徐存來(lái) 曹卓 蔣奕薇 王欣 王馨怡
[摘要]?目的?運(yùn)用基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的肺癌早期預(yù)警模型在麗水市慢性阻塞性肺疾病患者中進(jìn)行早期肺癌篩查。方法?在2021年7月到2022年6月在筆者醫(yī)院確診的慢性阻塞性肺疾?。╟hronic?obstructive?pulmonary?disease,COPD)患者行胸部CT平掃,將檢出肺結(jié)節(jié)并同意入組的300名患者完成肺結(jié)節(jié)靶掃描+二三維重建,檢測(cè)外周血CYP1A1、GST及XRCC1的基因多態(tài)性和miRNA130a和miR204-5p。囑其2022年7月到2022年9月每天清醒時(shí)佩戴智能手環(huán)10h檢測(cè)生命體征和運(yùn)動(dòng)量。2022年10月復(fù)查肺結(jié)節(jié)靶掃描+二三維重建,如結(jié)節(jié)較前增大則如實(shí)告知患者結(jié)果,由患者與筆者醫(yī)院除研究者外??漆t(yī)師自行商議是否進(jìn)行肺穿刺送病理。病理確診肺癌的患者為進(jìn)展組,其余為穩(wěn)定組。結(jié)果?240名患者為穩(wěn)定組,48名患者為進(jìn)展組,12名患者經(jīng)與??漆t(yī)師商議后繼續(xù)隨訪。兩組之間肥胖、平均血氧飽和度、最低血氧飽和度、用力肺活量(forced?vital?capacity,F(xiàn)VC)預(yù)計(jì)值、運(yùn)動(dòng)量、肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。兩組外周血miRNA-130a,miRNA-204-5p表達(dá)水平比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.001)。穩(wěn)定組與進(jìn)展組外周血CYP1A1、GST、XRCC1基因型比較,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。受試者工作特征(receiver?operating?characteristic,ROC)曲線下面積分別為平均血氧飽和度0.681,最低血氧飽和度0.735,F(xiàn)VC預(yù)計(jì)值0.781,運(yùn)動(dòng)量0.835,肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑0.825,外周血miRNA-130a?0.796,miRNA-204-5p?0.893。結(jié)論?基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的肺癌早期預(yù)警模型可用于慢性阻塞性肺疾病患者肺癌篩查。
[關(guān)鍵詞]?肺結(jié)節(jié);肺癌篩查;miRNA;物聯(lián)網(wǎng)
[中圖分類號(hào)]?R5????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A ????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2024.02.003
Internet?of?things?based?early?warning?model?for?lung?cancer?in?COPD?patients
XU?Cunlai1,?CAO?Zhuo1,2,?JIANG?Yiwei1,2,?WANG?Xin1,2,?WANG?Xinyi1,2
1.Department?of?Respiratory?and?Critical?Care,?Lishui?People’s?Hospital,?Lishui?323000,?Zhejiang,?China;?2.The?First?Clinical?Medical?College?of?Wenzhou?Medical?University,?Wenzhou?325035,?Zhejiang,?China
[Abstract]?Objective?To?use?the?Internet?of?things?based?early?warning?model?of?lung?cancer?to?perform?early?lung?cancer?screening?among?chronic?obstructive?pulmonary?disease?(COPD)?patients?in?Lishui?City.?Methods?Patients?with?COPD?diagnosed?in?our?hospital?from?July?2021?to?June?2022?underwent?plain?chest?CT,?and?the?300?patients?who?had?lung?nodules?detected?and?agreed?to?participate?in?the?study?were?completed?with?lung?nodule?target?scan?+?two?-?and?three-dimensional?reconstruction?to?detect?gene?polymorphisms?of?CYP1A1,?GST?and?XRCC1?and?mirna130a?and?mir204-5p?in?peripheral?blood.?Asked?to?wear?smart?hand?ring?for?10?hours?every?day?while?awake?from?July?2022?to?September?2022?to?detect?vital?signs?and?exercise?volume.?Review?lung?nodule?target?scan?+?two?three?dimensional?reconstruction?in?October?2022.?If?the?nodules?were?larger?than?before,?the?patient?was?truthfully?informed?of?the?results.?The?patient?and?the?specialist?of?our?hospital?discussed?whether?to?carry?out?lung?puncture?for?pathology.?Patients?with?pathologically?confirmed?lung?cancer?were?progression?group?and?the?rest?were?stable?group.?Results?Totally?240?patients?were?in?the?stable?group,?48?patients?were?in?the?progression?group,?12?patients?continued?to?follow-up?after?consultation?by?physicians.?There?were?significant?differences?in?adiposity,?mean?oximetry,?nadir?oximetry,?forced?vital?capacity?(FVC)?predicted,?exercise?capacity,?and?lung?nodule?diameter?between?the?two?groups.?The?expression?levels?of?peripheral?mirna-130a,?mirna-204-5p?were?significantly?different?between?the?two?groups?(P<0.001).?There?were?significant?differences?in?CYP1A1,?GST,?and?XRCC1?genotypes?in?peripheral?blood?between?stable?and?progressive?patients.?The?areas?under?the?receiver?operating?characteristic?(ROC)?curves?were?mean?oxygen?saturation?(0.681),?lowest?oxygen?saturation?(0.735),?FVC?predicted?(0.781),?exercise?(0.835),?lung?nodule?length?diameter?(0.825),?peripheral?blood?mirna-130a?(0.796),?mirna-204-5p?(0.893).?Conclusion?The?Internet?of?things?based?early?warning?model?for?lung?cancer?can?be?used?for?lung?cancer?screening?among?COPD?patients.
