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AI在放射治療領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與新興趨勢

2025-10-10 17:07 閱讀:171 來源:愛愛醫(yī) 作者:張建鑫 責(zé)任編輯:點滴管
[導(dǎo)讀] 放射治療(radiotherapy, RT)在腫瘤綜合治療中占據(jù)關(guān)鍵地位,其技術(shù)已從二維放療逐步演進(jìn)至三維適形、調(diào)強(qiáng)放療乃至影像引導(dǎo)放療。然而,傳統(tǒng)放療流程存在諸多效率瓶頸,如靶區(qū)勾畫耗時占整個流程的30%-50%,計劃設(shè)計需要反復(fù)試錯,質(zhì)量保證環(huán)節(jié)耗費(fèi)大量人力物力。
1、背景與目的

放射治療(radiotherapy, RT)在腫瘤綜合治療中占據(jù)關(guān)鍵地位,其技術(shù)已從二維放療逐步演進(jìn)至三維適形、調(diào)強(qiáng)放療乃至影像引導(dǎo)放療。然而,傳統(tǒng)放療流程存在諸多效率瓶頸,如靶區(qū)勾畫耗時占整個流程的30%-50%,計劃設(shè)計需要反復(fù)試錯,質(zhì)量保證環(huán)節(jié)耗費(fèi)大量人力物力[1]。這些挑戰(zhàn)促使研究者探索更智能化的解決方案。

人工智能(artificial intelligence, AI),特別是深度學(xué)習(xí)(Deep Learning, DL)技術(shù)的突破,為放療流程優(yōu)化提供了全新思路。2015年U-Net架構(gòu)的提出解決了醫(yī)學(xué)圖像分割中的小樣本學(xué)習(xí)問題,為AI在放療中的應(yīng)用掃清了技術(shù)障礙[2]。近年來,AI在放射治療領(lǐng)域的應(yīng)用研究呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,但缺乏系統(tǒng)性梳理。本研究采用文獻(xiàn)計量學(xué)方法,旨在:(1)分析AI在放療領(lǐng)域的全球研究趨勢;(2)識別核心研究機(jī)構(gòu)、作者及高影響力文獻(xiàn);(3)探討當(dāng)前研究熱點及未來發(fā)展方向,為臨床醫(yī)生、研究者及政策制定者提供參考。

2、 材料與方法

數(shù)據(jù)來源于Web of Science Core Collection(WoSCC)數(shù)據(jù)庫。檢索策略為:(Topic = artificial intelligence) and (Topic = radiation) and (Language = English),時間跨度為2004年1月1日至2024年12月31日。納入標(biāo)準(zhǔn)為文獻(xiàn)類型屬論著或綜述、語種為英文;排除信件、會議摘要等非完整出版物。最終共納入554篇文獻(xiàn)。

使用文獻(xiàn)計量學(xué)軟件VOSviewer(1.6.20)對國家、機(jī)構(gòu)、期刊、關(guān)鍵詞及作者進(jìn)行共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。應(yīng)用CiteSpace(6.2.R2)進(jìn)行參考文獻(xiàn)突發(fā)性檢測(Burst Detection),時間分區(qū)長度為1年,閾值選擇“K=25”。

3 、結(jié)果

3.1 年度發(fā)文量趨勢

過去20年間,該領(lǐng)域發(fā)文量呈顯著的三階段增長態(tài)勢(圖1)。第一階段(2004-2017年)為緩慢萌芽期,年發(fā)文量極少(≤2篇)。第二階段(2018-2020年)為穩(wěn)步上升期,年均發(fā)文約32篇,2020年出現(xiàn)爆發(fā)點(73篇,同比增長4.3倍)。第三階段(2021-2024年)為快速增長期,年均發(fā)文達(dá)144篇,至2024年已增至252篇,表明AI在放療領(lǐng)域的研究吸引力和重要性日益增加。

