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人工智能算法在胶囊内镜检查小肠的应用

CDA数据分析师

2023-06-08

导读：痛点：小肠胶囊内镜检查(SBCE)目前是诊断各种SB疾病的主要方法，在SBCE前进行适当的肠道准备对于改善小

痛点：小肠胶囊内镜检查(SBCE)目前是诊断各种SB疾病的主要方法，在SBCE前进行适当的肠道准备对于改善小肠粘膜可视化非常重要。

众所周知，低质量的SBCE图像对SB病理学的诊断具有显着的负面影响，尤其是恶性肿瘤。最近，一项使用PillCam（GIVEN Imaging Ltd.，Yoqneam，Israel）图像训练的人工智能 (AI) 算法进行了研究。这种经过验证的 AI 算法计算了全长SB图像的客观和自动化SB清洁度分数。

场景：医学检测器与人工智能算法的结合应用，更智能和自动化，是智慧医学的发展。

问题

如果怀疑有活动性小肠疾病，可能需要在结肠镜检查后立即进行小肠胶囊内镜检查(SBCE)，无需额外的肠道准备。然而，尚不清楚即使在结肠镜检查后立即进行SBCE后小肠清洁度是否得到充分维持。我们使用经过验证的人工智能 (AI) 算法（临界值>3.25为足够）比较了研究组（结肠镜检查后立即进行 SBCE）和对照组（仅 SBCE）的小肠清洁度评分。回顾性纳入了使用聚乙二醇的 SBCE 病例。85例入组病例中，50例（58.8%）为研究组。从最后一次服用泻药到 SBCE 的平均时间，研究组为6.86 ± 0.94小时，对照组为3.00 ± 0.18小时。75例（88.2%）小肠清洁度良好，两组无差异。研究组的平均小肠清洁评分为3.970 ± 0.603，而对照组为 3.937 ± 0.428。在研究组中，更好的结肠准备导致更高的小肠清洁评分 (p = 0.015)。结肠镜检查后立即在 SBCE 中也充分保持小肠清洁。泻药给药的时间和量与小肠清洁度之间没有差异。更好的结肠准备导致更高的小肠清洁度评分 (p = 0.015)。结肠镜检查后立即在 SBCE 中也充分保持小肠清洁。泻药给药的时间和量与小肠清洁度之间没有差异。更好的结肠准备导致更高的小肠清洁度评分 (p = 0.015)。结肠镜检查后立即在 SBCE 中也充分保持小肠清洁。泻药给药的时间和量与小肠清洁度之间没有差异。

解决方法

小肠胶囊内镜检查 (SBCE) 目前是诊断各种 SB 疾病的主要方法，例如不明原因的胃肠道 (GI) 出血、已知或疑似无狭窄的 SB 克罗恩病、小肠肿瘤或息肉病以及难治性与传统的内窥镜检查不同，在 SBCE 检查期间不能主动进行肠道清洁。因此，在 SBCE 前进行适当的肠道准备对于改善小肠粘膜可视化非常重要。

对于结肠镜检查前的肠道准备，欧洲胃肠内镜学会 (ESGE) 建议分次准备或当日准备择期结肠镜检查。ESGE 还建议最后一剂泻药在结肠镜检查前 5 小时内服用，并在结肠镜检查前 2 小时服完。美国胃肠内窥镜检查协会 (ASGE) 建议在内窥镜检查前 3 至 8 小时开始服用第二剂泻药。然而，对于SBCE的肠道准备时间和方法的共识仍然存在争议7。

如果对非严重 GI 出血患者进行上消化道内镜检查和结肠镜检查后怀疑 SB 出血，则进行 SBCE。在这种情况下，建议尽快进行SBCE以提高 SB 出血的诊断率。当结肠镜检查怀疑非梗阻性 SB 克罗恩病时，也应考虑 SBCE 。SBCE 可能需要在结肠镜检查后立即进行。众所周知，低质量的 SBCE 图像对 SB 病理学的诊断具有显着的负面影响，尤其是恶性肿瘤。

