人工智能技術(shù)在臨床醫(yī)療中的應(yīng)用概述*

張 戎 劉洪臣

人工智能(artificial intelligence，AI)是研究通過計(jì)算機(jī)模擬人類某些智能行為和思維過程的學(xué)科，主要包括計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的原理、制造類似于人腦智能的計(jì)算機(jī)，使其實(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用?？缮婕坝?jì)算機(jī)科學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)和哲學(xué)等學(xué)科。通常認(rèn)為，人工智能的發(fā)展歷史可以追溯到20 世紀(jì)50 年代。1956 年，McCarthy 在美國達(dá)特默斯召開的一次學(xué)術(shù)會議上首次提出“人工智能”的概念并將其認(rèn)定為一門新興學(xué)科[1]。20 世紀(jì)60 年代，ELIZA 首次實(shí)現(xiàn)了早期的人機(jī)對話。1997 年，由IBM 公司開發(fā)研制的超級計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”擊敗了俄羅斯國際象棋大師卡斯帕羅夫，使得人工智能首次顯示了其在推算及信息處理上相對于人類的優(yōu)勢。此后人工智能獲得了快速發(fā)展，引起人們的高度重現(xiàn)，目前谷歌、微軟、IBM 等全球科技產(chǎn)業(yè)巨頭先后將人工智能作為其發(fā)展愿景或戰(zhàn)略方向，積極推動人工智能技術(shù)研發(fā)進(jìn)步，全力搶占人工智能產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)[2]。目前，人工智能技術(shù)的應(yīng)用可出現(xiàn)在人類生活的方方面面。人們正在享受著人工智能為我們帶來的巨大便利，同時人工智能也在不斷改變著我們的生活方式和工作模式。近年來，人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，極大推動了醫(yī)療微創(chuàng)化和精準(zhǔn)化發(fā)展，對人類健康的維護(hù)具有重要意義。人工智能將會促進(jìn)現(xiàn)有醫(yī)療模式轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)醫(yī)學(xué)發(fā)展進(jìn)入新紀(jì)元。經(jīng)專家預(yù)計(jì)，在未來20 年內(nèi)人工智能技術(shù)將為醫(yī)學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來高達(dá)1470億美元的巨大市場[3]。本文將主要圍繞人工智能在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題及未來展望做一綜述。

1.人工智能的概念、特征、關(guān)鍵技術(shù)

人工智能是指借助計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器模擬、擴(kuò)展和延伸人的智能，感知環(huán)境、學(xué)習(xí)知識，進(jìn)而獲得最佳結(jié)果的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)。其特征包括：①數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，計(jì)算是本質(zhì)，由人類設(shè)計(jì)，為人類服務(wù)；②通過感知外部環(huán)境做出相應(yīng)反應(yīng)，從而與人類之間產(chǎn)生交互作用；③具備學(xué)習(xí)能力與適應(yīng)性，可進(jìn)行連接擴(kuò)展和迭代演化。人工智能的關(guān)鍵技術(shù)包括：①機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)；②計(jì)算機(jī)視覺；③人機(jī)交互；④自然語言處理；⑤生物特征識別；⑥知識圖譜；⑦虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；⑧人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4]。

