計(jì)算機(jī)人工智能對(duì)醫(yī)療的認(rèn)識(shí)與研究

官恒

（廣州工商學(xué)院 廣東省廣州市 510850）

智能醫(yī)療是以互聯(lián)網(wǎng)為依托，通過基礎(chǔ)設(shè)施的搭建及數(shù)據(jù)的收集，將人工智能技術(shù)及大數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中，提升醫(yī)療行業(yè)的診斷效率及服務(wù)質(zhì)量。人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域如圖 1 所示。具體來講，人工智能特別適用于醫(yī)學(xué)影像診斷、慢性病管理和生活方式指導(dǎo)，疾病排查和病理研究、藥物開發(fā)等領(lǐng)域，并在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方面幫助填補(bǔ)基因型與表現(xiàn)型的區(qū)別。

智能醫(yī)療的三層結(jié)構(gòu)如圖 2 所示；其中應(yīng)用層是人們最為熟悉的，也是患者和醫(yī)生接觸最為緊密的。技術(shù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層則需要涉及相關(guān)專業(yè)知識(shí)。

1 計(jì)算機(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展

隨著新時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)在臨床醫(yī)療領(lǐng)域得到了更高的提升。計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在臨床的輔助診斷、醫(yī)學(xué)院的輔助教學(xué)、醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)研究等方面逐漸嶄露頭角[5]。現(xiàn)代化的醫(yī)療系統(tǒng)和醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)，有效的收集、存儲(chǔ)了各項(xiàng)醫(yī)療數(shù)據(jù)；新型的醫(yī)療系統(tǒng)和醫(yī)療技術(shù)為患者提供更加專業(yè)的治療方案。

1.1 HIS系統(tǒng)

現(xiàn)代醫(yī)院普遍采用HIS(Hospital Information System)系統(tǒng)，HIS 系統(tǒng)將醫(yī)院的各個(gè)部門的日常管理清晰化，使得每一個(gè)流程像計(jì)算機(jī)CPU 的指令流水一樣有章可循，有效地提高了管理效率，降低了管理成本。將傳統(tǒng)的手寫病例電子化，形成電子病例檔案；患者在就診時(shí)就無須帶著各種各樣的病例文件來回奔波；將可以電子化的醫(yī)學(xué)影像實(shí)行電子文件式存儲(chǔ)，減少患者不必要的經(jīng)濟(jì)支出。

圖1：人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域

圖2：智能醫(yī)療的三層結(jié)構(gòu)

醫(yī)生可以通過計(jì)算機(jī)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速的獲得病人的病情，更加快速的對(duì)病人的治療方案提出優(yōu)化建議。

1.2 大數(shù)據(jù)健康碼、行程碼

在新冠肺炎疫情的防控中，計(jì)算機(jī)技術(shù)亦表現(xiàn)了巨大的能量；研究人員利用算法與數(shù)據(jù)分析，在短時(shí)間內(nèi)迅速構(gòu)建一個(gè)可以覆蓋全國(guó)的“信息網(wǎng)”（大數(shù)據(jù)行程碼），有效的保障了人民的生命安全，有效避免了疫情的“反彈”傳播[1]。

2 人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域與醫(yī)療的相關(guān)概述

2.1 模式識(shí)別

模式識(shí)別是指對(duì)于某些客體進(jìn)行定量的或結(jié)構(gòu)的描述。由研究人員研究出一種自動(dòng)生成技術(shù)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地將待識(shí)別的模式分配到各個(gè)模式類中。例如：在醫(yī)療領(lǐng)域，主治醫(yī)生結(jié)合計(jì)算機(jī)對(duì)人體細(xì)胞顯微圖像進(jìn)行分析，可確定被檢查的內(nèi)臟器官是否發(fā)生病變。

2.2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)成存儲(chǔ)量極大的知識(shí)庫(kù)，把各類專家豐富的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、各類臨床科室積累的患者病例，以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存放在一個(gè)龐大的“知識(shí)庫(kù)”內(nèi)，通過編寫專用的軟件，根據(jù)用戶輸入查詢的要求，向用戶做出所要求的解答。Internet 的服務(wù)能力日益倍增，遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬醫(yī)療也可以得到飛躍式的進(jìn)步。