[Key?words]?Pulmonary?nodule;?Lung?cancer?screening;?MiRNA;?Internet?of?things
基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)可應(yīng)用于基因組學(xué)、醫(yī)療保健、工程學(xué)、運(yùn)營(yíng)管理等各個(gè)領(lǐng)域,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)已用于預(yù)測(cè)疾病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的研究、輔助診斷及治療等方面[1]。傳統(tǒng)上慢性阻塞性肺疾病(chronic?obstructive?pulmonary?disease,COPD)患者的推薦運(yùn)動(dòng)頻率為每周2~5d,中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練,每次約30min,持續(xù)4~12周,推薦運(yùn)動(dòng)類型主要采用有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻訓(xùn)練[2]。在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)處方中,運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度多使用心率儲(chǔ)備技術(shù),基于年齡和靜息心率來(lái)計(jì)算。但目前運(yùn)動(dòng)處方主要用于慢性阻塞性肺疾病患者康復(fù)治療,慢性阻塞性肺疾病患者生命體征及運(yùn)動(dòng)量與早期肺癌的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。檢索文獻(xiàn),國(guó)內(nèi)多項(xiàng)單中心小樣本研究報(bào)道外周血細(xì)胞色素P4501A1(cytochrome?P450,family?1,subfamily?A,polypeptide?1,CYP1A1),谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(glutathione?S-transferase,GST),人DNA修復(fù)基因(X-ray?repair?cross?complementing?1,XRCC1)的基因多態(tài)性和微小RNA130a(miRNA130a)和miR204-5p單個(gè)指標(biāo)在肺癌患者及對(duì)照組中表達(dá)有差異[3-6],但早期預(yù)測(cè)的特異性和敏感度并不令人滿意。本研究旨在運(yùn)用基于物聯(lián)網(wǎng)并結(jié)合影像學(xué)及外周血指標(biāo)共同構(gòu)成的肺癌早期預(yù)警模型在麗水市慢性阻塞性肺疾病患者中進(jìn)行早期肺癌篩查。
1??資料與方法
1.1??一般資料
在2021年7月到2022年6月在筆者醫(yī)院門診及病房行肺功能檢查確診的慢性阻塞性肺疾病患者經(jīng)知情同意后行胸部CT平掃。將檢出單個(gè)肺結(jié)節(jié)300名慢性阻塞性肺疾病合并肺結(jié)節(jié)患者入組作為進(jìn)展組和穩(wěn)定組成員。經(jīng)知情同意后行胸部CT平掃。將檢出單個(gè)肺結(jié)節(jié)300名慢性阻塞性肺疾病合并肺結(jié)節(jié)患者。排除標(biāo)準(zhǔn):無(wú)法規(guī)律佩戴智能手環(huán)的、確診腫瘤、已行肺穿刺或射頻消融、心律失常、心力衰竭、骨折、腎功能異常、凝血功能障礙或血小板減少的患者。在2022年7月到2022年11月筆者醫(yī)院門診及病房確診后在胸外科進(jìn)行手術(shù)的單個(gè)肺結(jié)節(jié)合并慢性阻塞性肺疾病患者320例作為驗(yàn)證組,術(shù)后確診早期肺癌204例,肺良性疾病116例。驗(yàn)證組敏感率=模型正確診斷的肺癌/204,特異性=(204-模型漏診的肺癌/204),陽(yáng)性預(yù)測(cè)值=模型正確診斷的肺癌/模型全部診斷的肺癌,陰性預(yù)測(cè)值=模型正確診斷的肺良性病變/模型全部診斷的肺良性病變,準(zhǔn)確率=模型正確診斷的肺癌和肺良性病變/320。本臨床研究已經(jīng)過(guò)筆者醫(yī)院倫理委員會(huì)審批,(倫理審批號(hào):2022立項(xiàng)第021-01號(hào))。
1.2??隨訪及分組
