基于大數(shù)據(jù)和人工智能的超聲醫(yī)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題研究

王海星，楊志清，郭玲玲，郭燕青，張 靚，齊 昊，2

1. 山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院醫(yī)療大數(shù)據(jù)中心，山西 太原 030001；

2. 山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，山西 太原 030001

2019年，大數(shù)據(jù)、人工智能（artificial intelligence，AI）再次寫入政府工作報(bào)告，大數(shù)據(jù)和AI研發(fā)應(yīng)用已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。數(shù)據(jù)、算法、算力的優(yōu)化提升為驅(qū)動(dòng)新一代AI發(fā)展注入能量。同時(shí)，《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》和《健康中國(guó)行動(dòng)（2019—2030年）》強(qiáng)調(diào)了醫(yī)療大數(shù)據(jù)和AI在健康領(lǐng)域的重要作用，并鼓勵(lì)其與實(shí)際業(yè)務(wù)融合、促進(jìn)。大數(shù)據(jù)和AI作為臨床的輔助手段，為提高醫(yī)師診療效率，提高診斷準(zhǔn)確率，輔助基層診療能力的發(fā)展，建立優(yōu)質(zhì)高效的醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系發(fā)揮著重要作用。

在此背景下，超聲醫(yī)學(xué)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。超聲醫(yī)學(xué)AI技術(shù)越來(lái)越成熟，越來(lái)越接近于臨床應(yīng)用［1］。本研究從大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)在超聲醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用存在的問(wèn)題及建議這4個(gè)方面系統(tǒng)探討近年來(lái)大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)在超聲醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用概況。

1 大數(shù)據(jù)和AI在超聲醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲影像既能顯示內(nèi)臟器官的解剖結(jié)構(gòu)，又能顯示器官的生理功能，且操作簡(jiǎn)便、價(jià)廉，便于重復(fù)檢查和比較觀察。鑒于這些顯著特點(diǎn)，超聲影像在甲狀腺、乳腺、肝臟、婦科等疾病的檢查中應(yīng)用廣泛。大數(shù)據(jù)時(shí)代的超聲醫(yī)學(xué)為診斷模式帶來(lái)深刻變革。

1.1 超聲AI的主要學(xué)習(xí)方法

深度學(xué)習(xí)方法是AI開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks，CNN）是目前最流行的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)之一，在圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)分割等各種任務(wù)中取得了很大進(jìn)展［2］。Buda等［3］利用CNN開(kāi)發(fā)出一種利用甲狀腺超聲圖像來(lái)決定是否進(jìn)行活檢的算法，深度學(xué)習(xí)算法的靈敏度為87%，特異度為52%，研究表明，深度學(xué)習(xí)算法對(duì)甲狀腺結(jié)節(jié)活檢建議的靈敏度和特異度與使用甲狀腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Thyroid Imaging Reporting and Data System，TI-RADS）作出診斷的放射科專家相似。相關(guān)研究利用GoogleNet CNN對(duì)超聲乳腺圖像進(jìn)行良惡性鑒別，該網(wǎng)絡(luò)的靈敏度為86%，特異度為96%，實(shí)踐證明該網(wǎng)絡(luò)可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)惡性病變進(jìn)行分類，為放射科醫(yī)師鑒別惡性病變提供依據(jù)［4-5］。

1.2 超聲AI輔助診斷的研究進(jìn)展

1.2.1 甲狀腺結(jié)節(jié)超聲輔助診斷

國(guó)內(nèi)外指南公認(rèn)超聲是甲狀腺結(jié)節(jié)首選影像學(xué)檢查方法，具有靈敏度、特異度高的特點(diǎn)。目前，對(duì)于甲狀腺結(jié)節(jié)的診斷，輔助診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確率已經(jīng)可以達(dá)到有經(jīng)驗(yàn)的超聲醫(yī)師的水平。有證據(jù)表明AI技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)超聲不可避免的局限性有很好的改善效果，將診斷標(biāo)準(zhǔn)與AI相結(jié)合可能對(duì)甲狀腺診斷有很大的促進(jìn)作用。標(biāo)準(zhǔn)化和新技術(shù)的發(fā)展是改善甲狀腺超聲的關(guān)鍵因素，在正常的臨床應(yīng)用中應(yīng)加以考慮［6］。

Choi等［7］比較了89例患者102個(gè)甲狀腺結(jié)節(jié)，結(jié)果計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)顯示與有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師有相似的靈敏度（90.7%vs88.4%，P＞0.99），但特異度較小，且受試者工作特征曲線的曲線下面積較?。ㄌ禺惗葹?4.6%vs94.9%，P=0.002；曲線下面積為0.83vs0.92，P=0.021）。計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)與有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師的診斷結(jié)果具有一致性。賈菊萍［8］通過(guò)比較超聲診斷、AI輔助系統(tǒng)，以及兩者聯(lián)合應(yīng)用對(duì)甲狀腺結(jié)節(jié)的鑒別診斷結(jié)果，認(rèn)為在傳統(tǒng)超聲診斷的基礎(chǔ)之上，聯(lián)合應(yīng)用AI輔助系統(tǒng)，能夠提高甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性的診斷價(jià)值，具有高靈敏度、低特異度等優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)出良好的臨床應(yīng)用前景。

