AI成癌癥治療新幫手

□ 文/ 英偉達(dá)

對(duì)于醫(yī)療專業(yè)人員而言，新技術(shù)可以改變他們的工作方式，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的診斷并提升護(hù)理服務(wù)。對(duì)于患者而言，醫(yī)療創(chuàng)新減輕了痛苦并挽救了生命。深度學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于醫(yī)療的各個(gè)階段，創(chuàng)造出醫(yī)生和患者都可以利用的工具，以提高護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)和生活質(zhì)量。

醫(yī)療用AI幫助簡(jiǎn)化癌癥治療過(guò)程

預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)，癌癥發(fā)病率將增長(zhǎng)63%。為了滿足日益增長(zhǎng)的醫(yī)療需求，醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者正轉(zhuǎn)向使用人工智能工具，來(lái)幫助放射腫瘤學(xué)家更快地提供高質(zhì)量、個(gè)性化的治療。

全球領(lǐng)先的醫(yī)療健康公司Siemens Healthineers（西門子醫(yī)療）正在使用基于NVIDIA GPU的超級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)人工智能軟件，以生成器官分割，從而實(shí)現(xiàn)精確的放射治療。

Siemens Healthineers的Sherlock AI超級(jí)計(jì)算機(jī)由英偉達(dá) HGX 1和HGX 2服務(wù)器提供動(dòng)力，這些服務(wù)器裝載了英偉達(dá)V100 Tensor核心GPU。該系統(tǒng)提供20千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，每天可用于500多個(gè)人工智能實(shí)驗(yàn)。

西門子Healthineers和英偉達(dá)都在科羅拉多州丹佛市外舉行的醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)會(huì) (Society for imaging Informatics in Medicine) 年會(huì)上分享了他們?cè)卺t(yī)學(xué)影像人工智能方面的最新成果。該活動(dòng)將醫(yī)學(xué)信息學(xué)社區(qū)聚集在一起，分享、討論和解決醫(yī)學(xué)成像面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

增強(qiáng)放射治療工作流程

癌癥放射治療是一項(xiàng)復(fù)雜的工作流程，包括對(duì)患者進(jìn)行建模、繪制目標(biāo)和危及器官的輪廓、模擬治療過(guò)程、規(guī)劃和實(shí)施治療。

在這一過(guò)程中，最耗時(shí)的任務(wù)之一是保護(hù)患者腫瘤周圍處于危險(xiǎn)中的健康器官，使他們避免遭受過(guò)度的輻射劑量。傳統(tǒng)上，放射腫瘤學(xué)家會(huì)勾勒出腫瘤的靶區(qū)體積和處于危險(xiǎn)中的器官，并決定在不損害鄰近正常組織的情況下應(yīng)該使用多少輻射劑量來(lái)治療腫瘤。

為了幫助腫瘤學(xué)家更快地制定放射治療計(jì)劃，西門子Healthineers使用Syngo.via RT Image Suite，這是一種通過(guò)人工智能輔助自動(dòng)繪制器官輪廓的軟件工具。通過(guò)使用Sherlock超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)450多萬(wàn)張圖像進(jìn)行訓(xùn)練，AI模型節(jié)省了放射腫瘤學(xué)家的時(shí)間，并簡(jiǎn)化了勾勒器官輪廓的任務(wù)。在他們目前的研究中，西門子Healthineers已使用人工智能技術(shù)自動(dòng)勾勒出28個(gè)器官的輪廓。

西門子 Healthineers放射腫瘤學(xué)軟件和概念定義主管Fernando Vega博士表示： “人工智能輔助繪制自動(dòng)輪廓有助于節(jié)省時(shí)間，并提高危險(xiǎn)器官輪廓繪制的標(biāo)準(zhǔn)化。這使得放射腫瘤學(xué)醫(yī)生們能夠更好地關(guān)注病人護(hù)理的其他關(guān)鍵方面?！?/p>

利用軟件編寫軟件

在AI醫(yī)療成像風(fēng)潮的背后，是軟件開發(fā)范式中的一個(gè)新動(dòng)態(tài)：能夠編寫其他軟件的軟件出現(xiàn)。

傳統(tǒng)上，工程師從頭到尾地編寫應(yīng)用程序是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，需要專門的計(jì)算技能?，F(xiàn)在，有了強(qiáng)大的計(jì)算資源，AI算法可以利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像分析等過(guò)程，而無(wú)需開發(fā)人員明確地為每個(gè)元素編碼。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直參與機(jī)器學(xué)習(xí)的西門子Healthineers正在利用Sherlock系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種AI功能。