囑其2022年7月到2022年9月每天清醒時(shí)佩戴智能手環(huán)(華為智能手環(huán)6標(biāo)準(zhǔn)版)連續(xù)監(jiān)測(cè)平均及最高心率,平均及最低血氧飽和度和運(yùn)動(dòng)量10h,并通過(guò)運(yùn)動(dòng)健康A(chǔ)PP實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)至智能手機(jī)。所有智能手表均進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)調(diào)試,心率和血氧飽和度在同一個(gè)患者同一天24h與筆者醫(yī)院心電監(jiān)護(hù)儀(飛利浦GS20)測(cè)量誤差在1%以下,相互之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2022年10月復(fù)查肺結(jié)節(jié)靶掃描+二三維重建,如結(jié)節(jié)較前增大則如實(shí)告知患者結(jié)果,由患者與我院除研究者之外的專科醫(yī)師自行商議是否進(jìn)行肺穿刺送病理,12名患者及??漆t(yī)師共同決定繼續(xù)觀察拒絕肺穿刺,其余患者與??漆t(yī)師共同討論決定有肺穿刺適應(yīng)證,完善血常規(guī),血凝分析,傳染病5項(xiàng),胸部CT增強(qiáng)排除禁忌癥并經(jīng)知情同意后。病理確診肺癌的患者為進(jìn)展組,其余為穩(wěn)定組。驗(yàn)證組2022年7月到2022年11月術(shù)前1月每天清醒時(shí)佩戴智能手環(huán)10h,其余同前。
1.3??肺功能檢查
使用無(wú)錫啟益醫(yī)療科技有限公司研發(fā)的肺功能測(cè)定儀(浙械注準(zhǔn)20182210345)進(jìn)行檢測(cè)。肺功能檢查指標(biāo)包括用力肺活量(forced?vital?capacity,F(xiàn)VC)占預(yù)計(jì)值百分比、1秒用力呼氣容積(forced?expiratory?volume?in?one?second,F(xiàn)EV1)占預(yù)計(jì)值百分比、FEV1與FVC的比值(FEV1/FVC)。
1.4??影像學(xué)檢查
所有人員進(jìn)行常規(guī)的低劑量CT掃描,發(fā)現(xiàn)肺部結(jié)節(jié)后進(jìn)行靶掃描+二三維度重建,靶掃描采用較高劑量進(jìn)行掃描(120kV,408mA),且針對(duì)病灶部位進(jìn)行掃描,執(zhí)行ROI重建并且圖像重建大小為1024×1024,層厚為lmm,層數(shù)為56層。參與的讀片醫(yī)師均為影像科高年資中級(jí)以上醫(yī)師,每次3人以上一起讀片。
1.5??3DMV-CNN技術(shù)方法
3D多視野卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于筆者醫(yī)院已購(gòu)置和使用多年的飛圖影像系統(tǒng)進(jìn)行。以病人靶掃描的圖像作為數(shù)據(jù)來(lái)源,由3名高年資影像醫(yī)師進(jìn)行標(biāo)注,選擇最能夠體現(xiàn)肺結(jié)節(jié)特征的3層圖像。針對(duì)每一個(gè)具有金標(biāo)準(zhǔn)的病灶,用矩形框標(biāo)注出病灶的每一層結(jié)構(gòu)。其中,肺癌設(shè)置標(biāo)簽為1,肺良性病變?cè)O(shè)置標(biāo)簽為2。288例數(shù)據(jù)里面總共標(biāo)注了和48個(gè)肺癌結(jié)節(jié)和240個(gè)穩(wěn)定肺結(jié)節(jié)。本課題組按5∶3的比例將數(shù)據(jù)隨機(jī)分成訓(xùn)練集和預(yù)測(cè)集兩組,研究采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,參數(shù)如下-使用分割數(shù)據(jù):否;方法:Quick;避免過(guò)度訓(xùn)練:50%;設(shè)置隨機(jī)種子數(shù):否;按條件停止:Times?1?min;優(yōu)化=memory;繼續(xù)訓(xùn)練存在的模型:否;使用二進(jìn)制元集合編碼:是;顯示反饋圖:是。
1.6??miRNA檢測(cè)
采集兩組研究對(duì)象清晨空腹肘靜脈血10ml,抗凝后以2000r/min的速度離心15min。按照說(shuō)明書(shū)使用miRNeasy?Mini?Kits提取外周血RNA,下一步進(jìn)行聚合酶鏈檢測(cè)(polymerase?chain?reaction,PCR),具體參數(shù):預(yù)反應(yīng)(95℃,2min)-解鏈(95℃,5s)-退火(56℃,5s)-延伸(72℃,35s),共35個(gè)循環(huán)。miRNA130a:上游5′-CATGTTTAAACAAGGCA?TTGATTGCACTTGA-3′,下游5′-GCCCTCGAGTG?TAGTGCAAAACAATAAAT-3′;miR204-5p:上游5′-AAGTTGGAGCCCATGAAATC-3′,下游5′-GTAG?GTAGTCAATTAACTGGAGCAT-3′。
