人工智能在突發(fā)性傳染病防治中的應(yīng)用*

邢夢雨，曹 慧，邱 鵬，王玥翔

（山東中醫(yī)藥大學(xué) 智能與信息工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250355）

在總結(jié)傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)面對突發(fā)性大規(guī)模傳染病具有局限性的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能近年的發(fā)展以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討人工智能在解決突發(fā)性大規(guī)模傳染病問題方面的發(fā)展和最新機(jī)遇，通過具體案例分析以及在本次新型冠狀病毒肺炎中的典型應(yīng)用來體現(xiàn)其具有的傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)不可比擬的先進(jìn)性。

1 人工智能的發(fā)展和應(yīng)用

1.1 人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過60多年的發(fā)展，人工智能在國際上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，目前正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的趨勢。歐美等國家紛紛出臺計(jì)劃，從國家層面推動人工智能的發(fā)展，試圖占據(jù)人工智能發(fā)展的最高點(diǎn)[1-2]。中國人工智能技術(shù)雖然起步較晚，但目前也已進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段，中國的人工智能研究正面臨前所未有的歷史發(fā)展機(jī)遇，具備諸多發(fā)展優(yōu)勢[1]。

1.2 人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的爆發(fā)，視覺識別、語音處理、自然語言處理等領(lǐng)域取得重大突破，人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開始進(jìn)入百花齊放的階段。其涉及的領(lǐng)域有人工智能+健康管理、人工智能+醫(yī)療服務(wù)、人工智能+臨床科研等，且在這些領(lǐng)域都取得了一些重要突破以及研究成果，這為人們對健康生活的需求提供了進(jìn)一步的保障[2]。

2 人工智能應(yīng)用于傳染病問題的解決

2.1 傳染病的特點(diǎn)

傳染病具有傳染性的特點(diǎn)，容易造成大規(guī)模傳播；具有突發(fā)性的特點(diǎn)，當(dāng)一種新型傳染病突然爆發(fā)時，由于缺乏治療經(jīng)驗(yàn)以及疫苗、藥物等，極易造成傳染病傳染的不可控性。另外，如果在傳播過程中沒有采取到位的防護(hù)措施，還容易造成病情的聚集性感染，后果尤為嚴(yán)重。

2.2 傳統(tǒng)醫(yī)療方式在解決傳染病帶來的問題時的局限性

一是傳統(tǒng)醫(yī)療資源總體上不足且分布不均衡。以我國為例，中國人口占世界的22%，但醫(yī)療衛(wèi)生資源僅占世界的2%[3]。二是傳統(tǒng)醫(yī)療方式容易造成醫(yī)護(hù)人員的感染以及普通人群在看病就醫(yī)過程中的交叉感染。三是僅僅依靠傳統(tǒng)醫(yī)療方式很難在短時間內(nèi)研發(fā)出相關(guān)的疫苗和藥物來對傳染病進(jìn)行有效地控制。四是僅僅依靠傳統(tǒng)醫(yī)療模式很難確定出易感染人群以及感染范圍，從而對阻斷傳染病的傳播造成時間上的延誤。

2.3 人工智能在解決傳染病問題上的優(yōu)勢

一是利用人工智能技術(shù)能夠高效率地減少病毒檢測中重復(fù)性的工作，通過有效篩選生物標(biāo)志物、預(yù)測藥物理化性質(zhì)等來加速藥物的研發(fā)過程。二是人工智能可實(shí)現(xiàn)對傳染病的早期預(yù)警、智能篩查，預(yù)測傳染病的發(fā)展趨勢與傳播途徑，在傳染病傳播的初期階段便可對其進(jìn)行有效地控制及阻斷，降低傳染病傳播風(fēng)險(xiǎn)[4]。三是利用人工智能技術(shù)可以生成信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，通過機(jī)器自主組織傳染病案例數(shù)據(jù)中的學(xué)習(xí)工作單位等信息，來生成較為準(zhǔn)確的所屬轄區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化信息[5]。四是利用人工智能開展線上遠(yuǎn)程問診，可在一定程度上解決傳統(tǒng)醫(yī)療資源分配不均的問題以及降低醫(yī)護(hù)人員近距離接觸感染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 人工智能在預(yù)防傳染病聚集性發(fā)病中的應(yīng)用

