四川大学华西医院胰腺外科彭兵/李昂/王昕团队：基于人工智能的腹腔镜胆囊切除手术质量控制系统的研发与应用：一项多中心观察性研究

四川大学华西医院胰腺外科彭兵/王昕团队及四川大学华西广安医院李昂团队于2023年4月在International Journal of Surgery（影响因子13.4，JCR学科类别“SURGERY”213种期刊排名第5位）发表文章“SurgSmart: An Artificial Intelligent System for Quality Control in Laparoscopic Cholecystectomy：An Observational Study”。

腹腔镜胆囊切除术（laparoscopic cholecystectomy，LC）是治疗胆囊良性病变的标准手术方法，每年手术量超过200万例。胆道损伤（bile duct injury, BDI）是LC术后的一种严重并发症，对患者健康构成巨大威胁。多项国际指南建议通过术中完成关键安全视野（critical view of safety, CVS）来预防BDI。然而，前期调研显示，目前CVS的完成情况并不理想，导致LC术后BDI的并发症发生率仍然较高。

近年来，随着智能算法的发展，已有研究团队利用AI技术对手术视频开展了初步分析，证实了AI在外科手术领域的应用潜力。因此，在本研究中，我们希望研发一种基于AI算法的多维度LC手术质量控制系统——SurgSmart，能够实现对LC手术阶段、胆囊炎症程度、关键离断动作以及CVS完成度的高精度自动识别。此外，我们计划将SurgSmart智能质控系统应用于中国西南地区多个中心的LC手术视频进行分析，以研究手术安全关键要素——CVS完成度的影响因素（研究流程图详见图1）。

图1　SurgSmart开发流程图

首先，在数据收集、划分与标注阶段，团队与四川大学华西广安医院联合，利用前期构建的真实世界外科数据平台（LC10000），前瞻性收集了2019年10月至2021年9月中国西南地区17家医院的87位主刀医生LC手术视频，共1107例。所有手术视频及主刀医生相关信息均常规收集。根据研究目的，数据集被进一步划分为SurgSmart开发数据集（676例，60%）和SurgSmart应用数据集（431例，40%）。根据前期对术中关键要素的定义，我们分别对影响手术质量的四个关键元素——手术阶段（建立气腹、分离粘连、解剖肝胆三角、剥离胆囊床、取出胆囊、清理术野和背景）、胆囊炎症（轻度、重度）、关键离断动作（夹闭或离断管道）以及CVS得分（0～6分）进行了定义。在完成数据集划分与标注定义后，对数据集进行了双人独立标注工作，标注质量通过Cohen's kappa验证。

随后，根据需要构建算法的不同以及后续工程化应用，我们综合考虑了模型的推理速度、使用参数量、过拟合风险等。选用了多种AI算法（TSM、TRN、YOLOv4、YOLOv4+TSM）进行模型训练、验证及测试。结果表明SurgSmart在所有模型中表现良好（详细数据见原文）。关键离断动作模型准确度最高（98.49%），其次是胆囊炎症程度模型（95.45%）和手术阶段模型（88.61%）。CVSI、CVSII和CVSIII模型准确度分别为88.64%、97.62%和78.87%。整体LC视频分析流程见图2。

图2　SurgSmart手术分析流程图

注：每个颜色条代表一个相应的手术步骤。圆形图标代表无/轻度(M)或严重(S)炎症的疾病严重程度。五角星图标表示关键离断动作（Critical Division Action，CDA）的时间点。红色检测框表示分别提取20/60帧用于Parkland/CVS评估。蓝色检测框表示YOLO v4检测的CVS评估的最小区域。

模型建立后，我们用SurgSmart对系统应用数据集进行分析，探索CVS完成率相关因素。SurgSmart应用数据集分析结果显示中位手术时间为35分钟，其中解剖肝胆三角阶段是耗时最多阶段（11.8分钟）。应用数据集中165例（38.11%）为重度胆囊炎症病例。CVS完成率（总分≥5）仅有4.33%（表1）；气泡图分析结果显示不同医院不同主刀医生之间CVS完成情况有很大差异性（图3）。logistic回归分析结果显示较高的医院等级是CVS完成率高的预测指标，其中相比于县市级医院（County Level），国家级医院（Ministerial Level）优势比（Odd Ratio，OR）为3.717，而州省级医院（Prefectural and Provincial）OR值为2.339（表2）。

表1　SurgSmart初步应用结果

图3　CVS完成率在各医院不同主刀医生间的分布情况

注：每个圆圈代表1名医生，不同圆圈颜色代表该医生来自不同医院，圆圈大小代表该医生的既往LC手术量

表2　logistic回归分析CVS相关因素结果

由此可见，SurgSmart质控系统整合了包括LC手术阶段、胆囊炎症程度、关键离断动作及CVS等手术质量相关要素识别模型，同时实现对上述手术信息的自动高精度识别与即时反馈，从而打开外科手术质控黑箱（Black Box），帮助外科医生发现术中短板，改善提高手术质量。不仅如此，该研究成果也充分展示了人工智能技术在外科手术领域落地应用的可行性以及巨大潜力。目前，研究团队也基于上述研究成果，持续在外科手术教育、远程术中导航、3D术中解剖模型重建与配准、多学科手术智能算法等方面开展研发与落地工作，最终为缩短外科医生学习曲线，提高手术质量做出相应的贡献。