超級(jí)計(jì)算機(jī)從該公司的大量數(shù)據(jù)湖中學(xué)習(xí)了超過(guò)7.5億個(gè)圖像，以及放射學(xué)報(bào)告和臨床和基因組數(shù)據(jù)。到目前為止，它已經(jīng)開發(fā)出40多種批準(zhǔn)用于臨床的AI驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

西門子Healthineers人工智能和數(shù)字創(chuàng)新高級(jí)副總裁Dorin Comaniciu博士說(shuō)：“我們認(rèn)為，人工智能正在進(jìn)入軟件開發(fā)的新時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代，先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、大量的精選數(shù)據(jù)和巨大的計(jì)算能力匯集在一起，提供了強(qiáng)大的性能和極高的臨床價(jià)值?！?/p>

簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的基礎(chǔ)設(shè)施

西門子 Healthineers的20 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)Sherlock超級(jí)計(jì)算機(jī)滿足了醫(yī)療健康行業(yè)的關(guān)鍵計(jì)算需求，提供優(yōu)化和可擴(kuò)展的基礎(chǔ)架構(gòu)，可用于開發(fā)成像和其他臨床應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)工具。

英偉達(dá) DGX POD參考架構(gòu)為設(shè)置可擴(kuò)展的AI計(jì)算系統(tǒng)提供了經(jīng)過(guò)測(cè)試的基礎(chǔ)設(shè)施。通過(guò)DGXReady 數(shù)據(jù)中心計(jì)劃，英偉達(dá)及其托管服務(wù)提供商為客戶提供簡(jiǎn)化、快速的部署，為醫(yī)療行業(yè)建立和部署世界級(jí)的AI數(shù)據(jù)中心。

GPU如何幫助革新癌癥研究？

隨著越來(lái)越多的醫(yī)生試圖借助最新技術(shù)來(lái)改善治療方式，總部位于以色列的TechsoMed開始利用Quadro RTX和AI來(lái)對(duì)抗癌癥。

大多數(shù)人都知道化學(xué)療法和外科手術(shù)可以用于治療癌癥，但有一種方法卻經(jīng)常被忽略掉——那就是熱消融。

熱消融是一種微創(chuàng)過(guò)程，可以借助熱來(lái)治療早期腫瘤。這是一種既安全又有效的方法，對(duì)于患者、特別是無(wú)法進(jìn)行手術(shù)的患者來(lái)說(shuō)是最佳的替代療法之一。

然而，執(zhí)行熱消融的醫(yī)生通常沒有有效的工具查看或控制手術(shù)過(guò)程中產(chǎn)生的損傷，這意味著腫瘤可能切除不完整，也可能導(dǎo)致健康的人體組織的損傷。而且，醫(yī)生還需要等待長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)的時(shí)間才能知道手術(shù)是否有效。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，TechsoMed開發(fā)出世界上第一個(gè)用于熱消融的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)BioTrace。

在英偉達(dá) Quadro RTX 8000 GPU的幫助下，BioTrace將AI算法應(yīng)用于超聲設(shè)備上的圖像數(shù)據(jù)，以此在熱消融過(guò)程中執(zhí)行監(jiān)測(cè)和分析。

該技術(shù)可跟蹤組織的實(shí)時(shí)生物反應(yīng)，讓醫(yī)生可以更好地了解癌癥治療的結(jié)果。

RTX讓實(shí)時(shí)反饋成真

為了讓BioTrace快速處理數(shù)據(jù)并提供實(shí)時(shí)反饋，TechsoMed使用了安裝于Lenovo ThinkStation P920工作站內(nèi)的雙NVIDIA Quadro RTX 8000運(yùn)行高級(jí)AI算法。

Quadro RTX 8000基于NVIDIA最新Turing架構(gòu)，以及專為加速AI算法而設(shè)計(jì)的Tensor Core，功能十分強(qiáng)大。