2.4.1 傳染病聚集性發(fā)病的主要原因

一是由于科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)活動方式發(fā)生了巨大改變，社會居民的活動空間逐漸擴(kuò)大，居民聚集性和流動性迅速提升，雖然這種社會活動形式的變化，對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步具有重大作用，但是從傳染病學(xué)的角度看，這種變化無疑增加了傳染性疾病的發(fā)生概率和傳播風(fēng)險(xiǎn)。二是由于多數(shù)傳染病具有較強(qiáng)的傳染性，再加上防護(hù)知識的普及不到位、防護(hù)措施不周，極易造成人群密集性場所傳染病的爆發(fā)，如大型商場、學(xué)校、旅游景區(qū)等。

2.4.2 以學(xué)校為例的解決方案

（1）生成學(xué)校信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，解決信息孤島問題。人工智能的迅速發(fā)展對建立完整的、標(biāo)準(zhǔn)化的、可維護(hù)的學(xué)校信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供了便利性，通過人工智能對傳染病案例的自主學(xué)習(xí)以及對傳染病案例數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和工作單位的重新組織，來產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的學(xué)校名稱和所屬轄區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化信息，并跟隨著數(shù)據(jù)的更新和變化進(jìn)行自我完善，以此來建立標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)校信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[5-6]。

（2）人工智能篩查和早期預(yù)警。利用人工智能技術(shù)分析傳染病報(bào)告醫(yī)生對所屬轄區(qū)學(xué)校信息填寫習(xí)慣和方式的異同，與學(xué)校信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫比對，自動地感知傳染病案例數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)工作單位信息，實(shí)現(xiàn)基于當(dāng)前住址到村組和家庭，學(xué)習(xí)工作單位到班級和學(xué)校的聚集性傳染病的智能篩查，大力提升篩查和預(yù)警的準(zhǔn)確性和時效性。再利用人工智能技術(shù)輔助辨別學(xué)校聚集性傳染病事件，采用時間序列模型、時空聚集性分析模型等進(jìn)行組合預(yù)警，并把預(yù)警的相關(guān)閾值提前設(shè)置出來，以判定事件級別，最后將判別結(jié)果及時傳送給學(xué)校屬地的相關(guān)傳染病管理人員[4]。

（3）聚集性預(yù)警處置的監(jiān)督管理。在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用人工智能等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化，并且將人工智能技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和移動應(yīng)用技術(shù)相整合，按照行政區(qū)域來規(guī)劃級別，從而實(shí)現(xiàn)對管轄范圍內(nèi)各類傳染病信息、聚集性傳染病信息的監(jiān)督管理，實(shí)現(xiàn)管理人員從宏觀上及時掌握所管轄范圍內(nèi)傳染病的分布和處置情況，以便及時開展相應(yīng)工作[4]。

3 新型冠狀病毒肺炎背景下人工智能的應(yīng)用

新型冠狀病毒肺炎的爆發(fā)直接驅(qū)動了人工智能技術(shù)及其產(chǎn)品的落地使用。在2020世界人工智能大會云端峰會之健康云峰會上，中國工程院院士李蘭娟表示人工智能技術(shù)在追蹤感染者、發(fā)現(xiàn)接觸者、進(jìn)行隔離、控制傳染源方面發(fā)揮了非常重要的作用，有效遏制了新型冠狀病毒肺炎的擴(kuò)散。

3.1 人工智能影像讀片技術(shù)投入臨床應(yīng)用

人工智能影像讀片技術(shù)可以快速、定量地判定患者的病情[7]。人工智能影像讀片技術(shù)能夠?qū)π滦凸跔畈《痉窝谆颊叩姆尾酷t(yī)療影像檢查結(jié)果進(jìn)行快速地判定，這對于新型冠狀病毒肺炎的臨床診斷和病情進(jìn)展判斷具有重要價(jià)值。人工智能判讀1張CT胸片僅需2～3min，比人工判讀速度提高了4～5倍。人工智能技術(shù)還能夠通過多維度高通量的信息處理技術(shù)，從影像數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)中提取出可以量化的特征，以此來獲取新型冠狀病毒肺炎患者在醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)中的特定模式，這有助于開發(fā)出用于新型冠狀病毒肺炎的判定及病程檢測的系統(tǒng)，對于提高醫(yī)療影像的診斷能力具有十分重要的意義[8-10]。