1.2.2 乳腺腫瘤的超聲輔助診斷

在乳腺良惡性腫瘤的檢測(cè)中，超聲是一種有價(jià)值的成像模式。乳腺良惡性腫瘤資料收集和圖像標(biāo)注能夠支持開(kāi)展超聲AI輔助診斷。李程等［9］依據(jù)病理學(xué)檢查結(jié)果分析了超聲AI設(shè)備對(duì)乳腺良惡性腫瘤診斷的準(zhǔn)確率，結(jié)果顯示乳腺超聲AI的靈敏度為96.06%、特異度為97.46%，與病理學(xué)檢查結(jié)果一致性良好。

1.2.3 其他疾病的超聲AI輔助診斷

中國(guó)自主研發(fā)的超聲影像大數(shù)據(jù)AI輔助診斷技術(shù)在慢性乙肝患者的肝纖維化分期診斷上獲得了新突破。將深度學(xué)習(xí)算法用于頸動(dòng)脈病變?cè)\斷中，能夠?qū)崟r(shí)獲取精準(zhǔn)的內(nèi)中膜厚度數(shù)據(jù)，診斷更加快速、準(zhǔn)確［10］。

2 AI在超聲醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在當(dāng)前醫(yī)療服務(wù)環(huán)境下，超聲醫(yī)學(xué)發(fā)展面臨諸多困境，一方面，超聲醫(yī)師數(shù)量不足、分布不均；另一方面，超聲圖像質(zhì)量參差不齊。超聲AI可以為醫(yī)師的閱片提供輔助參考，節(jié)約了醫(yī)師和患者的時(shí)間，提高了診斷、放療及手術(shù)的精確度。同時(shí)，AI通過(guò)算法優(yōu)化，可以對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化處理和精細(xì)化分析，提升超聲診斷對(duì)臨床治療的指導(dǎo)意義。

AI在超聲醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。第一，減輕醫(yī)務(wù)人員工作量，提高診斷效率。AI輔助診斷方式具有診斷速度快、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可連續(xù)工作、可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以輔助臨床醫(yī)師作快速、準(zhǔn)確的分析判斷，代替醫(yī)師進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)工作，可以大大減輕醫(yī)務(wù)人員的工作負(fù)擔(dān)。

第二，減少人工判讀的主觀性偏差，提高診斷準(zhǔn)確性。超聲AI在疾病診斷中發(fā)揮著潛在的作用，但醫(yī)師的操作水平和經(jīng)驗(yàn)也會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生影響，易導(dǎo)致假陽(yáng)性和假陰性的結(jié)果。發(fā)揮AI在超聲醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力，充分挖掘影像數(shù)據(jù)，不僅能夠輔助臨床決策，有效地避免人工判讀產(chǎn)生的主觀性偏差，提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)化程度，還能夠提高患者的診療質(zhì)量，延長(zhǎng)生存周期［11］。

第三，在疾病預(yù)測(cè)、疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、治療方案制定方面帶來(lái)參考性的臨床建議和解決方案。超聲AI判讀結(jié)果可減少不必要的穿刺，有助于疾病描述、處置建議、指南參考等分析。

第四，提升基層醫(yī)療服務(wù)水平，促進(jìn)分級(jí)診療。超聲AI對(duì)于彌補(bǔ)基層超聲檢查能力不足，優(yōu)化醫(yī)療資源配置，有著重要的意義。

3 超聲AI應(yīng)用存在的問(wèn)題

超聲AI在實(shí)際應(yīng)用方面具有一定局限性。如診斷準(zhǔn)確率的問(wèn)題、技術(shù)準(zhǔn)入和監(jiān)管問(wèn)題、診斷流程和責(zé)任界定問(wèn)題、醫(yī)師的使用積極性問(wèn)題等。

3.1 診斷準(zhǔn)確率尚需提高

雖然AI大大提高了超聲圖像識(shí)別的能力，但AI真正應(yīng)用于臨床，還不具有完全獨(dú)立進(jìn)行診斷的能力，尚需在醫(yī)師的協(xié)同下進(jìn)行工作。因此，優(yōu)化算法和計(jì)算結(jié)果，是超聲AI未來(lái)全面應(yīng)用于臨床的必要條件。AI在超聲醫(yī)學(xué)中的圖像標(biāo)注和識(shí)別，應(yīng)處于不斷優(yōu)化的過(guò)程。