通過(guò)NVIDIA NVLink高速互連技術(shù)，TechsoMed將兩顆RTX 8000 GPU相結(jié)合，性能和內(nèi)存容量擴(kuò)展到96GB，這對(duì)于實(shí)時(shí)處理海量圖像數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

TechsoMed創(chuàng)始人兼CEO Yossi Abu表示：“BioTrace通過(guò)人工智能算法和圖形處理技術(shù)打消了人們對(duì)消融方法的質(zhì)疑，而NVIDIA RTX GPU恰是這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的左膀右臂。通過(guò)定義醫(yī)生查看腫瘤所需的準(zhǔn)確算法，RTX幫助TechsoMed將熱消融提升到了新的層次?！?/p>

BioTrace的效果十分顯著。RTX帶來(lái)的清晰圖像和實(shí)時(shí)反饋，提升了醫(yī)生的準(zhǔn)確性，從而降低周圍健康組織的損害、加快恢復(fù)速度、減少潛在并發(fā)癥。

為了檢測(cè)細(xì)胞的變化，技術(shù)人員經(jīng)常截取部分組織樣本，在顯微鏡下進(jìn)行檢查。但這種方法限制了研究人員對(duì)組織完整樣本的觀察。

“如果懷疑患有乳腺癌，醫(yī)生會(huì)進(jìn)行活組織檢查。 但他們需要將組織切成薄片以將其放置在顯微鏡下，因此活組織切片僅顯示組織的一小部分，“賓夕法尼亞大學(xué)計(jì)算表型組學(xué)計(jì)劃主任、病理學(xué)教授Keith C. Cheng博士說(shuō)，“它沒有顯示任何體積數(shù)據(jù)，你只能獲得細(xì)胞的統(tǒng)計(jì)抽樣?！?/p>

正因?yàn)槿绱耍珻heng博士開始致力于X射線微斷層掃描技術(shù)(micro- tomography，簡(jiǎn)稱micro-CT)。這種技術(shù)通過(guò)對(duì)組織樣本進(jìn)行一次掃描，就可以獲得高分辨率的完整三維圖像。對(duì)于這種計(jì)算密集型的工作，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究小組使用NVIDIA RTX GPU對(duì)3D模型進(jìn)行數(shù)字重建，并在VR中查看它們。

RTX光線追蹤幫助研究人員深入研究細(xì)節(jié)

Micro-CT是X射線成像，使研究人員能夠從樣品中重建3D結(jié)構(gòu)而無(wú)需解剖或破壞它們。NVIDIA RTX GPU有助于快速完成圖像重建——每個(gè)樣本大約一分鐘——允許用戶快速訪問(wèn)整個(gè)活檢的虛擬3D模型。

Cheng博士和他的同事在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行成像，他們?cè)谀抢锝ㄔ炝艘慌_(tái)定制機(jī)器?；赥uring的RTX GPU利用RT Cores加速光線追蹤并提供顯示大量數(shù)據(jù)的高質(zhì)量圖像。

掃描樣本后，團(tuán)隊(duì)在桌面上使用VR軟件工具syGlass查看圖像。 GPU在移動(dòng)控件時(shí)計(jì)算可視化，使他們能夠在VR中探索，操作和檢查3D模型。

根據(jù)Cheng博士的說(shuō)法，這種新的3D成像方法產(chǎn)生的細(xì)節(jié)水平將推動(dòng)癌癥診斷等醫(yī)療領(lǐng)域，因?yàn)樗试S研究人員計(jì)算和檢測(cè)組織中癌細(xì)胞的數(shù)量。

為了展示這種新的RTX驅(qū)動(dòng)技術(shù)，Cheng博士創(chuàng)建了一個(gè)斑馬魚的數(shù)字模型，可以在任何平面上進(jìn)行虛擬切片和可視化。

“NVIDIA RTX GPU有助于以比我們想象的更快的速度創(chuàng)建3D圖像，因此現(xiàn)在我們可以訪問(wèn)更全面的數(shù)據(jù)，并查看比以往更高分辨率的完整樣本。” Cheng博士說(shuō)。

使用最新的RTX技術(shù)，專業(yè)人員可以創(chuàng)建樣本的高分辨率圖像，使他們能夠分析每個(gè)細(xì)胞并深入了解可以進(jìn)一步推進(jìn)醫(yī)學(xué)研究的數(shù)據(jù)。