2.人工智能在醫(yī)學(xué)臨床中的應(yīng)用

早期人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的探索出現(xiàn)在上世紀(jì)70 年代。1972 年，利茲大學(xué)開發(fā)的AAPHelp 是資料記載人工智能系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域最早的應(yīng)用。此系統(tǒng)主要用于腹部劇痛的輔助診斷以及滿足手術(shù)的相關(guān)需求[5]。隨后包括INTERNISTI、MYCIN、CASNET/ Glaucoma、PIP、ABEL、ONCOCIN等系統(tǒng)相繼問世，但均有不同程度的缺陷[6]。到上世紀(jì)80 年代，相繼出現(xiàn)了一些商業(yè)化人工智能應(yīng)用系統(tǒng)，比如QMR(Quick Medical Reference)、哈佛醫(yī)學(xué)院開發(fā)的DXplain，主要是根據(jù)臨床表現(xiàn)提供相應(yīng)的診斷方案。目前，醫(yī)療人工智能領(lǐng)域最知名的就是IBM/ Watson[7]，可在幾秒內(nèi)篩選數(shù)十年癌癥治療歷史中的上百萬份患者記錄，為醫(yī)生提供可供選擇的循證醫(yī)學(xué)治療方案。中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心發(fā)布的《全球人工智能產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)報(bào)告(2019Q1)》顯示，截止2019 年3 月底，全球活躍人工智能企業(yè)已達(dá)5386 家。在國家影響力方面，美國、中國、英國、加拿大、印度分列全球前五位。我國人工智能相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域以醫(yī)療健康行業(yè)比例最高，可達(dá)22%。鑒于醫(yī)療健康領(lǐng)域涵蓋廣，診前、診中、診后環(huán)節(jié)長，未來人工智能將主要通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等人工智能先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于疾病的篩查、預(yù)防、診斷、治療、預(yù)后、康復(fù)等全過程[8]。人工智能在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：

2.1 智能診斷 是指計(jì)算機(jī)借助人工智能的圖像識別和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對經(jīng)影像學(xué)檢查的病灶部位進(jìn)行快速而精確的識別，對病灶關(guān)鍵屬性參數(shù)進(jìn)行測算分析，并對潛在的病灶給予定性、定量診斷，提高臨床醫(yī)生的工作效率和診斷準(zhǔn)確率，縮短診斷時間，減少疾病的誤診和漏診[9]。此外，人工智能還能通過學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)書籍、病例、指南中的醫(yī)學(xué)知識和經(jīng)典范例，構(gòu)建類似人類的醫(yī)學(xué)知識庫，從而輔助醫(yī)生做出較為準(zhǔn)確的診斷，并制定最佳的治療計(jì)劃[10]。通過AI 中的聚類算法能實(shí)現(xiàn)對心電圖的形態(tài)和RR 間期、動態(tài)心電圖中室性期前收縮的識別，準(zhǔn)確識別心電圖中的噪音和人工假象，發(fā)現(xiàn)具有特殊心電圖特征的疾病亞型[11]。研究顯示機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning，ML)可輔助識別運(yùn)動員的生理和病理性心肌肥厚，其診斷特異性和敏感性均超過傳統(tǒng)超聲檢查[12]。2011 年IBM 公司正式啟動人工智能認(rèn)知系統(tǒng)Waston，以協(xié)助醫(yī)生提供個性化專業(yè)治療建議，標(biāo)志著智能醫(yī)療進(jìn)入一個新的臺階[13]。近年來國內(nèi)的網(wǎng)易云信、萬里云等智能醫(yī)療診斷系統(tǒng)也已進(jìn)入臨床推廣階段，促進(jìn)了我國智能醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2 智能診療 是指采用計(jì)算機(jī)對病灶主要特征及屬性進(jìn)行快速識別，并篩選出與當(dāng)前病灶最為接近的歷史病例資料，調(diào)出其診療方案，由此指導(dǎo)醫(yī)生制定出針對當(dāng)前病例的優(yōu)選治療方案[14]。比如采用耳紋全息智能診療系統(tǒng)治療心腦血管疾病患者，可以提高治療的安全性和有效性，值得在臨床中推廣應(yīng)用[15]。

2.3 智能隨訪 是指采用人工智能技術(shù)，對患者的歷史病例數(shù)據(jù)進(jìn)行自動關(guān)聯(lián)，并對相同的檢查指標(biāo)或同一部位的影像學(xué)資料進(jìn)行配準(zhǔn)分析，從而快速識別關(guān)鍵指標(biāo)變化并自動計(jì)算出病灶變化情況，通過前后對比有效提高判斷精準(zhǔn)性和隨訪效率[16]。比如近期國內(nèi)學(xué)者結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，建設(shè)了新冠肺炎大數(shù)據(jù)智能隨訪平臺，并對平臺進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)集成，有效提升隨訪效率，輔助新冠肺炎疫情防控[17]。