3.2 人工智能算法構(gòu)建流行病學(xué)模型

基于采集的病毒特性、病毒繁殖速度、病變發(fā)展、表現(xiàn)癥狀等數(shù)據(jù)，采用人工智能算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并構(gòu)建出相關(guān)的模型，這對新型冠狀病毒肺炎的傳播起到了科學(xué)的預(yù)測作用[6]。一是應(yīng)用人工智能技術(shù)構(gòu)建了國內(nèi)數(shù)字地圖模型，分析和預(yù)測出了確診者、疑似者和密切接觸者等重點(diǎn)人群的行動途徑和流向狀況，為防治工作指明了方向，為各級政府的聯(lián)防聯(lián)控工作提供了關(guān)鍵有力的信息支持[11]。二是應(yīng)用新型冠狀病毒肺炎的流行病學(xué)數(shù)據(jù)與經(jīng)典傳染病學(xué)預(yù)測模型相結(jié)合構(gòu)建出了相關(guān)的人工智能模型?？蒲腥藛T利用2003年SARS數(shù)據(jù)進(jìn)行了人工智能算法訓(xùn)練，完成了新型冠狀病毒肺炎人工智能模型的訓(xùn)練和研究[12]，人工智能的預(yù)測結(jié)果為新型冠狀病毒肺炎的有效防控提供了科學(xué)依據(jù)。三是多個研究團(tuán)隊(duì)依托人工智能算法和技術(shù)構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，并且利用這個模型預(yù)測出了新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的宿主，對新型冠狀病毒進(jìn)行溯源分析后，得出的結(jié)果支持新型冠狀病毒源自中華菊頭蝠[13]，但是目前仍然不能確定出具體的中間宿主。有研究提出，豬、雪貂、貓和靈長類動物可能為其中間宿主，這為后續(xù)研究提供了一定的方向[14]。

3.3 人工智能支持藥物篩選和分子診斷靶點(diǎn)研究

依托人工智能技術(shù)支持的新型藥物研發(fā)模式，科研人員能夠高效建模多種已知靶點(diǎn)藥物的三維結(jié)構(gòu)及其和病毒作用位點(diǎn)之間的可能作用關(guān)系，從種類繁多的藥物化合物數(shù)據(jù)庫中自動篩選出可能有效的藥物，使得新型冠狀病毒肺炎應(yīng)急藥物的快速開發(fā)成為可能[8]。

3.4 人工智能提高遠(yuǎn)程醫(yī)療操作和會診能力

醫(yī)院遠(yuǎn)程會診團(tuán)隊(duì)充分利用移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行便利的數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合人工智能技術(shù)開展遠(yuǎn)程視頻會診和遠(yuǎn)程指導(dǎo)交流。通過遠(yuǎn)程診斷，消除了醫(yī)護(hù)人員因直接接觸患者而被感染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 人工智能體溫篩查

利用人工智能圖像識別技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合，能夠在一定范圍內(nèi)對人流密集區(qū)域多人額頭溫度進(jìn)行快速地篩選和預(yù)警，提升了在人流聚集處對體溫異常者篩選的效率。車站、學(xué)校、醫(yī)院等人流密集場所采用人工智能技術(shù)進(jìn)行體溫測量和人臉識別，能夠快速、高效、批量地完成對體溫異常者的篩查和身份識別，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)熱及疑似患者，規(guī)避了接觸感染風(fēng)險(xiǎn)[8]。

4 結(jié)束語

人工智能的誕生為未來醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展提供了新的契機(jī)，為人類健康事業(yè)保駕護(hù)航。目前，人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展正在如火如荼地進(jìn)行著，由其所衍生出的一些新興產(chǎn)品及技術(shù)也已在醫(yī)療領(lǐng)域取得了大范圍的應(yīng)用，獲得了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可及推廣。但不可忽略的是人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尚且存在弊端，例如與人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)的法律倫理問題已經(jīng)出現(xiàn)[15]。另外，人工智能自身的發(fā)展也尚未成熟，從總體上看，其仍處于初級發(fā)展階段[1]。但人工智能的發(fā)展仍然具有必要性，其在傳染病防治領(lǐng)域的發(fā)展前景依然樂觀。人工智能影像分析、人工智能藥物研發(fā)、人工智能輔助診斷、人工智能體溫檢測等在醫(yī)療領(lǐng)域的落地使用為傳染病的防治構(gòu)建了智能、立體、主動式的體系。傳染病發(fā)生時，人工智能能在醫(yī)療和社會治理方面，重點(diǎn)發(fā)揮數(shù)據(jù)優(yōu)化、智能服務(wù)等方面的作用，為傳染病的防治做出貢獻(xiàn)。