然而，结肠镜检查后立即进行SBCE时SB清洁度是否足够尚缺乏研究。如果在结肠镜检查后立即在 SBCE 中 SB 清洁度明显较差，则可能需要在结肠镜检查后和 SBCE 前进行额外准备。然而，对 SBCE 进行额外的泻下给药或禁食对患者来说也是一种负担，并且存在延误诊断的风险。因此，有必要比较结肠镜检查后立即进行的 SBCE 与单独进行SBCE之间的SB清洁度是否存在差异。

最近，一项使用 PillCam（GIVEN Imaging Ltd.，Yoqneam，Israel）图像训练的人工智能 (AI) 算法进行了研究。这种经过验证的 AI 算法计算了全长 SB 图像的客观和自动化 SB 清洁度分数。在这项研究中，我们使用了经过验证的 AI 算法，并比较了结肠镜检查后立即 SBCE 与单独 SBCE 之间的 SB 清洁度评分。因此，我们决定确定 SBCE 之前的结肠镜检查是否会影响 SB 清洁度评分的差异。

分析的结果

基线特征

在满足纳入标准的 100 例病例中，最终纳入了 85 例受试者。接受 SBCE 治疗的患者的平均年龄为 49.2 岁，其中 60% 为男性。SBCE的主要原因是疑似 SB 出血 (45.9%) 和克罗恩病 (43.5%)。58.8% 的患者在结肠镜检查后立即进行 SBCE；所有病例均进行静脉注射咪达唑仑和哌替啶镇静结肠镜检查。平均胃转运时间为1.12 ± 1.16 小时，平均 SB 转运时间为 5.64 ± 2.35 小时。从最后一剂泻药开始到 SBCE 的平均间隔为 5.27 ± 2.04 小时。结肠镜检查后立即进行 SBCE 的平均间隔为 6.86 ± 0.94 小时，单独进行 SBCE 的平均间隔为 3.00 ± 0.18 小时（表1）。

表1:接受小胶囊内窥镜检查（SBCE）的患者的基线特征（N=85）

AI算法计算的小肠清洁度评分

SBCE 中全长图像的平均数量为12,068.8 ± 6597.5。通过 AI 算法计算的所有SBCE 案例的平均清洁度得分为 3.956 ± 0.535。结肠镜检查后立即进行 SBCE 组的平均得分为 3.970 ± 0.603，单独进行 SBCE 组的平均得分为 3.937 ± 0.428。两组之间没有显着差异 (p = 0.785)（图 1）。在所有 SBCE 病例中，88.2% 表现出足够的粘膜可视化（得分 > 3.25），50.6% 表现出良好的粘膜可视化（得分 > 4.0）（表2）。

在单变量分析中，男性和胃传输时间延迟与清洁度不足有关。但在多变量分析中未观察到统计学显着性。其他变量与足够的清洁度评分之间没有统计学意义（表3）。

图1:小肠清洁度评分与结肠镜检查前的关系。结肠镜检查后立即进行的小肠胶囊内镜检查 (SBCE) 的平均小肠清洁度评分为 3.970 ± 0.603，仅 SBCE 为 3.937 ± 0.428。结肠镜检查和小肠清洁评分之间没有显着差异 (p = 0.785)。

表2:人工智能算法分析计算全长小肠胶囊内镜（N=85）

表3:充分清洁案例的单变量和多变量分析（N=85）

泻药给药时间和小肠清洁度评分

最后一次泻药给药至SBCE时间分为3小时和7小时间隔。3 小时间隔内的平均小肠清洁评分为 3.937 ± 0.428，3 至 7小时为 4.003 ± 0.577，> 7 小时为 3.933 ± 0.641（图 2）。三组之间没有显着差异 (p = 0.831)。