2.4 智能門、急診全程輔助診療系統(tǒng) 主要指借助計(jì)算機(jī)完成以下工作：①智能分診：手寫、語音、自然語言交互問診；②智能分級：傳染病和急慢性病的分級、分科、分治、自動轉(zhuǎn)診；③智能醫(yī)囑：由計(jì)算機(jī)給出最佳檢查及處置建議；④智能會診：提供跨多學(xué)科的精準(zhǔn)診斷及診療建議；⑤智能臨床決策：幫助給出精準(zhǔn)臨床決策；⑥電子病歷：規(guī)范化的病例模板幫助書寫電子病歷[18]。

2.5 智能重癥監(jiān)護(hù) 指借助計(jì)算機(jī)自動收集危重癥患者的生命體征和生理指標(biāo)等信息，實(shí)時監(jiān)測并評估其健康狀況和臟器功能，并表現(xiàn)為可視化的直觀效果，同時提供智能預(yù)測和精準(zhǔn)臨床決策支持[19]。Kho 等[20]利用算法從電子健康檔案數(shù)據(jù)找出病情可能惡化的患者。Churpek 等[21]在由25 萬多例住院患者組成的數(shù)據(jù)集中，采用Logistic 回歸模型，準(zhǔn)確預(yù)測住院患者在ICU 轉(zhuǎn)運(yùn)期間可能發(fā)生心搏驟?；蛩劳龅娘L(fēng)險。

2.6 智能醫(yī)療機(jī)器人 主要包括手術(shù)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、醫(yī)學(xué)教學(xué)示范機(jī)器人、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人等[22]。比如近年來智能機(jī)器人在外科輔助手術(shù)、手術(shù)術(shù)后護(hù)理、醫(yī)療智能導(dǎo)診等方面均得到了廣泛應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果[23,24]。在消化道腫瘤的治療方面，學(xué)者們研制出了一款能定向給腫瘤組織靶向投遞藥物的納米機(jī)器人，該機(jī)器人通過感應(yīng)低氧濃度，在腫瘤細(xì)胞活躍增生而產(chǎn)生的“缺氧區(qū)”投遞藥物，達(dá)到更加精確地打擊腫瘤的效果。此類機(jī)器人最大的進(jìn)步在于顯著提高了化療藥物的靶向性，減輕了化療藥物對人體正常組織的殺傷作用[25]。趙銥民等國內(nèi)學(xué)者成功研制了世界首臺自主式種植牙手術(shù)機(jī)器人，現(xiàn)已用于臨床并取得了良好的效果。與傳統(tǒng)種植手術(shù)方法相比，這種種植牙手術(shù)機(jī)器人具有高效、微創(chuàng)、精準(zhǔn)、安全等特點(diǎn)[26]。在眾多手術(shù)機(jī)器人中，Robot 手術(shù)機(jī)器人和達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人可以極大程度上改變手術(shù)操作依賴醫(yī)生專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)的狀況，并能顯著減少手術(shù)創(chuàng)傷，增加精準(zhǔn)度，為臨床手術(shù)操作帶來了重要革新，是目前的研究熱點(diǎn)[27,28]。

