大腸癌是全球第二大常見的癌癥，大約90%的病例發(fā)生在50歲以上的人群中。癌細(xì)胞起源于結(jié)腸的內(nèi)表面或肌層，可以穿透結(jié)腸的深層并擴(kuò)散到其他器官。如果不及時治療，這種疾病會危及到人們的生命。

當(dāng)前的結(jié)腸癌篩查是通過柔性結(jié)腸鏡進(jìn)行的。該過程通過使用安裝在內(nèi)窺鏡上的攝像頭對結(jié)腸和直腸的粘膜襯層進(jìn)行目視檢查，然后對出現(xiàn)的異常區(qū)域進(jìn)行活檢以進(jìn)行分析。盡管這是當(dāng)前的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，但它也有缺點。首先，該技能依賴于視覺檢測，但是肉眼很難檢測到小的病變，早期的惡性腫瘤往往被忽略。其次，視覺內(nèi)窺鏡檢查只能檢測腸壁表面的變化，而不能檢測腸壁深層的變化。

華盛頓大學(xué)圣路易斯分校麥凱維工程學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程教授Quing Zhu和生物醫(yī)學(xué)工程博士生Yifeng Zeng正在開發(fā)一種新的成像技能，該技能可以提供準(zhǔn)確，實時的計算機輔助診斷大腸癌。

研究人員利用深度學(xué)習(xí)(一種機器學(xué)習(xí))技能，對來自結(jié)腸組織樣本的26000多幀成像數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，以確定該方法的準(zhǔn)確性。與病理報告相比，在這項初步研究中，他們能夠滿分準(zhǔn)確地鑒別腫瘤。

這是初次將這種類型的成像與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的報告，以區(qū)分健康的大腸組織與癌前息肉和癌性組織。研究結(jié)果發(fā)表在《Theranostics》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上。

這項研究技能基于光學(xué)相干斷層成像(OCT)，這是一種光學(xué)成像技能，已經(jīng)在眼科應(yīng)用了20年，用于拍攝視網(wǎng)膜圖像。然而，麥凱維學(xué)院和其他地方的工程師一直在把這項技能用于其他用途，因為該技能可提供高達(dá)1至2毫米成像深度的高空間和深度分辨率。OCT能檢測健康組織和病變組織對光折射的不同，對癌前病變和早期癌癥的形態(tài)學(xué)改變高度敏感。進(jìn)一步發(fā)展后，該技能可與傳統(tǒng)結(jié)腸鏡檢查一起用作實時，非侵入性成像工具，以協(xié)助篩查位置較深的癌前息肉和早期結(jié)腸癌。

論文的主要作者，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院馬林克羅德射線研究所放射學(xué)教授Quing Zhu說：“我們認(rèn)為，這項技能與結(jié)腸鏡內(nèi)窺鏡相結(jié)合，將對外科醫(yī)生診斷大腸癌非常有幫助。有必要進(jìn)行更多的研究，但是我們的想法是，當(dāng)外科醫(yī)生使用結(jié)腸鏡檢查檢查結(jié)腸表面時，可以將該技能局部放大，以幫助更準(zhǔn)確地診斷較正常組織更深的癌前息肉和早期癌癥?！?/p>

兩年前，這篇論文的主要作者曾開始使用OCT作為研究工具，對醫(yī)學(xué)院從病人身上取下的結(jié)腸直腸組織進(jìn)行成像。他觀察到健康的結(jié)腸直腸組織有一種類似于牙齒的模式。然而，癌前病變和癌組織很少出現(xiàn)這種情況。牙齒的形狀是由結(jié)腸直腸組織的健康粘膜組織的光衰減引起的。

Yifeng Zeng開始與另一位研究生徐世奇(Shiqi Xu)合作，他于2019年從麥凱維工程(McKelvey Engineering)獲得了電氣工程碩士學(xué)位，并且是該論文的主要作者，他們的主要工作是訓(xùn)練視網(wǎng)膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型RetinaNet模式處理數(shù)據(jù)，識別和學(xué)習(xí)組織樣本中的模式。他們使用從患者組織樣本中的20個腫瘤區(qū)域，16個良性區(qū)域和六個其他異常區(qū)域獲取的約26,000張OCT圖像對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練和測試。使用標(biāo)準(zhǔn)組織學(xué)將通過該系統(tǒng)預(yù)測的診斷與組織標(biāo)本的評估進(jìn)行比較。病理學(xué)家Zahra Alipour和Heba Abdelal協(xié)助進(jìn)行了比較。研究小組發(fā)現(xiàn)敏感性為滿分，特異性為99.7%。

“我們的系統(tǒng)的獨特之處在于我們可以探測到圖像中的結(jié)構(gòu)模式，”Zeng說?！袄肙CT，我們可以在所有正常組織中發(fā)現(xiàn)一種模式，然后我們可以用這種模式來分類異常組織和癌變組織，從而做出準(zhǔn)確的診斷?！?/p>

Zhu，Zeng和團(tuán)隊與生物醫(yī)學(xué)工程副教授Chao Chao合作開發(fā)了一種導(dǎo)管，該導(dǎo)管可與結(jié)腸鏡內(nèi)窺鏡同時使用，以分析結(jié)腸組織表面的牙齒狀圖案并從RetinaNet癌癥外科醫(yī)生那里得到一個獲得大腸癌的概率。

Zeng說：“目前，我們可以在4秒鐘內(nèi)獲得反饋，隨著計算速度和導(dǎo)管的進(jìn)一步發(fā)展，我們可以向外科醫(yī)生實時提供反饋。”

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