圖1.2004-2024放療和人工智能相關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)文量分布

3.2 國家與機(jī)構(gòu)分布

共64個國家、1144個機(jī)構(gòu)參與該領(lǐng)域研究。發(fā)文量前五的國家分別為美國(167篇, 30.6%)、中國(96篇, 17.3%)、意大利(65篇)、荷蘭(65篇)和英國(42篇)。中美兩國貢獻(xiàn)了全部文獻(xiàn)的47.9%,處于絕對領(lǐng)先地位。國家合作網(wǎng)絡(luò)圖顯示,中美歐之間形成了緊密的國際合作網(wǎng)絡(luò)(圖2)。

圖2. 國家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

發(fā)文機(jī)構(gòu)中,荷蘭的馬斯特里赫特大學(xué)(27篇, 5.0%)、美國的杜克大學(xué)(14篇, 2.6%)和哈佛大學(xué)(13篇)位列前三,顯示歐美研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的歷史積累深厚。

3.3 期刊與共被引期刊分析

相關(guān)論文發(fā)表在213種期刊上(圖3)。Frontiers in Oncology(45篇, 8.2%)、Radiotherapy and Oncology(32篇, 5.9%)和Medical Physics(26篇)是發(fā)文量最多的期刊。而從學(xué)術(shù)影響力看,Medical Physics(被引2275次)和International Journal of Radiation Oncology ? Biology ? Physics(被引1921次)是共被引頻次最高、連接強(qiáng)度最強(qiáng)的核心期刊,表明它們是該領(lǐng)域知識基礎(chǔ)的重要來源。

圖3.期刊網(wǎng)絡(luò)圖

3.4 作者與共被引作者

共有3556名作者參與研究。Dekker Andre(10篇)、Valentini Vincenzo(9篇)和Boldrini Luca(9篇)是發(fā)文最多的學(xué)者。在共被引作者中,Philippe Lambin(85次)和Dan Nguyen(83次)是被引次數(shù)最高的學(xué)者,其工作被視為該領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)。

3.5 高影響力文獻(xiàn)分析

近20年來,有關(guān)人工智能在放射治療中的應(yīng)用被引用的文獻(xiàn)共計25181篇。通過選擇被引用至少為12次以上的158篇文獻(xiàn)創(chuàng)建共被引文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖,見圖4。該圖譜全面展示相關(guān)主題眾多文獻(xiàn)之間的聯(lián)系,促進(jìn)對重要主題和趨勢的進(jìn)一步研究。

圖4.共被引文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

突發(fā)性檢測發(fā)現(xiàn)7篇具有高影響力的突發(fā)文獻(xiàn)(Burst Articles)(圖5)。Ibragimov B關(guān)于基于深度學(xué)習(xí)實現(xiàn)病理CT中椎骨快速檢測的論文突發(fā)強(qiáng)度最高(6.28),Valdes G關(guān)于頭頸癌知識型計劃評估的論文次之(4.7)[3,4]。這些突發(fā)文獻(xiàn)標(biāo)志著研究熱點的形成與轉(zhuǎn)變。

圖5.引文爆發(fā)量前7的文獻(xiàn)

3.6 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析揭示了核心研究方向。出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞為:人工智能(292次)、深度學(xué)習(xí)(124次)、放射治療(110次)、機(jī)器學(xué)習(xí)(106次)、影像組學(xué)(Radiomics, 50次)。聚類分析后形成四大研究方向(圖6):紅色聚類:核心技術(shù)與概念,如放射治療、人工智能、優(yōu)化等。藍(lán)色聚類:算法與應(yīng)用,如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動靶區(qū)勾畫(Automatic delineation)。綠色聚類:特定腫瘤應(yīng)用,如頭頸癌(Head and neck cancer)、正常組織并發(fā)癥概率(NTCP)。黃色聚類:質(zhì)量保證(Quality assurance)與治療計劃(Treatment planning)。

圖6.關(guān)鍵詞聚類圖

4 、討論

4.1 研究趨勢與驅(qū)動因素

本研究通過文獻(xiàn)計量學(xué)全面描繪了AI在放療領(lǐng)域的研究圖景。分析表明,該領(lǐng)域自2018年起進(jìn)入快速發(fā)展通道,這與深度學(xué)習(xí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)圖像處理上的成熟及其臨床轉(zhuǎn)化探索的加速密切相關(guān)[1,5]。