专家点评

杨善林院士：胆道损伤（BDI）是腹腔镜胆囊切除术（LC）常见的严重并发症。由于低水平的关键安全视野（CVS）技术和手术质量控制系统的缺乏，BDI的发生率仍然很高。通过优化胆囊切除术中辨识手术技能、评估手术风险、控制手术质量和提升医生经验等环节，可以缓解BDI的发生。该项研究利用中国西南地区医院的1107例LC视频，开发了智能手术质量控制系统——SurgSmart，从手术阶段识别、疾病严重程度分类、关键动作划分、CVS技术评估4个方面进行手术质量控制，并通过统计分析探究影响CVS技术的因素，为缓解BDI的发生提供了技术支持。基于该研究结果发现，SurgSmart在所有模型预测中都能达到较好结果，尤其在疾病严重程度分类、关键动作划分上准确率高达95%以上，并发现CVS得分与医院等级成正相关，与医生经验无关。该项研究提出了一套利用人工智能技术对腹腔镜胆囊切除术进行主动质量控制的可行方法，能够初步实现手术行为的智能理解与手术技能的客观评价，对推动微创手术智能化发展有着重要作用。

杨善林，中国工程院院士，管理科学与信息系统工程专家，合肥工业大学管理学院教授、博士生导师。现任合肥工业大学学术委员会主任、“智能决策与信息系统”国家地方联合工程研究中心主任，“大数据流通与交易技术”国家工程实验室主任。先后获国家科技进步二等奖2项，省部级科学技术一等奖6项，教育部自然科学一等奖1项，教育部人文社会科学奖1项，撰写出版学术著作5部，在国内外重要期刊和国际学术会议上发表学术论文400余篇。获国家级高等学校教学名师奖、全国五一劳动奖章、复旦管理学杰出贡献奖、首届全国创新争先奖、中国系统工程学会“系统科学与系统工程终身成就奖”、“全国模范教师”等荣誉。

学术兼职：《中国大百科全书（第三版）》管理科学与工程卷主编，教育部科技委战略咨询委员会副主任，中国管理现代化研究会轮值理事长，中国优选法统筹法与经济数学研究会副理事长等。

作者投稿心得

手术完成质量与患者预后息息相关，针对手术视频的分析能够提取关键信息，评估手术质量，但分析工作量巨大，常规开展执行困难。因此，该研究运用AI算法，实现对LC视频的高准确度关键信息提取，以实现手术质量控制。此外，多中心LC视频分析结果也展示出LC手术质量的异质性，进一步说明了手术质控的必要性以及AI算法用于手术质控的前景。International Journal of Surgery是近年外科学领域的高水平期刊，审稿要求严格，审稿专家针对AI算法提出了很多专业意见，我们团队根据审稿意见进行了算法实验补充以及稿件精细化修改，最终成功发表。

通信作者

彭兵，医学博士，主任医师，教授，博士研究生导师，四川大学华西医院胰腺外科副主任。中华医学会外科分会腹腔镜与内镜学组委员、美国外科学院 Fellow（FACS）、IASGO微创外科中国分会委员、中国抗癌协会胰腺癌专业委员微创诊治学组副组长、中国医疗保健国际交流促进会胰腺疾病分会胰腺疾病微创治疗学组副组长、国家远程医疗与互联网医学中心肝胆外科专委会联席主席、四川省医师协会胰腺病分会会长。主编《腹腔镜胰腺外科手术学》《腹腔镜脾脏外科手术学》（人卫社）、《Laparoscopic Surgery of the Spleen》（斯普林格出版社）、《Minimally Invasive Pancreatic Surgery》（AME出版社）。受邀到俄罗斯、亚洲最大的腹腔镜外科培训中心-IRCAD行手术演示和演讲，受邀参加美国SAGES、世界内镜外科大会（WCES）、香港大学玛丽医院等作主题演讲或大会发言，受邀在23个省、直辖市超过120家医院进行演示或指导手术。

共同作者

李昂，四川大学华西医院胰腺外科主任医师、教授、博士研究生导师，四川大学华西广安医院党委书记。四川省学术和技术带头人后备人选；兼任四川省国际医学交流促进会医疗管理与评价分会副会长，四川省医学会急性胰腺炎协作组副组长，四川省抗癌协会胃癌胰腺癌专委会青委副主委，四川省国际医学交流促进会胰腺疾病专委会常务委员，四川省肿瘤协会神经内分泌肿瘤专委会常务委员，四川省医院协会理事会常务理事，四川省医学会器官移植专业委员会委员，四川省医学会外科专委会委员。长期从事胰腺疾病外科的临床、教学及科研工作，主持各级科研课题包括国家自然科学基金面上项目等。在Ann Surg，Clinical Epigenetics等高水平期刊发表研究论文。