2.3 機(jī)器人與醫(yī)學(xué)

機(jī)器人的出現(xiàn)也是人工智能領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用。隨著達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在全球的推廣應(yīng)用機(jī)器人，醫(yī)用機(jī)器人也作為一個(gè)獨(dú)立的分支，開始步入人們的視線。在此領(lǐng)域中，伴隨著人工智能技術(shù)、語(yǔ)音視覺識(shí)別技術(shù)的不斷深化應(yīng)用，醫(yī)用機(jī)器人也開始滲透到臨床應(yīng)用的方面之中。

3 智能醫(yī)療之達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人

達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人是一種高級(jí)智能機(jī)器人手術(shù)平臺(tái)，它是由外科醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成，是一種先進(jìn)的腹腔鏡系統(tǒng)。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念是通過使用微創(chuàng)的手術(shù)方法，實(shí)施復(fù)雜的臨床外科手術(shù)，為泌尿外科和胸外科手術(shù)帶來了巨大的飛躍[3]。

3.1 手術(shù)機(jī)器人的工作原理

控制臺(tái)是手術(shù)室無菌區(qū)外的主刀醫(yī)生操作的兩個(gè)主控制器和腳踏板，可以控制機(jī)器人和三維高清內(nèi)窺鏡系統(tǒng)?？刂婆_(tái)可以使機(jī)器人末端的手術(shù)器械與主刀醫(yī)生的雙手進(jìn)行同步的手術(shù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用立體目鏡的效果。床旁機(jī)械臂系統(tǒng)是達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的操作部件，它是由助手醫(yī)生在無菌區(qū)內(nèi)操作；助手醫(yī)生負(fù)責(zé)更換器械和內(nèi)窺鏡，協(xié)助主刀醫(yī)生完成微創(chuàng)手術(shù)。為確?；颊叩氖中g(shù)安全，助手醫(yī)生要對(duì)于床旁機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)具有十分精準(zhǔn)的控制能力。成像系統(tǒng)的內(nèi)部裝有達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的核心芯片處理器以及圖像處理系統(tǒng)，它是由護(hù)士在無菌區(qū)外進(jìn)行操作。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的內(nèi)窺鏡為三維高清鏡頭，具有很高的分辨率，可以將微小的手術(shù)區(qū)域放大到十倍以上以供主刀醫(yī)生實(shí)施更加精準(zhǔn)的手術(shù)操作；成像系統(tǒng)可以提供清晰的患者手術(shù)創(chuàng)面的立體圖像，使得微創(chuàng)手術(shù)的操作距離可以得到更加準(zhǔn)確、有效的把握，提升了傳統(tǒng)腹腔鏡的手術(shù)操作精準(zhǔn)度。

3.2 手術(shù)機(jī)器人臨床優(yōu)勢(shì)

達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，輔以人工智能的方式，使得微創(chuàng)外科邁向了一個(gè)更高的平臺(tái)。手術(shù)操作更加精確，與二維視覺的腔鏡手術(shù)相比，三維視覺可以放大10-15 倍，手術(shù)的精確程度大大增加；手術(shù)部位的創(chuàng)傷切口變小，患者術(shù)后恢復(fù)時(shí)間更快。它的出現(xiàn)與臨床應(yīng)用，使外科手術(shù)的精度超越了人手的極限，是一個(gè)非常優(yōu)秀的智能醫(yī)療科技產(chǎn)品。

4 智能醫(yī)療的應(yīng)用

2020年年初，由于新型冠狀病毒疫情的爆發(fā)，國(guó)內(nèi)的醫(yī)療衛(wèi)生體系受到了巨大考驗(yàn)。人工智能技術(shù)的加入極大地緩解了整個(gè)醫(yī)療體系的壓力，從疫情防控、病情診斷、患者治療、患者后期康復(fù)，貫穿了整個(gè)醫(yī)療體系。

