人工智能對我國衛(wèi)生健康的促進及其發(fā)展趨勢

鮑波濤 李妍 蒲江波 于淼 李婷

1中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所，天津300192；2電子科技大學光電科學與工程學院，成都610000；3北京青云航空儀表有限公司100086；4北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科100005

鮑波濤與李妍對本文有同等貢獻

0 引言

隨著人工智能（artificial intelligence）的快速發(fā)展，其在社會的各個領(lǐng)域均扮演著重要角色，尤其在我國衛(wèi)生健康領(lǐng)域，人工智能扮演著不可或缺的角色。如目前正在研究的腦機接口技術(shù)，對于一些患有運動障礙的患者而言具有極其重要的作用，不僅可幫助患者自主完成一些較為簡單的任務(wù)（如智能輪椅可幫助患者進行簡單的移動），還可幫助患者恢復大腦內(nèi)受損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。除此之外，智慧康復、智能診斷等均已在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。然而由于人類對于人工智能的研究尚處于初級階段，所以還存在著許多問題。例如人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的政策不完整、人工智能取代傳統(tǒng)技術(shù)所帶來的倫理道德問題以及復合型人才匱乏等[2]。本文對人工智能在我國醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)文獻進行梳理分析，以期為后續(xù)專家及學者的研究提供較為可靠的參考。

1 文獻來源

2020年7月，在中國知網(wǎng)高級檢索里將文獻分類目錄勾選為“醫(yī)藥衛(wèi)生科技”，主題確定為“人工智能”，數(shù)據(jù)來源類別設(shè)定為“全部期刊”，時間設(shè)定為2001—2020年。共檢索到14 529篇文獻，見圖1。

圖1 2001—2020年人工智能在我國醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)文量統(tǒng)計

1.1 發(fā)文量隨年份變化趨勢

由圖1可知，2015年以前人工智能在我國醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)文量很少，在500篇以內(nèi)；2015年以后，發(fā)文量急劇增加；2019年發(fā)文量已超過3 500篇。由此可見，目前人工智能在我國衛(wèi)生健康領(lǐng)域正處于飛速發(fā)展階段。

1.2 關(guān)鍵詞排序

對檢索得到的文獻進行可視化分析，根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次降序排列[1]，依次為人工智能、機器人、機器學習、機器人輔助、大數(shù)據(jù)、深度學習、腹腔鏡、醫(yī)療影像、決策系統(tǒng)等。這些直接反映了近年來我國衛(wèi)生健康領(lǐng)域內(nèi)人工智能的研究熱點。

2 人工智能在我國衛(wèi)生健康領(lǐng)域的應(yīng)用

為了解近年來人工智能在我國衛(wèi)生健康領(lǐng)域的應(yīng)用場景，筆者對近5年人工智能在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)文量進行了統(tǒng)計分析。時間設(shè)定為2016年1月1日—2020年8月1日，關(guān)鍵詞設(shè)定為“人工智能”和“醫(yī)療”，共檢索到1 488篇文獻。然后根據(jù)可視化分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞主要集中在診斷、醫(yī)療影像、智能康復、機器人等。為更進一步了解人工智能具體應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的哪些方面，筆者在主題后面分別加入限定詞“診斷”、“影像”、“智能康復”、“機器人”等，檢索得到的文獻數(shù)量分別為477、383、307、198篇，分別占近5年人工智能在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)文量的32%、26%、21%、13%（圖2）。

圖2 人工智能在我國醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中應(yīng)用場景比例

2.1 人工智能在診斷中的應(yīng)用

2.1.1 醫(yī)學影像技術(shù)

利用人工智能強大的數(shù)字存儲與計算能力，首先對一些病變組織進行物理掃描（如X光、超聲波等），然后采集可用信號科學運算后進行成像[3]。目前該技術(shù)已比較成熟，并應(yīng)用于許多方面，如核磁共振成像、心血管造影成像、正電子發(fā)射斷層成像、X射線計算機斷層成像等[4]。也有些影像技術(shù)極具前景但尚處于研究中，如光學相干斷層掃描（OCT）眼科成像、光學三維重建成像等。

2.1.2 在腫瘤方面的應(yīng)用

筆者對近年來發(fā)表的人工智能在腫瘤診斷方面應(yīng)用的論文進行了統(tǒng)計，主題輸入“人工智能+腫瘤+診斷”后通過高級檢索得到258篇文獻，占“診斷”相關(guān)論文總數(shù)的54%。由此可見，對于腫瘤的診斷是目前人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域[5]。人工智能在口腔腫瘤、胃腸道腫瘤、肝膽腫瘤和乳腺腫瘤等方面均具有重要的應(yīng)用。對于口腔腫瘤的診治，傳統(tǒng)方法是對口腔腫瘤進行病理切片后通過顯微鏡進行觀察，再利用相應(yīng)的專業(yè)知識進行分析，作出相應(yīng)的診斷[6]。但這種傳統(tǒng)方法太過于依賴醫(yī)生的醫(yī)療專業(yè)水平，且主觀性較強。在病理診斷中引入人工智能具有諸多優(yōu)勢，如提高工作效率，增加準確度等。2018年，有研究團隊對20多例頭頸部腫瘤患者邊界與正常人的黏膜組織數(shù)據(jù)進行深度學習，建立了腫瘤邊界的分析模型，其準確度可達80%以上[7-8]。此外，人工智能在醫(yī)學的其他方面也有應(yīng)用，如牙周病診斷、口腔黏膜癌前病變診斷等[9]。