共同通信作者

王昕，四川大学华西医院胰腺外科副教授，硕士研究生导师。中华外科青年医师学术研究社胰腺外科研究组核心成员，中国医师协会外科分会机器人学组青年委员，中国研究型医院学组胰腺专委会胰腺微创学组青年委员，中国抗癌协会胰腺癌专业委员会微创诊治学组青年委员，四川省医师协会胰腺病分会青委会副会长，四川省医师协会胰腺病分会秘书。主持国家自然科学基金1项，四川省科技厅项目2项，以第一作者/通信作者发表SCI论文19篇，代表性研究成果发表于Ann Surg Oncol、J Am Coll Surgeons、Int J Surg、Surg Endosc等国际知名期刊，Artificial Intelligence Surgery编委。

第一作者

吴尚蒂，四川大学华西临床医学院胰腺外科硕士研究生在读，以第一作者/共同第一作者在Brit J Surg、Int J Surg、Surg Endosc等国际知名期刊发表SCI论文3篇，主要研究方向为肝胆胰微创外科及智能外科。曾获四川大学优秀研究生荣誉称号。

共同第一作者

陈梓昕，四川大学华西临床医学院胰腺外科博士研究生在读，IHPBA / A-PHPBA 青年会员。博士期间以第一作者/共同第一作者发表论文2篇，主要研究方向为胰腺癌的分子亚型可塑性以及人工智能在微创外科手术技术评估中的应用，曾获华西医联体杯首届腹腔镜胆囊切除视频智能评比大赛二等奖、四川大学优秀研究生荣誉称号。

共同第一作者

刘润文，四川大学华西临床医学院外科学硕士研究生。成都与睿创新科技有限公司高级临床医学专员，以第一作者/共同第一作者在BJS、JACS、Frontier in Surgery等国际期刊发表SCI论文7篇，参加多项国家级与省部级项目。曾获四川大学优秀研究生荣誉称号。 

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编辑：苟　莉

排版：张洪雪

寄　语

四川大学华西临床医学院/华西医院院长 李为民

早在1980年，当时的四川医学院附属医院精神科刘协和教授在British Journal of Psychiatry上发表题为“Mental-health Work in Sichuan”的论文，开启四川大学华西医院SCI论文发表之先河。2001年5月，华西医科大学附属第一医院更名为四川大学华西医院。此后，我院SCI论文发表数量逐年增长，2018年我院师生以第一作者身份发表SCI论文达到1504篇。2018年3月，四川大学临床医学学科领域首次排名进入前1‰行列，根据被引频次排序，排名世界第411位，国内第8位。2014~2018年期间，我院师生以第一作者身份发表在顶级期刊（Nature、Science、Cell、NEJM、JAMA、Lancet）和学科排名前5%期刊的论文达308篇。经过近20年的发展，四川大学华西医院通过建制度、搭平台、聚人才走出了一条具有自身特色的科研创新之路。

为了进一步提升学科影响力，医院科技部牵头启动“大刊论文解读”项目。一为促进研究成果传播、转化与应用，提升华西研究的影响力；二为介绍研究在选题、设计、实施、分析、报告、投稿中的体会，促进全院师生提升研究能力，更多发表高水平论文；三为介绍研究团队、学科，促进院内外广泛的交流与合作。

该项目首期精选了我院师生2016~2018年期间发表在学科排名前5%期刊的论文，邀请作者团队进行解读，同时邀请国内外同行专家进行点评，挖掘研究的背景和意义、方法的创新与特色、成果的应用和转化价值。通过医院门户网站、“华西微家”、期刊社门户网站和“华西医学时间”公众号发布，并在《华西医学》杂志开辟专栏刊载优秀论文的深度解读。后期，还将通过组织学术沙龙、论坛等形式搭建面对面交流的平台，促进学术交流与学科交叉融合。

希望通过以上举措提升我院临床创新能力，特别是临床研究水平和加快转化应用，推进世界一流学科的建设步伐，更好应对国家经济社会发展的新需求和人民群众对医疗健康服务的新需要。

华西期刊社简介

四川大学华西医院华西期刊社成立于2006年，出版有14种医学科技期刊（9种中文和5种英文），其中SCI收录期刊2种，ESCI收录期刊1种，EI收录期刊1种、MEDLINE收录期刊4种、CSCD收录期刊7种、北大中文核心期刊要目总览收录期刊6种。华西期刊屡获“中国出版政府奖期刊奖”、“中国百种杰出学术期刊”、“中国精品科技期刊”、“中国最具国际影响力学术期刊”等殊荣。1种期刊入选“中国科技期刊卓越行动计划——领军期刊”项目，2种期刊入选“中国科技期刊国际影响力提升计划——D类（现：中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊）”项目。在国家双一流建设背景下华西期刊社加快推进英文期刊建设，目前已与Nature、Wiley-Blackwell、Oxford University Press、BMC等国际一流出版集团建立了合作关系。

本文转自公众号华西医学时间   

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