4.2 當(dāng)前研究熱點與臨床應(yīng)用

當(dāng)前的研究熱點高度集中于自動靶區(qū)勾畫、治療計劃優(yōu)化和質(zhì)量保證三大環(huán)節(jié),旨在解決傳統(tǒng)放療中的核心效率瓶頸[1,4]。其中,頭頸部腫瘤因解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、勾畫難度大,成為AI應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域。例如,騰訊醫(yī)療AI實驗室開發(fā)的AnatomyNet模型,基于改進(jìn)的3D U-Net架構(gòu),可在1秒內(nèi)完成頭頸部CT影像上所有危及器官(OARs)的自動勾畫,精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法,耗時從20分鐘以上縮短至秒級[7]。在計劃設(shè)計方面,知識庫計劃(KBP)和深度學(xué)習(xí)模型能夠快速生成高質(zhì)量計劃,減少物理師的手工試錯。在質(zhì)控環(huán)節(jié),AI可用于劑量驗證、誤差自動檢測等,提高治療安全性和效率[3]。

4.3 新興前沿技術(shù)與發(fā)展方向

新興趨勢包括將AI應(yīng)用于磁共振引導(dǎo)放療(如合成CT)、FLASH放療等前沿技術(shù)。例如,武漢大學(xué)團(tuán)隊利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)(DiscoGAN)構(gòu)建了質(zhì)子劑量計算框架,在腦、肺、腹部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了1秒內(nèi)的高速劑量驗證,誤差<5%,為超高劑量率的FLASH放療提供了關(guān)鍵的質(zhì)控支持[6]。此外,影像組學(xué)與AI結(jié)合,用于預(yù)測放療療效和毒性(如NTCP模型),代表著向個性化、精準(zhǔn)化放療發(fā)展的重要方向[1]

4.4 面臨的挑戰(zhàn)與局限性

然而,該領(lǐng)域仍面臨挑戰(zhàn)。首先,大多數(shù)研究基于單中心、小樣本數(shù)據(jù),模型的泛化能力和魯棒性有待多中心驗證。其次,AI算法的“黑箱”特性使其臨床決策缺乏可解釋性,影響臨床醫(yī)生的信任和采納。最后,如何將AI工具無縫集成到臨床工作流中,并開展前瞻性臨床試驗以證明其能改善患者預(yù)后,是推動臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵[4,5]

4.5 本研究的局限性

本研究的局限性在于數(shù)據(jù)僅來源于WoSCC數(shù)據(jù)庫,可能遺漏其他數(shù)據(jù)庫(如Scopus、PubMed或中文數(shù)據(jù)庫)中的重要文獻(xiàn)。此外,僅納入英文文獻(xiàn)可能對非英語國家的研究成果評估不足。

5 、結(jié)論

本研究通過文獻(xiàn)計量學(xué)分析揭示,人工智能在放射治療領(lǐng)域的研究正處于蓬勃發(fā)展的快車道。美國和中國是推動該領(lǐng)域發(fā)展的主要力量。當(dāng)前研究熱點緊密圍繞臨床痛點,聚焦于通過深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)自動靶區(qū)勾畫、智能計劃設(shè)計和質(zhì)控流程優(yōu)化,以期全面提高放療的精準(zhǔn)度和效率。未來研究應(yīng)致力于構(gòu)建高質(zhì)量的多中心數(shù)據(jù)集,開發(fā)可解釋、可信賴的AI模型,并積極開展前瞻性臨床研究,最終推動AI從技術(shù)走向臨床,充分釋放其在精準(zhǔn)放療中的巨大潛力。

參考文獻(xiàn)

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[4] Thompson RF, Valdes G, Fuller CD, et al. Artificial intelligence in radiation oncology: a specialty-wide disruptive transformation?[J]. Radiother Oncol, 2018, 129(3): 421-426.

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[6] Zhang X, Hu Z, Zhang G, et al. Dose calculation in proton therapy using a discovery cross-domain generative adversarial network (DiscoGAN)[J]. Med Phys, 2021, 48(5): 2646-2660.

[7] Zhu W, Huang Y, Chen X, et al. AnatomyNet: Deep learning for fast and fully automated whole-volume segmentation of head and neck anatomy[J]. Med Phys, 2019, 46(2): 576-589.


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