一種基于人工智能技術(shù)的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型設(shè)計(jì)

毛穎

江西警察學(xué)院

一、人工智能技術(shù)在運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)中的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)現(xiàn)代化醫(yī)療建設(shè)經(jīng)歷了 50 多年的快速發(fā)展，現(xiàn)如今取得的成績(jī)顯著，無論是醫(yī)療資源的質(zhì)量、還是現(xiàn)代化程度都已經(jīng)比肩中等發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)療水平。人工智能技術(shù)具有一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，分為四個(gè)發(fā)展階段，首先是人工智能1.0時(shí)代，通過計(jì)算機(jī)的推理演算，為后續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)支持，此時(shí)的人工智能1.0 時(shí)代獲得初步成就，這一階段許多科學(xué)家開發(fā)了多款國(guó)際象棋程序，并創(chuàng)造了在智力游戲中人類首次敗給計(jì)算機(jī)的先河，此時(shí)人工智能技術(shù)引起了大眾的廣泛關(guān)注。接著是人工智能2.0時(shí)代，人工智能 2.0 技術(shù)快速發(fā)展的年代，人工智能技術(shù)獲得了更高水平的發(fā)展，技術(shù)在應(yīng)對(duì)知識(shí)的解決上和推理上都取得了比較成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)；然后來到了人工智能3.0時(shí)代，此階段下，由于互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得人工智能技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用都極大的發(fā)展壯大。

“人工智能”這一概念始于達(dá)特茅斯會(huì)議，經(jīng)過后人對(duì)其理論和技術(shù)的不斷完善，如今已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中深入應(yīng)用，智能技術(shù)的發(fā)展，迅速在全球掀起狂潮。其產(chǎn)生后發(fā)展的影響力已經(jīng)蔓延到了各個(gè)領(lǐng)域中，其中涉足的領(lǐng)域有醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、交通、安保防盜安全、居家生活產(chǎn)品、休閑娛樂領(lǐng)域等，是當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大變革。醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是其中最有發(fā)展前景的領(lǐng)域之一?，F(xiàn)在已經(jīng)有應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)損傷的人工智能技術(shù)有：智慧導(dǎo)診技術(shù)、智慧院區(qū)管理技術(shù)、人工輔助診斷技術(shù)、CNN 細(xì)胞病理檢測(cè)等人工智能醫(yī)療技術(shù)。可以實(shí)現(xiàn)就診患者診前自助式辦理、醫(yī)生利用人工智能設(shè)備對(duì)患者進(jìn)行輔助性診斷、對(duì)于診斷周期長(zhǎng)且復(fù)雜的醫(yī)技診斷可由人工智能快速得出結(jié)論等等智慧化醫(yī)療就診新場(chǎng)景?！爸腔刍睍r(shí)代已經(jīng)到來。其中醫(yī)療領(lǐng)域是人工智能技術(shù)的應(yīng)用中是最有發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。人工智能的應(yīng)用將會(huì)給傳統(tǒng)醫(yī)療體系帶來翻天覆地的變化，所以有必要深入探究人工智能技術(shù)影響下運(yùn)動(dòng)損傷相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而快速適應(yīng)時(shí)代發(fā)展及空間使用所需，我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生主要問題是：其一，由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，使得城市與鄉(xiāng)村的醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)水平的差距愈來愈大，醫(yī)療資源的分配愈來愈不均衡，農(nóng)村或者偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療設(shè)施發(fā)展水平較低，人們?nèi)粘ａt(yī)療所需得不到及時(shí)、快速的解決，只能奔赴距離較遠(yuǎn)的大型醫(yī)院就診。那必然會(huì)導(dǎo)致城市中心的大型醫(yī)院就診壓力過大。其二，隨著人工智能技術(shù)的逐步發(fā)展，技術(shù)的快速進(jìn)步，推動(dòng)了醫(yī)療領(lǐng)域的人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)人工智能技術(shù)在醫(yī)院得到了廣泛的應(yīng)用和普及，隨著智慧化技術(shù)的不斷提升，應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，醫(yī)療系統(tǒng)內(nèi)的智慧化水平也將越來越高。其三，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的逐年快速發(fā)展，當(dāng)下人們對(duì)生活質(zhì)量的需求都在日益提高，對(duì)于醫(yī)療方面的需求也是越來越追求較高層次的醫(yī)療服務(wù)。不僅對(duì)就診模式有要求，人們對(duì)于優(yōu)質(zhì)醫(yī)療和健康管理的高質(zhì)量追求的愿望也愈發(fā)強(qiáng)烈，以上因素都是推動(dòng)人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)損傷中快速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)。