1.7??基因型檢測(cè)外周血
CYP1A1、GST及XRCC1基因型檢測(cè)使用QuantStudio?5?IVD實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析儀,利用PCR-RFLP技術(shù)分析位點(diǎn)多態(tài)性。具體參數(shù):CYP1A1:上游5′-TAGGAGTCTTGTCTCATGCCT-3′,下游5′-CAGTGAAGAGGTGTAGCCGCT-3′;GSTP1:上游,5′-CCUACACCGUGGUCUAUUUTT-3′,下游5′-AAAUAGACCACGGUGUAGGTT-3′;XRCC1-?rs25487:5′-CCAACACCCCCAAGTACAGC-3′;下游5′-TGGAGGAGCAGTTTGTGCAA-3′。
1.8??統(tǒng)計(jì)學(xué)方法
采用SPSS21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一般分析。設(shè)定的檢驗(yàn)水準(zhǔn)為0.05。符合正態(tài)分布及方差齊性檢驗(yàn)的定量數(shù)據(jù)使用雙尾T檢驗(yàn),不符合的使用獨(dú)立樣本MannWhitney檢驗(yàn),計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)使用卡方分析。miRNA-130a,miRNA-204-5p,平均血氧飽和度,最低血氧飽和度,運(yùn)動(dòng)量受試者工作特征(receiver?operating?characteristic,ROC)曲線,F(xiàn)VC預(yù)計(jì)值,肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑,肺癌早期預(yù)警模型與單純影像學(xué)模型和曲線下面積(area?under?the?ROC?curve,AUC)以及可信區(qū)間采用GraphPad?Prism8繪制和計(jì)算。
2??結(jié)果
2.1??流行病學(xué)、生命體征、運(yùn)動(dòng)量、肺功能、影像學(xué)比較
與進(jìn)展組比較,肥胖卡方平均血氧飽和度,最低血氧飽和度,F(xiàn)VC預(yù)計(jì)值,運(yùn)動(dòng)量,肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均<0.001),詳見(jiàn)表1。
外周血miRNA-130a,miRNA-204-5p表達(dá)水平比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,詳見(jiàn)表2。CYP1A1、GST及XRCC1基因型比較,經(jīng)直接卡方檢驗(yàn),CYP1A1(χ2=13.1489,P<0.001),GST(χ2=4.1142,P=0.043),XRCC1(χ2=8.518,P=0.014),詳見(jiàn)表3。
2.2??ROC曲線分析
平均血氧飽和度、最低血氧飽和度、FVC預(yù)計(jì)值,運(yùn)動(dòng)量,肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑,外周血miRNA-130a,miRNA-204-5p表達(dá)水平受試者工作曲線分析,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見(jiàn)圖1。
2.3??肺癌早期預(yù)警模型與單純影像學(xué)模型在驗(yàn)證組中的診斷價(jià)值
在共320人次的驗(yàn)證組中,肺癌早期預(yù)警模型(納入miRNA-130a,miRNA-204-5p,平均血氧飽和度,最低血氧飽和度,運(yùn)動(dòng)量ROC曲線,F(xiàn)VC預(yù)計(jì)值和肺結(jié)節(jié)長(zhǎng)徑)敏感度(83.33%?vs.?80.39%),特異性(93.14%?vs.?89.71%),準(zhǔn)確度(87.63%?vs.?83.67%),陽(yáng)性預(yù)測(cè)值(95.63%?vs.?93.13%),陰性預(yù)測(cè)值(73.85%?vs.?70.80%),AUC(0.916?vs.?0.834)均高于單純影像學(xué)組,見(jiàn)表4。
3??討論
由于早期腫瘤的發(fā)生、發(fā)展極為復(fù)雜,目前發(fā)現(xiàn)的分子生物標(biāo)志對(duì)早期肺癌判別的靈敏度和特異性并不令人滿意,且大多集中于某一方面的機(jī)制研究。因此迫切需要綜合運(yùn)用多種機(jī)制和手段,同時(shí)需要吸收其他相關(guān)學(xué)科的新技術(shù)和新發(fā)展,共同解決肺癌早期診斷問(wèn)題。因此,利用掌握的涉及不同機(jī)制的分子生物標(biāo)志,同時(shí)聯(lián)合影像學(xué)數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)分類模型,將對(duì)提高肺癌的早期判別準(zhǔn)確率產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。