4.1 AI人臉識(shí)別+體溫檢測(cè)系統(tǒng)

全國(guó)各地的許多醫(yī)院都引入了AI 人臉識(shí)別+體溫測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以快速對(duì)大流量的進(jìn)入人群進(jìn)行高精度的體溫測(cè)量。

AI 人臉識(shí)別+體溫檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）基于深度學(xué)習(xí)的嵌入式人臉識(shí)別算法，識(shí)別速度小于1s。

（2）內(nèi)置的測(cè)溫傳感模組，能快速測(cè)出人的面部的體表溫度。

圖3：識(shí)別過程

（3）利用技術(shù)（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN）提取辨析人臉特征，最大化減輕了因人臉角度、光線、表情等不利因素對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響。

（4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，安裝在醫(yī)院入口處，白天黑夜均可識(shí)別。

（5）支持繼電器開關(guān)信號(hào)，門禁管理安全省心。

4.2 人臉識(shí)別算法流程

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）隸屬于人工智能方面里的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模塊，是人臉識(shí)別算法中的關(guān)鍵技術(shù)。CNN通常由三部分組成：神經(jīng)元（cell）、損失函數(shù)（Loss Function）、激活函數(shù)（Activation Function）。其中，神經(jīng)元（cell）可分為輸入層、隱含層、輸出層三類；損失函數(shù)（Loss Function）會(huì)在每次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后衡量本次分類結(jié)果與真實(shí)類別之間的差距，并基于此優(yōu)化、更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；激活函數(shù)（Activation Function）將線性的分類問題進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)化，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以更好的解決較為復(fù)雜的問題，通常由sigmoid、tanh 等函數(shù)構(gòu)成。

攝像頭拍攝得到的人臉圖片，通常由若干個(gè)像素組成，圖片中的數(shù)字表示像素亮度，0 代表黑色，255 代表白色。因此，圖片在計(jì)算機(jī)中可以簡(jiǎn)化為若干個(gè)數(shù)字組成的多維矩陣。在CNN 的輸入層中，輸入格式保留了圖片本身的結(jié)構(gòu)。對(duì)于RGB 格式（彩色）的圖片，CNN 的輸入層是一個(gè)三維神經(jīng)元；RGB 中的每一個(gè)顏色通道都有一個(gè)矩陣。CNN的卷積層隸屬于隱含層之中，卷積層有一組過濾器組成，對(duì)于輸入的RGB 圖像（三維神經(jīng)元），卷積層的過濾器也應(yīng)當(dāng)是三維的，將各個(gè)重疊元素之間進(jìn)行乘法運(yùn)算，最后累加，得到結(jié)果。

5 人工智能與醫(yī)療領(lǐng)域的探究

近年來，人工智能(AI)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展受到了越來越多的關(guān)注。人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，可以從改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量到提高醫(yī)療效率等多個(gè)方面發(fā)揮作用。

首先，人工智能的應(yīng)用可以分為兩大類：計(jì)算機(jī)輔助診斷和醫(yī)療機(jī)器人。計(jì)算機(jī)輔助診斷是利用人工智能技術(shù)來幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確、快速地診斷病情，可以提高診斷準(zhǔn)確率，減少醫(yī)療誤差。例如，美國(guó)的谷歌公司開發(fā)了一種AI 技術(shù)，可以比醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷心臟病。另一方面，醫(yī)療機(jī)器人能夠自動(dòng)執(zhí)行一些醫(yī)療任務(wù)，比如遞送藥物、提供藥物治療等。

此外，人工智能技術(shù)還能夠用于智能醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)。智能醫(yī)療設(shè)備既可以收集病人的健康數(shù)據(jù)，又可以將這些數(shù)據(jù)與醫(yī)療領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，從而分析病人的病情，提出合理的治療方案。由此觀之，智能醫(yī)療設(shè)備可以提高醫(yī)療效率，降低醫(yī)患之間的溝通成本，也可以為病人帶來更好的醫(yī)療體驗(yàn)。

在技術(shù)發(fā)展方面，人工智能技術(shù)有望在醫(yī)療領(lǐng)域取得更多的成就。例如，我們可以利用無人機(jī)來運(yùn)送藥品搶救傷員。此外，人工智能技術(shù)還可以被用于智能藥物研發(fā)，使得藥物研發(fā)更加高效。相信在未來，人工智能技術(shù)還可以被用于進(jìn)行基因治療，從而提高疾病的治愈率。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。