本文研究方式是基于現(xiàn)狀存在的人工智能技術(shù)發(fā)展的一定程度的背景下，對(duì)未來醫(yī)療運(yùn)動(dòng)損傷的一種計(jì)劃性、探索性的研究方式，是在了解到人工智能技術(shù)的發(fā)展程度后，預(yù)判未來應(yīng)用到實(shí)際運(yùn)動(dòng)損傷后將會(huì)產(chǎn)生新的使用需求，進(jìn)而引發(fā)的新的思考。

二、基于人工智能技術(shù)的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)原理

（一）人工智能技術(shù)

基于對(duì)醫(yī)療門診大廳空間中應(yīng)用人工智能技術(shù)類型的整理、歸納，將應(yīng)用于醫(yī)院門診大廳空間中的人工智能技術(shù)分為兩類：一類是服務(wù)類人工智能機(jī)器，醫(yī)院門診大廳的服務(wù)管理領(lǐng)域的人工智能技術(shù)應(yīng)用，即：直接影響門診大廳空間使用的人工智能技術(shù)；服務(wù)類機(jī)器人主要應(yīng)用于藥局、人工窗口附近的大廳空間中，直接改變門診大廳內(nèi)的就診行為進(jìn)而影響門診大廳空間改變，例如：門診大廳內(nèi)的智能導(dǎo)診，可以跟患者交流，引導(dǎo)患者就診，又例如，智能院區(qū)管理技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療物資聯(lián)通、醫(yī)療信息聯(lián)通共享的高效運(yùn)營(yíng)的醫(yī)療模式，智能化機(jī)器運(yùn)送物品、藥品等。人工智能機(jī)器為附近的患者提供服務(wù)，但不是全程陪護(hù)式服務(wù)，其只能在固定的區(qū)域空間內(nèi)活動(dòng)，提供醫(yī)療服務(wù)，即：在一定區(qū)域內(nèi)的可移動(dòng)式服務(wù)，主要指導(dǎo)或示意患者所需解決的問題，或者方便患者就近辦理所需手續(xù)。需要在門診空間中留出指定活動(dòng)區(qū)域來承載人工智能機(jī)器的日常工作空間。一般較大型醫(yī)院適用此模式，可避免大量人工智能設(shè)備移動(dòng)工作時(shí)占用公共空間。人工智能技術(shù)主要運(yùn)用于以下幾類：

（a）遠(yuǎn)程會(huì)診技術(shù)：優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療專家可通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加載，與遠(yuǎn)距離患者取得交流，可遠(yuǎn)程進(jìn)行醫(yī)療診斷，使得就診形式不再受地域限制。

（b）智慧導(dǎo)診：患者利用智慧化機(jī)器設(shè)備等，直接辦理就診相關(guān)業(yè)務(wù)，無須人工參與，利用先進(jìn)的人工智能信息化手段，對(duì)患者就診過程的每一步進(jìn)行優(yōu)化從簡(jiǎn)處理，使得患者就診過程變得輕松，高效，是一種只需分析就能快速輸出所需信息，一次快速、有效的推進(jìn)患者接下來的就診行為。

（c）人工智能輔助診斷技術(shù)：智慧化機(jī)器可以通過大數(shù)據(jù)來構(gòu)建診療應(yīng)用的具體場(chǎng)景，模擬真人醫(yī)生對(duì)患者的病情及具體的病灶進(jìn)行合理分析，為臨床醫(yī)生的診斷提供有利的決策依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)快速診斷，提出合理的治療方案。此技術(shù)的目的是解決了影像科醫(yī)生資源有限，無法服務(wù)更多患者的供需不平衡問題，并且，提高了診斷的精確性。

