Artificial intelligence based analysis of body composition to predict the short term and long term outcomes after pancreatectomy

Stel je voor dat je lichaam als een high-performance racewagen is. Jarenlang hebben monteurs (artsen) weten dat de conditie van de motor er veel toe doet voor hoe goed de auto rijdt, maar ze hebben vooral naar de brandstofmeter (gewicht) of het oliepeil (bloedonderzoek) gekeken. Ze hadden eigenlijk geen manier om onder de motorkap te kijken om te zien of de motorblokken gemaakt zijn van sterk staal of zwak, roestig metaal, of dat de auto te veel zware lading in de kofferbak draagt. In de wereld van de geneeskunde is deze "motor" je spieren, en de "lading" is je lichaamsvet. Wetenschappers vermoeden al lang dat het hebben van zwakke, vette spieren (een conditie genaamd sarcopenie) of te veel diep buikvet (viscerale obesitas) operaties risicovoller en herstel moeilijker maakt. Maar het controleren van deze zaken handmatig is alsof je elke bout in een motor met de hand probeert te meten—het duurt eeuwen, en twee verschillende monteurs kunnen het anders meten. Dit is waar Kunstmatige Intelligentie (AI) om de hoek komt kijken. Denk aan AI als een supersnelle, superprecieze robotmonteur die in een fractie van een seconde de blauwdruk van een auto kan scannen, en direct ziet waar de spieren zitten, hoe dicht ze zijn en hoeveel vet er op de verkeerde plekken verborgen zit.

Dit artikel gaat over het bouwen van die robotmonteur specif voor patiënten die een grote buikoperatie ondergaan, een pancreatectomie (het verwijderen van een deel of de gehele alvleesklier). De onderzoekers, geleid door een team van het Nanjing Drum Tower Hospital, wilden twee problemen oplossen: eerst, een volledig geautomatiseerd AI-systeem te creëren dat de perfecte doorsnede van een CT-scan (een 3D X-ray foto) kan vinden bij de derde lumbale wervel (L3) en automatisch de spieren van het vet kan scheiden zonder dat een mens ernaar hoeft te wijzen; en tweede, te zien of deze AI-"lichaamsscan" kon voorspellen hoe patiënten na een operatie zouden presteren. Ze hebben het hulpmiddel niet alleen gebouwd; ze hebben het getest op honderden patiënten om te zien of de bevindingen van de AI overeenkwamen met de resultaten in de echte wereld.

Het team bouwde een "end-to-end" pijplijn, wat vergelijkbaar is met een volledig geautomatiseerde assemblageband. Eerst kijkt de AI naar een 3D CT-scan van de buik van een patiënt en vindt automatisch de L3-wervel (een specifieke bot in de onderrug). Het heeft geen mens nodig om te vertellen waar het moet kijken; het vindt het zelf uit. Zodra het die plek heeft gevonden, snijdt het de afbeelding daar en gebruikt het een slim netwerk (genaamd nnU-Net) om de verschillende weefsels te overschilderen: skeletspier (de motor), subcutaan vet (de vulling onder de huid) en visceraal vet (de diepe, interne lading). De AI deed een ongelooflijk goed werk. Wanneer de onderzoekers hun werk controleerden tegenover menselijke experts, kwam de AI bijna perfect overeen, met een "gelijkenisscore" (een Dice-coëfficiënt genoemd) van ongeveer 0,97 voor spieren, 0,95 voor huidvet en 0,94 voor diep vet. Dit betekent dat de robotmonteur net zo goed is als de beste menselijke experts, maar dat hij het in seconden doet in plaats van uren.

Maar de echte magie gebeurde toen ze dit hulpmiddel gebruikten om te voorspellen wat er na de operatie zou gebeuren. Ze keken naar 561 patiënten die hun alvleesklier hadden laten verwijderen en vonden enkele zeer duidelijke patronen. De AI toonde aan dat patiënten met te veel diep buikvet (viscerale obesitas) moeilijkere operaties hadden: hun operaties duurden langer (360 minuten versus 270 minuten), ze verloren meer bloed en ze hadden een veel grotere kans op ernstige infecties of lekkages bij de operatiewond. Nog belangrijker was dat de AI ontdekte dat patiënten met "zwakke" spieren (sarcopenie) of "vette" spieren (myosteatose) in grote problemen zaten. Deze patiënten hadden een veel grotere kans op grote complicaties, zoals ernstige infecties of pancreale lekkages, en ze hadden een veel kleinere kans op een "textbook outcome"—wat een chique manier is om te zeggen: een perfect herstel zonder haperingen. In feite hadden slechts 14,2% van de patiënten met zwakke spieren een textbook outcome, vergeleken met 91% van degenen met sterke spieren.

De studie stopte niet in de herstelkamer van het ziekenhuis; ze keken ook naar de lange termijn voor patiënten met pancreaskanker. Ze volgden 327 patiënten om te zien of de lichaamsscan van de AI kon voorspellen hoe lang zij zouden leven zonder dat de kanker terugkeert (recurrence-free survival) of hoe lang zij in het algemeen zouden leven (overall survival). De resultaten waren opvallend. De AI bevestigde dat het hebben van zwakke spieren of vette spieren een sterk waarschuwingssignaal was. Patiënten met deze condities hadden een aanzienlijk grotere kans dat hun kanker eerder terugkeerde en dat zij eerder zouden overlijden, zelfs nadat de onderzoekers rekening hadden gehouden met andere factoren zoals de grootte of het stadium van de tumor. De AI suggereerde dat de kwaliteit van je spierweefsel een belangrijke factor is in hoe je lichaam vecht tegen kanker en herstelt van het trauma van een operatie.

De auteurs merken er voorzichtig bij op dat hoewel hun hulpmiddel volledig geautomatiseerd en zeer nauwkeurig is, het getest is op patiënten van slechts één ziekenhuis, dus het moet op andere plaatsen worden geprobeerd om zeker te weten dat het overal werkt. Ze wijzen er ook op dat hoewel de AI ons kan vertellen wie er een risico loopt, het ons nog niet vertelt hoe we dat moeten oplossen, hoewel ze suggereren dat het vroegtijdig weten hiervan artsen kan helpen bij het beter plannen van pre-operatieve voeding of herstelplannen. Uiteindelijk laat dit artikel zien dat we niet langer hoeven te vertrouaien op trage, handmatige metingen. Met een volledig geautomatiseerde AI kunnen we direct de "lichaamssamenstelling" van de motor van een patiënt lezen, waardoor artsen een krachtige nieuwe manier krijgen om te voorspellen wie het moeilijk zal hebben na een operatie en wie zal floreren, wat potentieel levens redt door risico's te vangen voordat de eerste snee wordt gezet.