2.1.3 在骨科方面的應(yīng)用

人工智能在骨科方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在臨床診斷和骨科手術(shù)中。人工智能不僅可透過人體的皮肉組織提取到骨骼方面的信息，還可提取到肉眼看不見的圖像特征，且其通過醫(yī)學影像診斷的水平與頂級醫(yī)生相當。在2018年杭州舉辦的中國醫(yī)師協(xié)會骨科醫(yī)師分會年會上，400多名骨科醫(yī)生對戰(zhàn)骨科人工智能閱片，結(jié)果人工智能綜合得分高于骨科醫(yī)生[10]。人工智能還可在術(shù)后結(jié)構(gòu)化存儲患者病例數(shù)據(jù)，并進行建模分析和數(shù)據(jù)挖掘，為醫(yī)生后續(xù)進行相關(guān)臨床研究提供支持。人工智能在骨科手術(shù)中的應(yīng)用主要是利用其較高的準確性，輔助3D打印技術(shù)精確地使內(nèi)固定物和實際骨折部位相重疊，從而極大提升手術(shù)的成功率，尤其是在粉碎性骨折手術(shù)方面。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于骨科創(chuàng)傷、脊柱外科、骨骼畸形等領(lǐng)域[11]。

中國是全球最大的骨科市場，據(jù)調(diào)查，2018年我國骨科專科醫(yī)院入院患者人數(shù)達145萬，相較于2017年增長了15%，2010年至2018年入院患者人數(shù)年均復合增長率達13%以上。此外，2018年我國骨科專科醫(yī)院手術(shù)人數(shù)達63萬，連續(xù)兩年增長15%左右[12]。由此可見，未來骨科方面的診斷和治療將在醫(yī)療領(lǐng)域占據(jù)更加重要的地位。

2.2 人工智能在輔助醫(yī)療方面的應(yīng)用

2.2.1 智慧康復

隨著我國人口老齡化的加劇，一些慢性?。ㄈ缒X卒中、偏癱等）的發(fā)病率呈增長趨勢。我國每年新發(fā)腦卒中患者人數(shù)達120～150萬，死亡人數(shù)達80～100萬，死亡率達66.7%。腦卒中會引發(fā)患者肢體運動功能障礙或喪失，存活者中約有75%致殘，極大影響了患者的日常生活[13]。采用傳統(tǒng)方法促進腦卒中康復過程中存在著許多問題，如效率低下、患者被動接受治療、康復訓練缺乏吸引力、無法精確控制和記錄訓練參數(shù)等。人工智能在助力康復醫(yī)療方面也有不俗的表現(xiàn)，目前基于人工智能技術(shù)研制出的上肢康復機器人、智能輪椅機器人等均可幫助患者進行主動治療。這些機器人均裝有智能反饋評估系統(tǒng)，能評估每個關(guān)節(jié)的活動度與握力大小，并保存患者的相關(guān)數(shù)據(jù)。上肢康復機器人一般可分為兩類：上肢末端執(zhí)行器和上肢外骨骼機器人[13]。前者是指設(shè)備通過末端（手和/或腕）帶動近端運動；后者是指通過較為復雜的機械結(jié)構(gòu)來模擬人的上肢，并可控制上肢的一個或多個關(guān)節(jié)進行康復訓練[14]。根據(jù)功能，上肢外骨骼機器人又可分為功能性電刺激輔助上肢康復機器人、虛擬現(xiàn)實技術(shù)上肢康復機器人、肌電圖上肢康復機器人和腦機接口上肢康復訓練機器人[15]。上肢康復機器人主要對手部功能進行康復訓練，如對手指進行敲擊訓練、手掌握拳等。上肢智能反饋評估系統(tǒng)可通過評估每個關(guān)節(jié)的活動度與握力大小及保存患者的相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)判定患者的康復程度提供支持；還能實時提供語音、視覺反饋及識別左右手訓練，并自動記錄康復訓練的全過程；也可進行針對性訓練，如對某個關(guān)節(jié)或多個關(guān)節(jié)進行多次訓練，也可在其中加入游戲環(huán)節(jié)，提高患者的興趣，加快康復進程。

智能輪椅機器人的主要應(yīng)用對象為下肢癱瘓的殘疾人群。每年有數(shù)萬人因交通事故、天災(zāi)人禍、生理疾病等喪失行動能力。機器人輪椅具有安全導航系統(tǒng)，能依靠超聲波或紅外光進行測距，有些還能進行語音交互，由患者自行控制輪椅，從而幫助下肢癱瘓的患者恢復簡單的行動能力。如俄羅斯ExoAtlet公司研發(fā)生產(chǎn)的“智能外骨骼”，可幫助下半身癱瘓的患者進行簡單的肢體動作，包括站立、簡單行走等。

