湖畔實驗室：迎著數(shù)據(jù)科學的“朝陽”出發(fā)

文| 張冰 嵇國華 虞涵棋 段雨澤 季磊

從空中俯瞰余杭區(qū)南湖西側(cè)，一座高水準的創(chuàng)研基地——湖畔實驗室已然崛起。作為目前浙江省唯一一家由民營企業(yè)承建的省級實驗室，湖畔實驗室以解決經(jīng)濟社會發(fā)展重大瓶頸問題為導向，在未來信息、未來健康、未來能源等新興賽道開展了大量應用基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)探索和產(chǎn)業(yè)化應用推廣，將是杭州推動浙江成為世界數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新策源地的重要平臺。

▲湖畔實驗室南湖園區(qū)

▲醫(yī)生檢查患者CT 片

▲醫(yī)療AI 胰腺癌早篩技術(shù)

一場與“癌癥之王”的較量找到了癌癥早篩的鑰匙

胰腺癌，素有“癌癥之王”的稱號，平均五年生存率不到10%，是中國乃至全球生存率最低的惡性腫瘤。80%的胰腺癌一旦發(fā)現(xiàn)就是晚期，發(fā)病兇猛，極難治愈；目前臨床指南缺乏有效篩查手段，容易出現(xiàn)漏診或誤診，體檢及醫(yī)院常用的平掃CT圖像對比度低，很難識別早期胰腺病變。

近期，湖畔實驗室醫(yī)療AI實驗室的一群算法工程師在醫(yī)院放射科緊張忙碌著，將他們基于“平掃CT+AI”胰腺癌早期篩查的最新技術(shù)成果，配合醫(yī)院的PACS 系統(tǒng)與診療流程進行部署。一張普通胸部CT，在醫(yī)療AI 的加持下，可以較為準確地識別出早期胰腺癌。

2023 年11 月，湖畔實驗室聯(lián)合上海市胰腺疾病研究所、浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院、約翰霍普金斯大學等多家機構(gòu)，首次實現(xiàn)以“平掃CT+AI”進行大規(guī)模的胰腺癌早期篩查，相關(guān)成果在國際頂級醫(yī)學期刊《自然醫(yī)學》上發(fā)表。針對胰腺癌變位置隱匿、在平掃CT 圖像中無明顯表征等特點，研究團隊構(gòu)建了一個獨特的深度學習框架，最終訓練為胰腺癌早期檢測模型PANDA，利用AI放大并識別平掃CT 圖像中那些肉眼難以識別的細微的病理特征，實現(xiàn)高效、安全的早期胰腺癌檢測，并克服了過往篩查手段假陽性偏高的技術(shù)難題。

成果的最大創(chuàng)新之處在于，首次證實了在平掃CT 上使用AI進行胰腺癌篩查的可行性，并達到了之前認為可能達不到的高性能。過去對腫瘤的檢測和診斷，主要使用增強CT，需要給病人注射或口服造影劑，并不適合大規(guī)模篩查使用。相較而言，平掃CT普遍被百姓所接受，在體檢和門診等場景中更為常見，不增加額外費用、檢查、輻射等。因此，“讓AI 配合影像，而非影像配合AI”，成為了研究團隊最初確立的準則。

敏感性（即不易漏診）和特異性（即不易誤診）是評價醫(yī)學影像類AI 篩查工具的兩大標準，提高敏感性可能會增加誤診的風險，而提高特異性可能會增加漏診的風險，因此需要在一定程度上對二者進行權(quán)衡。截至目前，這項技術(shù)已在醫(yī)院門診、體檢中心等場景被調(diào)用超過50 萬次，通過對20530 名真實病例的多場景驗證，將胰腺癌早篩工具達到了92.9%的敏感性以及99.9%的特異性，發(fā)現(xiàn)了31 例臨床漏診病變，有2 例早期胰腺癌病患已完成手術(shù)治愈。其中1 名患者每年定期體檢，并安排胸部CT檢查，體檢中并沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，而在其體檢后的第7 個月，該患者的CT 圖像數(shù)據(jù)被納入到該研究的回顧性臨床驗證，被檢出“有95%概率患有胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤（PNET）”。在經(jīng)過多學科會診后，院方?jīng)Q定召回患者進行磁共振增強檢查并成功手術(shù)，后續(xù)結(jié)合術(shù)后病理報告，這名患者最終被確認為屬于早期PNET。在接下來半年的隨訪中，這位患者的腫瘤并沒有復發(fā)或轉(zhuǎn)移。