2.7 智能健康管理和疾病管理 是指實(shí)時記錄監(jiān)控個人健康信息，全面評估其患病風(fēng)險，并可及時發(fā)現(xiàn)急性病和高危病患者從而及時上報(bào)相關(guān)情況。此外，還可輔助社區(qū)醫(yī)生進(jìn)行問診及轉(zhuǎn)診，提供精準(zhǔn)檢查及處方建議。輔助進(jìn)行智能隨訪、智能監(jiān)測、智能場景化科普等。此外，還可實(shí)時監(jiān)測患者治療后的康復(fù)狀況，并給予復(fù)診建議[29]。深度學(xué)習(xí)還可將心律失常表現(xiàn)與智能穿戴設(shè)備結(jié)合起來，從而對普通人群進(jìn)行預(yù)警提示。Tison 等[30]在12 導(dǎo)聯(lián)ECG 的指導(dǎo)下，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究并驗(yàn)證通過智能手表檢測患者的心跳節(jié)律異常并預(yù)測其房顫的發(fā)生，結(jié)果顯示該方法對于房顫的預(yù)測具有一定的準(zhǔn)確性，從而為疾病的預(yù)防提供了新思路。在呼吸系統(tǒng)常見病慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)中，人工智能技術(shù)可用于COPD 患者的早期篩選、預(yù)防、管理、隨訪、自我管理、康復(fù)訓(xùn)練等，可最大程度地優(yōu)化醫(yī)療資源，有效降低COPD 患者急性加重率和再住院率，提高醫(yī)務(wù)人員效率并減輕其負(fù)擔(dān)，改善患者生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)COPD 的現(xiàn)代化智能管理[31]。

2.8 智能約診 指根據(jù)患者的病情輕重智能預(yù)約，合理安排診療時間，從而一方面為病情危重患者提供就醫(yī)綠色通道，另一方面也可以優(yōu)化就診程序，最大化有效利用醫(yī)療專家的寶貴資源。此外，還可通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法預(yù)測高失約風(fēng)險的約診，采取適當(dāng)干預(yù)措施，減少失約率，從而減少醫(yī)療資源浪費(fèi)[29]。

2.9 智能院內(nèi)就醫(yī)流程引導(dǎo) 指通過智能化就醫(yī)助手，依據(jù)患者的病情和病例資料，為患者提供個性化的精準(zhǔn)就醫(yī)引導(dǎo)。同時借助人臉識別技術(shù)，輔助患者進(jìn)行掛號和繳費(fèi)等操作，優(yōu)化診療程序，提高就診效率，提升就診體驗(yàn)[32]。

3.問題與展望

人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。盡管市場應(yīng)用前景廣闊，但切不可盲目樂觀，醫(yī)療人工智能相關(guān)產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向臨床大規(guī)模應(yīng)用，仍需面臨重重考驗(yàn)。比如我國目前尚無人工智能醫(yī)療應(yīng)用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個醫(yī)院大部分都是使用自己的共享標(biāo)準(zhǔn)平臺，導(dǎo)致各醫(yī)院間無法共享患者信息，引起一定程度上的資源浪費(fèi)，阻礙了跨醫(yī)院、跨區(qū)域和規(guī)模化醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的形成，不利于醫(yī)療大數(shù)據(jù)的優(yōu)化配置。其次是AI 輔助診斷系統(tǒng)需要頻繁更新，數(shù)據(jù)存在泄漏風(fēng)險，如何更好的實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)管，也是面臨解決的重要問題。此外，目前醫(yī)療數(shù)據(jù)監(jiān)管尚缺乏針對性的法律法規(guī)，例如個人醫(yī)療數(shù)據(jù)的歸屬和隱私保護(hù)，不同機(jī)構(gòu)間數(shù)據(jù)的流通、使用、收費(fèi)等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，都需要探索明晰[3]。同時也要認(rèn)識到，人工智能只能作為醫(yī)療工作的輔助工具，而不能完全取代醫(yī)護(hù)人員。未來，在提高診斷準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上，如何利用AI 診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)患者自助導(dǎo)診，系統(tǒng)自動進(jìn)行診斷、治療、藥品配送以及患者教育、隨訪和管理服務(wù)等，是AI 診斷系統(tǒng)的發(fā)展方向。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步完善，人工智能必將更加深入地影響醫(yī)療工作的各個方面，帶給醫(yī)療行業(yè)新一輪技術(shù)革新，促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為人類造福。

本文初步介紹了人工智能在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，近年來人工智能在口腔醫(yī)學(xué)中也有越來越多的運(yùn)用，對口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了顯著推動作用，由于口腔醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)，這也是目前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[33,34]。本文為人工智能口腔醫(yī)學(xué)與人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對接，后續(xù)我們將就人工智能在口腔醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域中的應(yīng)用做出專題報(bào)告。