3.2 缺乏準(zhǔn)入和監(jiān)管制度

AI技術(shù)的快速發(fā)展為其產(chǎn)品的準(zhǔn)入和監(jiān)管帶來(lái)新的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。超聲AI產(chǎn)品屬于創(chuàng)新研發(fā)產(chǎn)品，當(dāng)前在技術(shù)管理規(guī)范、技術(shù)準(zhǔn)入、應(yīng)用收費(fèi)等方面的制度缺乏，需要不斷完善管理。中國(guó)有部分政策對(duì)AI的到來(lái)作出了一些響應(yīng)，但是目前尚未有一個(gè)專門致力于數(shù)字化醫(yī)療和AI技術(shù)審評(píng)的新部門，而美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始著手成立相關(guān)部門，展望AI的未來(lái)發(fā)展及其對(duì)社會(huì)的廣泛影響［12］。

3.3 診斷流程和責(zé)任界定不清晰

超聲影像作為機(jī)器與人協(xié)同配合的檢查方式，超聲檢查圖像的質(zhì)量、檢查結(jié)果的判讀常受到多種因素影響，需要超聲醫(yī)師具有豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)并且和其他相關(guān)科室密切配合才能得出準(zhǔn)確的結(jié)果。雖然基于AI超聲診斷可以提高圖像分析的效率和準(zhǔn)確性，但是其有效性也需要整合到現(xiàn)有臨床工作流程中加以衡量［13］。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲AI屬于人機(jī)協(xié)同診斷，對(duì)于AI和醫(yī)師配合的責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)尚未全面剖析，相關(guān)法律和管理制度缺位。

4 超聲AI應(yīng)用建議

AI具有對(duì)海量數(shù)據(jù)快速處理的優(yōu)越性，能夠?qū)εR床檢查、治療活動(dòng)提出科學(xué)的輔助診斷建議，但其臨床應(yīng)用的局限性也持續(xù)存在。為此，超聲AI的應(yīng)用發(fā)展既要注重AI診斷能力的優(yōu)化提升，也要加強(qiáng)人機(jī)協(xié)同，同時(shí)還需要從政策層面提出相應(yīng)的鼓勵(lì)與監(jiān)管措施。

4.1 強(qiáng)化超聲影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，優(yōu)化算法算力

醫(yī)學(xué)是容錯(cuò)率極低的科學(xué)，超聲AI的輔助診斷結(jié)果準(zhǔn)確率再高也不為過(guò)。只有具備完全獨(dú)立診斷能力，才能更好地發(fā)揮其在臨床應(yīng)用中的價(jià)值。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和算法模型的構(gòu)建是影響超聲AI診斷準(zhǔn)確率的重要條件。超聲AI的應(yīng)用，需要獲得高質(zhì)量的超聲圖像數(shù)據(jù)以及高水平?？漆t(yī)師積極參與，通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)標(biāo)注和合理的模型設(shè)計(jì)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。超聲AI算法需克服不同圖片數(shù)據(jù)的偏差，并由有經(jīng)驗(yàn)的臨床醫(yī)師和算法工程師共同優(yōu)化。

4.2 注重人機(jī)協(xié)同

超聲AI的圖像采集需要醫(yī)師手動(dòng)完成，醫(yī)師的操作手法對(duì)AI診斷有直接的影響。因此，超聲AI的應(yīng)用需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師與智能診斷系統(tǒng)規(guī)范、協(xié)調(diào)地配合。應(yīng)定期開(kāi)展AI輔助診斷技術(shù)的醫(yī)師培訓(xùn)，使操作人員具備合格的技術(shù)能力。此外，機(jī)器程式化的診斷可能造成醫(yī)患隔閡，并削弱對(duì)疾病的多學(xué)科聯(lián)合診療。因此，想要發(fā)揮超聲AI在診斷中的優(yōu)勢(shì)，必須做好機(jī)器與人的協(xié)同配合。

4.3 加強(qiáng)準(zhǔn)入管理，加強(qiáng)應(yīng)用監(jiān)管

目前，我國(guó)現(xiàn)行政策已對(duì)AI輔助診斷技術(shù)的實(shí)施進(jìn)行了限定。2017年，原國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委制定了《AI輔助診斷技術(shù)管理規(guī)范》以及《AI輔助診斷技術(shù)臨床應(yīng)用質(zhì)量控制指標(biāo)》，為醫(yī)療機(jī)構(gòu)及醫(yī)務(wù)人員開(kāi)展AI輔助診斷設(shè)置了基本要求。2018年，《中國(guó)超聲醫(yī)學(xué)AI（USAI）行為準(zhǔn)則——北京宣言》發(fā)布，以促進(jìn)AI在超聲醫(yī)學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用，推動(dòng)超聲與AI發(fā)展深度融合、健康發(fā)展。

下一步，超聲醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)建立超聲AI的科學(xué)監(jiān)管體系，健全超聲AI應(yīng)用法律法規(guī)，進(jìn)一步完善評(píng)估AI穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的方案，克服AI醫(yī)療責(zé)任界定難題。