用肝动脉灌注或栓塞。我们的人工神经网络治疗系统把它列入了主程序，然后用一长串的IF 语句，确定其它辅助治疗方案。

由于多数肿瘤诊断的手段有限，诊疗水平参差不齐，肿瘤患者的个体差异较大，决定治疗方案的临床影响因素较多，且量化治疗方法指标，排列治疗方法的先后顺序，很难有一个统一标准，所以大面积推广这种人工神经网络治疗系统可能会有一定困难。

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［6］陈星荣，林贵，夏宝枢，等.介入放射学［M］.上海：上海医科大学出版社，1989：44－47.

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