（二）運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)原理

以人運(yùn)動(dòng)時(shí)腿部受傷為例，腿一端遭受激勵(lì)載荷作用時(shí)，假定被測(cè)腿沿截面的軸向應(yīng)力分布是均勻的，當(dāng)發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷時(shí)，腿的橫截面總是維持在平面，這時(shí)在完整腿內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生沿腿軸向傳播的縱向?qū)Р?。但是如果一旦被測(cè)腿，由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腿中出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷損傷時(shí)，導(dǎo)波在被測(cè)腿中傳播的過程中，在這些孔裂等缺陷處就會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射和導(dǎo)波模態(tài)轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。大量的缺陷信息就會(huì)通過反射回波信號(hào)進(jìn)行反饋，通過對(duì)反射回波信號(hào)的分析，就能判斷出腿的缺陷具體位置和腿的損傷情況，同時(shí)腿的損傷程度，也能通過測(cè)量導(dǎo)波缺陷反射回波的幅值作出評(píng)定：

其中：I為缺陷距離信號(hào)接收端的距離，t為入射波和缺陷回波信號(hào)采集點(diǎn)接收到的時(shí)間差，C是導(dǎo)波檢測(cè)的群速度，被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的頻散方程可以通過 MATLAB 軟件求解，從而能計(jì)算出該導(dǎo)波模態(tài)下特定頻率的速度，這樣就能迅速地確定損傷程度。

三、基于人工智能技術(shù)的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型設(shè)計(jì)方法

（一）模型設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

選擇模型參數(shù)至關(guān)重要，因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的整體大小、加工制作的難易度在某種程度上依賴于模型參數(shù)的選擇，而且還會(huì)影響后期研究設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。就試驗(yàn)的目的而言，要保證研究所關(guān)注的參數(shù)與主要參數(shù)具備相似關(guān)系，忽略一些無關(guān)緊要的參數(shù)。而且在模型的實(shí)際設(shè)計(jì)制作過程中設(shè)計(jì)完全理想的模型結(jié)構(gòu)是很難實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)制作設(shè)計(jì)過程還會(huì)受到許多限制，比如：受材料、空間等的限制。

（二）模型的目標(biāo)函數(shù)

構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)是影響有限元模型修正效果的最大因素。目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造通常會(huì)根據(jù)采用的狀態(tài)變量性質(zhì)來進(jìn)行分類，目標(biāo)函數(shù)的模型修正一般可分為單一動(dòng)力、單一靜力目標(biāo)和聯(lián)合靜動(dòng)力型，同時(shí)還可優(yōu)化模型，分為多目標(biāo)函數(shù)的模型優(yōu)化和單目標(biāo)函數(shù)的模型優(yōu)化。

目標(biāo)函數(shù)通常采用加權(quán)平方和的形式進(jìn)行構(gòu)造，這是基于靜力目標(biāo)函數(shù)的模型修正。在單一靜力目標(biāo)函數(shù)的模型修正過程中，構(gòu)造靜力目標(biāo)函數(shù)所采用的參數(shù)為結(jié)構(gòu)靜力位移和精力應(yīng)變。與靜力應(yīng)變對(duì)比，結(jié)構(gòu)靜力位移的測(cè)試更為簡(jiǎn)便，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)精力位移受環(huán)境因素的影響更小，這樣就更容易提取有限元模型中位移參數(shù)，因此靜力位移在單一靜力目標(biāo)函數(shù)模型修正中就成了最被專家學(xué)者青睞的一種靜力參數(shù)。

四、基于人工智能技術(shù)的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)來源：

選擇合適的材料進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證基于人工智能技術(shù)的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型的可行性，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 Material model and related data

由表1可知，基于人工智能技術(shù)建立的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行了修正，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)修正效果進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比，結(jié)果表明修正效果較好，修正后的有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)更加吻合，可以更好地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)損傷問題。

五、總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)下，運(yùn)動(dòng)損傷現(xiàn)存問題越來越顯著，嚴(yán)重影響到公共就診、治療等就醫(yī)問題。本課題就是在此背景下，以伴隨人工智能技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用于醫(yī)療體系中的運(yùn)動(dòng)損傷為切入點(diǎn)，暢想在人工智能未來發(fā)展的不同階段中，門診大廳空間里醫(yī)患行為會(huì)發(fā)生哪些改變。進(jìn)而研究目前對(duì)于運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)技術(shù)會(huì)發(fā)生哪些改變，形成怎樣的門診新形式；并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際調(diào)研，對(duì)綜合醫(yī)院運(yùn)動(dòng)損傷類門診的發(fā)展進(jìn)行進(jìn)一步的探索，最終得出了基于人工智能技術(shù)建立的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)模型，對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)技術(shù)有很大的幫助與提高。