2.2.2 交互機器人輔助醫(yī)療

人工智能在精神心理健康領(lǐng)域也具有重要作用，其在神經(jīng)病學、神經(jīng)心理學、心理治療方面具有重要的臨床意義。從“虛擬精神治療師”[16]到癡呆護理和自閉癥治療的社交機器人[17]、性功能障礙的治療機器人[18]，越來越多的人工智能產(chǎn)品被應(yīng)用于心理健康領(lǐng)域。虛擬精神治療師主要指利用人工智能技術(shù)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬聊天機器人，是基于深度學習研發(fā)的具有一定思維能力的機器人。該機器人具有一定的交互性，可通過標記患者的話語、表情來判斷患者當前的焦慮或抑郁狀態(tài)，且其自帶交互式屏幕的治療應(yīng)用程序，可幫助患者了解自身當前的精神狀態(tài)，減輕其焦慮、抑郁情況。同時，該機器人還可為自閉癥兒童提供各種形式的交互機會。有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自閉癥兒童雖與其他正常人群交流存在障礙，但對于和網(wǎng)絡(luò)虛擬機器人的交流卻有著很強的積極性[19]。自閉癥交互機器人的目標是指導兒童學習和發(fā)展社會技能。如最新設(shè)計的機器人Nao，具有較高的面部識別能力和適當?shù)淖⒁暦磻?yīng)[19]，可作為自閉癥兒童的伙伴，在相互交流中教會兒童一些基本的社交技能。

除了上述虛擬機器人，還有可用于手術(shù)的機器人，如達芬奇手術(shù)機器人，其由我國自主研發(fā)，可從不同維度進行手術(shù)，操作穩(wěn)定、精確，還可在醫(yī)生難以接觸的盲區(qū)進行手術(shù)。相較于傳統(tǒng)手術(shù)，達芬奇手術(shù)機器人具有諸多優(yōu)點，如手術(shù)更快、精確度更高、傷口更小、失血更少等[19]。

3 問題與展望

我國醫(yī)療人工智能在帶來新機遇的同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。第一，安全隱患問題。醫(yī)療人工智能在隱私信息安全、醫(yī)療安全、網(wǎng)絡(luò)安全等方面均可能存在隱患[2]。如個人隱私信息被非法人員通過網(wǎng)絡(luò)手段獲取、擴散、利用等造成個人隱私泄露；醫(yī)療算法模型存在缺陷可能導致醫(yī)療事故的發(fā)生[20]。第二，缺乏相關(guān)政策與相應(yīng)標準問題。近幾年，國家在人工智能方面發(fā)布的相關(guān)標準已超過200個。然而，對于人工智能來說依然不夠。人工智能深入醫(yī)療的每個環(huán)節(jié)，因此完整的標準體系是目前醫(yī)療單位在使用人工智能時最不可缺少的。第三，倫理道德問題。由于人工智能具有強大的數(shù)據(jù)存儲及分析能力，其在某些領(lǐng)域已可取代正常醫(yī)療人員，從而使他們面臨失業(yè)的風險[5]。同時一些智能器官的出現(xiàn)對于人的主體地位發(fā)起了一定的沖擊。第四，復合型人才比較匱乏。人工智能是一門嶄新的技術(shù)，而醫(yī)療人工智能又涉及自然語言處理、生物醫(yī)學、圖像處理、自動化等其他知識[21]。我國人工智能方面的技術(shù)人員嚴重匱乏，既精通人工智能又精通其他技術(shù)的人員更是甚少。因此，培養(yǎng)一批具有一定人工智能技術(shù)及醫(yī)學工程相關(guān)領(lǐng)域知識的人員是目前迫切需要解決的問題。

針對以上問題，筆者提出幾點建議：第一，為應(yīng)對安全隱患問題和缺少相關(guān)標準問題，建議國家相關(guān)部門加快制定相關(guān)政策與法律規(guī)定。盡量可以限制到人工智能在衛(wèi)生健康領(lǐng)域的方方面面，為所有病患和醫(yī)療人員提供一個可靠的環(huán)境。第二，加強倫理道德管控，堅持醫(yī)生在醫(yī)院的主導地位，明確人工智能是輔助診療和輔助管理相關(guān)信息的輔助工具。第三，加強對復合型技術(shù)人才的培養(yǎng)。高校開設(shè)人工智能和醫(yī)療技術(shù)結(jié)合的相關(guān)專業(yè)，并加強高校與醫(yī)院等醫(yī)療單位的人才聯(lián)合培養(yǎng)，提高其理論知識和實踐相結(jié)合的能力。同時制定相關(guān)政策從海外引進復合型高端人才。

志謝 感謝天津市特殊支持計劃高層次人才創(chuàng)新團隊的支持

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突