6 智能醫(yī)療與醫(yī)用機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人是人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的重要應(yīng)用，它將感應(yīng)、決策、行為和反饋編織成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，并分為導(dǎo)航控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，視覺識(shí)別控制系統(tǒng)，操作控制系統(tǒng)。用于手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人，針對(duì)不同的組織器官軟硬條件，手術(shù)要求也各不相同，因此出現(xiàn)了專門的“單科手術(shù)機(jī)器人”。例如，骨科手術(shù)機(jī)器人，它能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位病灶部位，通過成像與影視導(dǎo)航，實(shí)時(shí)精確的切除病灶。在“置換骨植入物”手術(shù)中，對(duì)于手術(shù)機(jī)器人的定位精度、人機(jī)協(xié)調(diào)性、反饋靈敏性都提出了極高的要求[6]。在新冠肺炎疫情的防控中，醫(yī)用采樣機(jī)器人在大規(guī)模的核酸采樣和抽血中也得到了初步的采用。疫情時(shí)期的采樣工作，大多數(shù)都是人工采樣。人工采樣的工作量大,重復(fù)性強(qiáng)，醫(yī)生患者雙方的傳染風(fēng)險(xiǎn)都很高。采樣機(jī)器人以機(jī)器人視覺識(shí)別、定位合理的采樣部位，結(jié)合物理學(xué)的力反饋傳感器裝置，做到采樣過程的力度可控，在保證采樣的有效性的同時(shí)，能更有效的防止病毒的傳播和感染[4]。

此外，穿刺機(jī)器人可以通過精準(zhǔn)的圖像定位，減少主觀因素的影響，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和患者射線輻射量，極大的提高手術(shù)效率和精確度，減少傷害的產(chǎn)生；而醫(yī)用放療手術(shù)機(jī)器人則擁有多角度、多關(guān)節(jié)的擺放能力，對(duì)應(yīng)的擺放精度、靈活性和空間占有率都得到了大幅度的提高，從而保證了整個(gè)放療手術(shù)的有效性和快捷性。由于目前大量復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)時(shí)間過長(zhǎng)，成本過高[2]。對(duì)于一位實(shí)習(xí)醫(yī)生來講，若想成長(zhǎng)為一個(gè)合格熟練的主刀手術(shù)醫(yī)生，需要進(jìn)行大量的手術(shù)演練和手術(shù)實(shí)操培訓(xùn)。醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人可以大幅縮短手術(shù)學(xué)習(xí)的時(shí)間，提高實(shí)習(xí)醫(yī)生手術(shù)學(xué)習(xí)的效率，幫助醫(yī)生能夠更快的達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的手術(shù)操作水平。

醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域日新月異，每天全球都在傳來激動(dòng)人心的臨床試驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)展。規(guī)范好醫(yī)用機(jī)器人的開發(fā)和使用控制，規(guī)避可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，是我們接下來需要不斷學(xué)習(xí)和思考的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和人工智能技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域，二者看似是“風(fēng)馬牛不相及”的關(guān)系；但是從目前的科學(xué)進(jìn)步以及科技發(fā)展來看，計(jì)算機(jī)人工智能可以為醫(yī)療領(lǐng)域帶來很多的幫助，它可以幫助我們有效的改善一些現(xiàn)有的醫(yī)療服務(wù)，使智能醫(yī)療變?yōu)榭赡?。本文從機(jī)器學(xué)習(xí)算法和智能醫(yī)療機(jī)器人入筆淺談，了解智能醫(yī)療對(duì)于現(xiàn)代醫(yī)療的改善與應(yīng)用。然而，由于科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也存有一定風(fēng)險(xiǎn)；因此，在發(fā)展智能醫(yī)療時(shí)，一定要遵循道德原則和法律規(guī)定，確保技術(shù)的安全性和有效性。相信在未來，在計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的發(fā)展下，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，更好的為病患治疾病，讓大家一起擁抱更好的明天。