本次研究發(fā)現(xiàn)肺功能FVC值越低,平均血氧飽和度越低,最低血氧飽和度越低,運(yùn)動(dòng)量越少,越消瘦的COPD合并肺結(jié)節(jié)患者進(jìn)展的概率越高,可能和此類患者體內(nèi)炎癥水平較高有關(guān)。國(guó)內(nèi)124例晚期肺癌患者研究提示CYP1A1突變純合型(m2/m2)頻率顯著高于對(duì)照組(31.45%?vs.?14.51%)[3],數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),證明CYP1A1?MspI位點(diǎn)為m2/m2基因型與肺癌易感性有相關(guān)性。本次研究進(jìn)展組CYP1A1(m2/m2)外周血基因型比例同樣顯著高于穩(wěn)定組(46%?vs.?14%),與既往研究相符。東北地區(qū)408例晚期肺癌患者研究提示GSTM1缺陷型與GSTM1功能型基因相比,缺陷型基因攜帶者患肺癌的危險(xiǎn)升高2.084倍[4],本次研究進(jìn)展組GST功能型比例低于穩(wěn)定組(38%?vs.?52%),與既往研究相符。有研究結(jié)果顯示[5],攜帶XRCC1GG基因型在低分化、Ⅳ期NSCLC患者中分布較多,而本研究中進(jìn)展組XRCC1GG比例顯著高于穩(wěn)定組(42%?vs.?23%)。MiRNA在肺癌中的運(yùn)用也是研究熱點(diǎn),???110例晚期肺癌患者的研究提示血清中miRNA-130a表達(dá)水平對(duì)進(jìn)展期非小細(xì)胞肺癌患者預(yù)后有預(yù)測(cè)作用[6]。本次研究外周血miRNA-130a預(yù)測(cè)作用略低于既往研究,但仍可證實(shí)miRNA-130a在肺癌研究中的價(jià)值。
肺癌早期預(yù)警模型的目的就是盡量在沒(méi)有任何癥狀的情況下,通過(guò)各類檢測(cè)手段,包括但不限于驗(yàn)外周血和醫(yī)學(xué)成像,來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的腫瘤或疾病。本研究擬開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)聯(lián)合影像學(xué)及多種腫瘤標(biāo)記在肺癌早期預(yù)警模型中的運(yùn)用研究。從肺癌遺傳易感標(biāo)志和早期效應(yīng)標(biāo)志2個(gè)方面為切入點(diǎn),篩選了多種表觀遺傳相關(guān)血清腫瘤標(biāo)志物包括CYP1A1、GST、XRCC1基因分型以及相關(guān)miRNA-130a、miRNA-204-5p,流行病學(xué)資料,肺功能學(xué),3個(gè)月物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)生命體征相聯(lián)合。檢測(cè)這些指標(biāo)對(duì)肺癌早期預(yù)警或診斷的相關(guān)性,抽取可用于肺癌早期預(yù)警或診斷的有效特征,構(gòu)建準(zhǔn)確的肺癌-肺良性疾病輔助診斷模型,為高危人群的篩查和臨床肺癌的早期診斷提供有價(jià)值的參考資料。
該研究為單中心小樣本研究,部分指標(biāo)雖有差異,但因樣本數(shù)量問(wèn)題差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。另因?yàn)橹改弦?guī)范和倫理學(xué)原因,不可能對(duì)所有穩(wěn)定組受試者進(jìn)行病理學(xué)活檢。研究開(kāi)始時(shí)國(guó)內(nèi)尚無(wú)物聯(lián)網(wǎng)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀獲批,故只能采用經(jīng)校正的通用設(shè)備進(jìn)行生命體征及運(yùn)動(dòng)量記錄。miRNA檢測(cè)和基因型檢測(cè)均采用外周血樣本進(jìn)行PCR檢測(cè),未動(dòng)態(tài)復(fù)查,也未進(jìn)行肺組織及蛋白水平交叉驗(yàn)證。這些不足之處有待于下一步多中心大樣本研究進(jìn)一步補(bǔ)充數(shù)據(jù)。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。
[參考文獻(xiàn)]
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(收稿日期:2023–03–10)
(修回日期:2023–11–15)