通過一系列的應用案例，大家逐漸相信癌癥是可以在早期就被篩查出來的。湖畔實驗室醫(yī)療AI 團隊負責人、IEEE Fellow呂樂表示，這項研究是一個重要的里程碑，在臨床上證實“平掃CT+AI”的癌癥篩查技術(shù)路徑的可靠性。《自然醫(yī)學》也就此專門刊發(fā)評論文章，稱“基于醫(yī)療影像AI 的癌癥篩查即將進入黃金時代”。

2024 年1 月，安提瓜和巴布達總理布朗訪華，來訪浙江期間見證了安巴衛(wèi)生部與湖畔實驗室的合作簽約，湖畔實驗室將為安巴的醫(yī)院和醫(yī)療機構(gòu)提供醫(yī)療AI產(chǎn)品，幫助當?shù)蒯t(yī)生采取“平掃CT+AI”的方式，實現(xiàn)胰腺癌、食管癌等癌癥和心血管等慢性疾病的早期篩查，雙方也將在當?shù)馗咝：歪t(yī)院深入探索更多臨床和科研合作機會，促進醫(yī)療AI 技術(shù)進步。

一群“賽車手”的工業(yè)軟件改造打破了世界紀錄

求解器，又被稱為“工業(yè)軟件之芯”。大到金融風險防控、機場航班的起降時間，小到快遞員路線選擇、商鋪選址，都需要實現(xiàn)經(jīng)濟學中最簡單而又最權(quán)威的目標——“尋求最優(yōu)解”。而求解器，也就成為了求出這些“方程組”的最佳工具。但在過去幾十年的科技發(fā)展進程中，因技術(shù)壁壘高、研發(fā)難度大，中國企業(yè)始終無法超越歐美企業(yè)，獲得求解器市場的主導權(quán)。

這一局面正在改變。2023 年12 月，在工信部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心等單位主辦的首屆能源電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大賽上，經(jīng)過兩輪測試賽和一輪正式賽，湖畔實驗室的自研優(yōu)化求解器MindOpt 最終獲得電力用國產(chǎn)求解器第一名。其在精度指標和速度指標上的優(yōu)秀表現(xiàn)，源于綜合運用基于松弛退化移動的啟發(fā)式鄰域搜索算法、最大團增強的線性約束傳播等創(chuàng)新技術(shù)，并成功抓取和利用了電力特殊結(jié)構(gòu)。這一成果，得益于湖畔實驗室決策智能實驗室四個春夏秋冬的不懈努力。

2019 年，決策智能實驗室在國際知名數(shù)學家印臥濤的帶領(lǐng)下，開啟了求解器研發(fā)的歷程。從零起步，印臥濤從世界各地招募了一批愿意在這個小眾領(lǐng)域閉關(guān)修煉的數(shù)學“天團”，首先從線性規(guī)劃算法開始下手。一年間，研發(fā)團隊針對單純形法全員“發(fā)狠”，最終把自研求解器雛形版本搬上了國際公開的數(shù)據(jù)集去測試，卻發(fā)現(xiàn)：在將近三分之一的例子上，它都要比商用求解器慢很多。就在內(nèi)外交困但始終找不到突破口之時，一名團隊成員通過畫圖解題的思維方式，找到了模型的對稱性這一關(guān)鍵點。最終，自研求解器MindOpt 的單純形法模塊在2020 年8 月登頂國際權(quán)威第三方測評Mittelmann 榜單，一舉打破了世界紀錄。

出現(xiàn)問題，解決問題。在這樣打破重來的循環(huán)往復里，四年間，自研求解器MindOpt 迭代了26 個版本，也曾一度被國外廠商斬斷后路。但“守得云開見月明”，2023 年10 月，湖畔實驗室正式推出自研求解器MindOpt 的V1.0版本，這一版本也成為功能完備、性能領(lǐng)先的自研求解器。研發(fā)團隊成員們開玩笑地說：“一幫嫌跑車不夠快的賽車手，終于靠自己的雙手改造了汽車?！?/p>