图2:小肠清洁度评分与最后一次服用泻药至小胶囊内镜检查（SBCE）的时间之间的关系。从最后一次泻药给药到SBCE的时间分为3h和7h间隔。三组之间没有显著性差异（p=0.831）。

与结肠准备量表和小肠清洁评分的关联

在结肠镜检查后立即进行 SBCE 的情况下，结肠准备量表由 Aronchick 量表（不充分 ~ 优秀）13测量。确认准备差6例，准备一般24例，准备好14例，准备优6例，无准备不足。不良准备的平均小肠清洁评分为 3.393 ± 0.529，一般准备为 3.915 ± 0.635，良好准备为 4.116 ± 0.469，优秀准备为 4.421 ± 0.374 (p = 0.015)（图 3）。

图3:结肠镜检查中的结肠准备量表和小肠清洁度评分。结肠准备量表通过Aronchick 量表测量（从不充分到优秀）。结肠准备更好，小肠清洁评分更高 (p = 0.015)。

根据预结肠镜检查和小肠清洁评分的诊断率

在结肠镜检查后立即进行 SBCE 的情况下，小肠出血的诊断率为 43.5%，克罗恩病为 63.6%，肿瘤或息肉病为 50%，药物性肠病为 100%。与单独的 SBCE 相比，没有统计学上的显着差异（小肠出血为 53.3%，克罗恩病为 64.7%，肿瘤或息肉病为 33.0%）。(表1 )。

将诊断率与充分和不适当清洁组进行比较时，小肠出血分别为 42.4% 和 80%，克罗恩病分别为 65.7% 和50.0%，肿瘤或息肉病分别为 50.0% 和 0.0%。也没有统计学上的显着差异。(表3 )。

镇静结肠镜检查后服用胶囊内镜的安全性

为了从镇静中完全苏醒，给予氟马西尼和纳洛酮等解毒剂，并留有足够的恢复时间。还有，在服用胶囊内窥镜之前，确认吞水没有问题。本研究镇静结肠镜检查后服用胶囊内镜未发生不良事件。此外，未观察到胶囊滞留和肠梗阻等 SBCE 相关并发症。

讨论

在这项研究中，我们使用经过验证的 AI 算法，确认在结肠镜检查后立即在 SBCE 中充分保持小肠清洁，类似于单独使用 SBCE。此外，泻药给药的时间和剂量与小肠清洁度之间没有差异。然而，在较差的结肠准备中，SB 清洁度评分不如一般、良好和优秀的结肠准备。因此，如果结肠准备良好，结肠镜检查后可立即进行 SBCE，但如果结肠准备不佳，则可能需要在 SBCE 前进行额外的肠道准备。

在结肠镜检查后立即出现 SBCE 的情况下，我们预计由于结肠镜检查期间的空气吹入和小肠不断分泌的消化酶导致肠道准备不良。然而，结肠镜检查后即刻的 SBCE 与小肠清洁度之间没有关系。

足够的肠道清洁度是影响 SBCE 性能和诊断能力的关键因素之一。然而，由于小肠清洁度是主观的并且需要很长时间才能被临床医生测量，因此观察者内部的差异是不可避免的。出于这个原因，已经进行了几项研究，以客观地使用 AI算法来识别SBCE的清洁度。我们通过使用经过验证的 AI 算法（使用 SBCE 图像训练）确认了客观的 SB 肠道清洁度分数。