如今，湖畔實驗室自研求解器MindOpt 已廣泛應用于云計算、供應鏈、電商、金融等領(lǐng)域：在電力能源領(lǐng)域，湖畔實驗室與國家電網(wǎng)合作，在多個電力調(diào)度問題上性能達到國際領(lǐng)先水平；與中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心合作發(fā)布“電力調(diào)度智能決策平臺”，幫助南方電網(wǎng)總調(diào)實現(xiàn)從15 分鐘到秒級的調(diào)度，準確率達到經(jīng)驗豐富的調(diào)度員水平，并支撐了中國南方電網(wǎng)第四屆、第五屆電力調(diào)度AI 應用大賽。技術(shù)在現(xiàn)實業(yè)務(wù)場景中取得了價值，也許這就是湖畔實驗室求解器團隊堅持初心的動力源泉。

一座“科研+應用”實驗室開啟產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

2020 年7 月，湖畔實驗室獲批成立，落子于余杭區(qū)南湖。創(chuàng)立至今，湖畔實驗室緊跟浙江省“315”技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)，不斷推進運行模式的探索創(chuàng)新，用目標導向和自由探索“兩條腿走路”，先后設(shè)立了視覺技術(shù)、語言技術(shù)、人工智能大模型、計算技術(shù)等未來信息產(chǎn)業(yè)，醫(yī)療AI、基因智能等未來健康產(chǎn)業(yè)，以及決策智能等未來能源產(chǎn)業(yè)科研單元。截至2023 年12 月，湖畔實驗室共集聚由海外著名高校教授、IEEE Fellow、ACM 杰出科學家領(lǐng)銜團隊以及企業(yè)高級研究員等組成的人才隊伍數(shù)百人。

從MindOpt Studio 決策開發(fā)云平臺軟件與國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)電力行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)合作提升電網(wǎng)調(diào)度效率；到Ali266 自研編碼器更好地打開了H.266/VVC標準端到端的生態(tài)，為視頻編碼賽道帶來更低成本、更高畫質(zhì)的視頻解決方案，已在優(yōu)酷穩(wěn)定上線運行；再到聯(lián)合多家醫(yī)學機構(gòu)首次實現(xiàn)以“平掃CT+AI”進行大規(guī)模胰腺癌早期篩查，并在多家醫(yī)院落地應用，幫助醫(yī)生實現(xiàn)胰腺癌、食管癌等癌癥和心血管等慢性疾病的早期篩查……湖畔實驗室研發(fā)方向始終堅持問題導向，瞄準產(chǎn)業(yè)側(cè)真實需求，從產(chǎn)業(yè)問題凝練研究方向，通過實際業(yè)務(wù)場景驗證促進技術(shù)成果演進，并進一步服務(wù)和支撐產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

▲ 基于最新一代標準的編解碼方案Ali266 的研發(fā)與應用

針對幫助中小微企業(yè)應用AI技術(shù)進行業(yè)務(wù)創(chuàng)新，2023 年8 月，湖畔實驗室宣布向社會免費開放100 件AI 專利許可，這是我國人工智能規(guī)模最大一次專利開放行動。免費開放的100 件AI 專利許可，將被納入全國首批專利公開實施清單，在浙江知識產(chǎn)權(quán)交易中心上架，覆蓋了圖像技術(shù)、視頻技術(shù)、3D 視覺等諸多AI 技術(shù)領(lǐng)域，不乏“交通信號燈感知”“疑似侵權(quán)圖片檢測”“時序數(shù)據(jù)預測”“點云數(shù)據(jù)處理”“智能字幕生成”等富有廣闊應用場景的專利，讓中小微企業(yè)以較低成本甚至零成本獲得AI 技術(shù)紅利，加速AI 時代的到來。

湖畔實驗室相信，未來產(chǎn)業(yè)作為科技前沿與市場需求交匯的產(chǎn)物，涵蓋了諸多高新技術(shù)領(lǐng)域，能夠孕育出全新的生產(chǎn)方式和業(yè)態(tài)模式，更將創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點，帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)新生，推動經(jīng)濟社會加速轉(zhuǎn)型。