在 SBCE 之前是否服用泻药、什么类型以及服用的理想时间仍然存在争议。首先，关于泻药的有效性存在争议。在一项比较禁食与仅摄入清液和泻药的荟萃分析研究中，两种制备方法在诊断率和粘膜可视化方面没有显着差异。此外，两项随机临床试验 (RCT) 报告说，比较透明液体和泻药时，粘膜可视化没有差异然而，最近的一项多中心RCT 报告说，与单独禁食组相比，在 SBCE 检查的同一天服用一升 PEG 可获得更好的 SB 粘膜可视化效果（一升 PEG 组为 66.3%，禁食组为32.5%）22。一项分析全国数据的韩国研究发现，自 2014 年以来，70% 的 SBCE患者服用了两升 PEG 和抗坏血酸。但两升 PEG 与禁食之间的充分肠道准备比较没有统计学意义独自的。（两升 PEG 为 68.3%，禁食为 70.4%）。关于泻药时间，一篇文章提到应该在SBCE然而，最近的一项多中心研究报告说，在 SBCE 前四小时给予低剂量 PEG 是理想的，这与我们医院的方案相似。

虽然清泻间隔和小肠清洁度评分之间没有显着差异，但结肠准备量表和小肠清洁度评分之间存在显着相关性。即使在不良的结肠准备中，平均小肠清洁评分 (3.393 ± 0.529) 也高于 3.25，这是足够清洁的临界值。但随着结肠准备越好，小肠清洁度得分越高 (p = 0.015)。因此，在结肠准备不佳的情况下，应考虑在 SBCE 之前进行额外的泻药管理。

就诊断率而言，是否进行预结肠镜检查没有显着差异。然而，清洁不充分组小肠出血的诊断率略高于清洁充分组（80% 对 42.4%，p = 0.117）。确定 AI 算法在活动性出血的情况下测量了较低的清洁度分数，因为血液降低了粘膜可视化。因此，在小肠清洁度评分较低的情况下，可能可以估计活动性出血的可能性。

我们的研究有几项局限。首先，本研究为回顾性单中心研究。因此，可能有几个变量没有得到控制。此外，尽管对患者统一进行了肠道准备教育，但根据患者的不同，可能准备不充分。最后，由于不充分清洗组的数量很少，因此很难准确比较诊断率。需要进行更多的大规模研究来比较诊断率。

总之，我们在全长小肠水平使用经过验证的 AI 算法进行的研究发现，即使在结肠镜检查后立即进行 SBCE，对肠道清洁度和诊断率也没有显着影响。小肠清洁度与 SBCE 前服用泻药的剂量和时间没有显着相关性。此外，即使在 SBCE 之前使用当天和低剂量的泻药制剂，也能保持足够的粘膜可视化。但是，如果结肠准备不好，可能需要在 SBCE 之前进行额外准备。需要进一步精心设计的前瞻性研究。

研究人群和变量

该团队在韩国东国大学一山医院进行了一项回顾性单中心研究。在2018 年 1 月 1 日至 2020 年 12 月 31 日期间接受 SBCE（PillCam SB3，GIVEN Imaging Ltd.，Yoqneam，以色列）的患者被纳入该研究。接受除 PillCam SB3 以外的 SBCE、不完整（无法识别盲肠）SBCE 研究以及数据不准确或遗漏的患者被排除在外。

符合纳入标准的 85 名患者最终被纳入研究。根据电子病历和内窥镜图像分析以下变量：年龄、性别、美国麻醉医师协会（ASA）分类、SBCE 前是否进行结肠镜检查、SBCE 的原因、服用最后一剂泻药至结肠镜检查和 SBCE 的时间，是否使用促动力药，胃和小肠转运时间。本研究经东国大学一山医院机构审查委员会批准 (DUIH 2021-08-036-001)。本研究中的所有方法均按照相关指南和法规进行。并且，已获得所有受试者的知情同意，或者，如果受试者未满 18 岁，则获得父母和/或法定监护人的知情同意。

图4:内窥镜检查程序和泻药给药时间，研究过程示意图。(A) 在结肠镜检查后立即进行小肠胶囊内镜检查 (SBCE) 的情况下，使用 2 L 聚乙二醇 (PEG) + 抗坏血酸通过分次剂量或当日方案进行肠道准备。结肠镜检查后，如有必要，约 1 小时后进行 SBCE。(B) SBCE 的肠道准备是通过当天和低剂量准备进行的。指导接受 SBCE 的患者在 SBCE 前 3 小时开始服用 1 L泻药，并在 SBCE 前 1 小时完成服用。

如果单纯做小肠胶囊内镜，仅接受 SBCE 的患者被要求隔夜禁食 12 小时，在 SBCE 前 3 小时开始服用泻药，并在 SBCE 前 1 小时结束服用。所有患者都被指示服用由一半剂量（总共 1 L 透明液体）的聚乙二醇 (PEG) 3350 + 抗坏血酸（Coolprep™，Taejoon Pharm Co., Ltd, Seoul, Korea）组成的泻药。

在结肠镜检查后小肠胶囊内镜检查：在这种情况下，SBCE 是在结肠镜检查结束后约 1 小时进行的。对于结肠镜检查，使用全剂量（共 2 升透明液体）Coolprep TM制备结肠使用分次给药或当日给药方案。在中午之前进行结肠镜检查的情况下，患者被告知在前一天晚上 8 点服用第一剂，最后一剂在结肠镜检查当天早上 6 点服用，与分次给药方案相同。在下午进行结肠镜检查的情况下，患者被告知在结肠镜检查当天早上 6 点服用第一剂，最后一剂服用结肠镜检查当天的上午 9 点，与同日方案相同。指示患者在结肠镜检查前 2 小时完成服用泻药。给予咪达唑仑和哌替啶镇静结肠镜检查。如果结肠镜检查完成且SBCE适应证适用，给予解毒剂如氟马西尼和纳洛酮，并观察患者1小时。接着，胶囊内窥镜在医护人员的监督下被吞服。当预计与镇静剂给药相关的胃通过时间较慢时，必要时给予促运动剂。如果有大量 SB 出血或怀疑 SB 狭窄，则在SBCE 之前进行设备辅助小肠镜检查或腹部和盆腔计算机断层扫描。这些病例被排除在本研究之外。

用于计算肠道清洁度评分的人工智能算法

在这项研究中，使用了一种基于 InceptionResnetV2 计算肠道清洁评分的卷积神经网络 (CNN) 算法11CNN 算法是AI 算法的子集，由多个卷积层和池化层组成。在每个卷积层中，提取图像的不同特征来识别图像。在我们的 CNN 算法中，每个 SBCE 图像都是根据 5 步评分方法计算的。当粘膜可视化小于 25% 时，清洁度得分为 1，当粘膜可视化为 90% 或更高时，清洁度得分为 5。在之前的研究中，当截止清洁度评分值为 3.25 时，证实了肠道准备充分和不充分的曲线下面积 (AUC) 为 0.977。因此，在本研究中也应用了相同的截止分数 (3.25)。

两位内窥镜专家（Oh、DJ、Nam、JH）在每个 SBCE 病例中识别了十二指肠和盲肠过渡的图像。之后，仅提取小肠图像，并通过测量每张图像分数的人工智能算法自动计算出小肠清洁度分数（图 5）。

图5: 小肠胶囊内窥镜病例（病例号60）人工智能算法计算小肠清洁度评分实例。( A ) 小肠清洁度评分为 1.0 (S1) 至 5.0 (S5)。( B ) AI 算法的图像分析以 Grad-CAM 可视化（热图）表示。

结果和统计分析

主要结果是结肠镜检查后立即进行的 SBCE 与单独进行 SBCE 之间小肠清洁度评分的差异。次要结果是确定与小肠清洁度评分不佳相关的因素。对变量进行学生t检验和卡方分析。进行方差分析（ANOVA）以分析三组或更多组之间的差异。通过具有比值比 (OR) 和 95% 置信区间(CI) 的逻辑回归分析准备不充分的因素。在单变量和多变量分析中，统计显着性设定为p值<0.05。统计分析由 IBM SPSS Statistics v25 进行。

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