人工智能在医疗领域的应用

背景

今天人类的平均寿命已经大大的延长,人生七十古来稀的说法已经落实了。但是我们不仅希望活得更长,还希望活得更好、更健康、更有活力,这就需要更高品质的医疗和康养服务。

但是问题来了,现在的医院已经是人手不足,有经验的医护人员更是供不应求,那么人工智能能够帮上我们多大的忙。

AI在医疗领域的应用

导诊

在2017年,一款叫做“晓医”的医疗机器人,以456分的成绩超过了96%的应试者,通过了国家医师执照的考试。如今晓医就职于安徽省立医院,负责提供导诊的服务彬彬有礼,而且不知疲倦。

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晓医

医疗是中国人工智能应用的四大重点领域之一,人工智能对于医疗行业的改变可不仅仅是提供像晓医这样的导诊机器人,而是涉及到了像管理、诊断、治疗、研发、康复等各个方面。

外骨骼机器人

“13年12月28号那个数字我一辈子都能记得,从4楼摔下来,医学诊断为脊髓损伤。从肚脐一直往下就完全失去痛觉、触觉,反正就是什么感觉都没有了。”

青春年华却遭遇下肢瘫痪,命运似乎给林寒关上了一扇门,从那以后,丢掉拐杖自己行走,成为了他不知道该如何付出才能够达到的愿望。“开始一年多两年的时候,心情也不好,各方面心态也放不开。”

一次偶然的机会,林寒得知有一款机器人能帮助他重新站立起来,于是他报名成为了这款机器人的穿戴实验人员。

外骨骼机器人,实际上是一个人机混合智能系统。这个人机耦合的系统,涉及到两个方面,一方面是运动的协调和协作,第二就是智能的交互和融合。

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外骨骼机器人

这一天30岁的林寒从老家赶到电子科技大学机器人研究中心,接受一次他期待已久的康复治疗。“很迫切,就希望马上站起来,马上走起来,就是这样一种心态。”

这一次,电子科技大学的研究人员,希望通过人脑实现对外骨骼机器人的控制,这种让大脑与外部设备建立直接信息通路的技术被称为“脑机接口”,简单点说就是用意念控制机器

在穿戴之前,研发人员首先需要对林寒的脑电波进行采集。“说白了,就是想走就走,想停就停。好玩是好玩,但是有点枯燥,特别采集时间长了以后,就有点想睡觉,注意力就不集中了,所以采集的数据就不是那么准,就要采集很多次,很多次。”

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人机接口

脑电波收集,实际上是机器在不断进行学习的过程。林寒依据电脑屏幕提示,在大脑中反复想象着向左或向右的动作,不同动作反应出的脑电波频率是不一样的,这些频率被记录下来,并转化成具体的动作指令,最终传递给外骨骼机器人,实现人机一体化。

经过反复的数据采集和学习,林寒终于可以穿上这套个性化定制的外骨骼装备了。身体前倾,就可以完成迈腿的动作。当林寒想要上楼梯时,外骨骼机器人就会帮助他完成这一动作。人工智能帮他打开了人生的第2篇章。

“外骨骼机器人,最起码它让我再次站起来了。虽然可能有时候它行走的方式、行走的速度,还没有达到我们想象当中,电影里面真正的“钢铁侠”那样,最起码它让我看见了一种科技的力量,一种希望。”

人工智能和脑机接口的结合,正在成为全球研究的热点。例如在美国一位高位截瘫患者利用意念控制机械臂,成功地吃到了巧克力,英国一个男子用意念控制安装的仿生机械臂完成系鞋带的动作。而在印度,研究人员通过意念控制轮椅,让轮椅想去哪就去。

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在许多科幻作品当中,都曾经出现过人和机器融合的场景,从而造就了增强版的超级人类,如今曾经的幻想正在成为现实。凭借外骨骼站立起来的,不仅有林寒的身体,还有它自身的尊严和青春年华的希望。

实际上目前人工智能在医疗行业的应用,已经从辅助治疗,正式进入到了医疗领域的各个环节。

医疗诊断

2018年8月,一场医生与机器的较量,拉开序幕。经过常年系统专业学习,拥有多年临床经验的医生们能否战胜人工智能呢?

比赛中,来自于全国各地的36位超声科医生,代表了国内超声领域的最高水平。他们被分为12组,从阅片耗时和准确度上,与人工智能比拼。看谁能以最快的速度,准确诊断乳腺超声上的阴影是否为恶性肿瘤。

经过三轮比拼,人工智能最终以91分的总成绩战胜了人类医生。在这场人机大战里,无论从时间还是准确度上来看,机器的表现都非常好,人工智能在对超声、CT、核磁共振等各种医学影像的识别中都展现出了优势

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而更重要的是,机器不知疲倦,将更多的工作交给它,将更多的数据“喂”给它,反而会让它成长得更好、更强、更准确。目前我国医学影像数据的年增长率约为30%,而放射科医师的数量年增长率仅为4.2%。这个现象意味着未来放射科医生处理影像数据的压力会越来越大,人工智能技术或许将给解决这一难题带来一剂良方。

人工智能为何如此擅长医学影像的识别呢?

我来到联想一探究竟。

“这个是我们用肝八段的分割,做的一个三维重建模型。”可以手动旋转肝脏的立体模型,从而呈现在医生面前。

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人体的肝脏是一个不规则、不均匀的器官,里面布满了胆管和血管,恶性肿瘤就常常隐藏在其中,即便是经验丰富的医生,在用肉眼读取CT影像时也容易发生漏检。

“我们难的是,小的肿瘤是很难发现的。特别是它有些特征,跟我们正常结构差距不大,以我们肉眼的观察,分辨难度就很大。”

据中国医学科学院国家癌症中心统计,2015年中国肝癌新发病例46.6万例,研发人员希望人工智能可以来帮助诊断肝脏肿瘤,提升肝脏肿瘤的诊疗效率

书本知识仅仅只是训练人工智能的基础,跟随医生临床学习才是关键。

于是联想研究院的工程师们,开始频繁的,与北京大学首钢医院肝胆胰外科主任冷建军接触,学习如何从CT影像中准确寻找出肝脏肿瘤。“我们在顶级的医院和专家沟通,已经超过了一年多的时间,标注的数据也超过了1000例病例的量级”。工程师们标注的数据,来自于1000多例患者,换算成CT影像就是超过100万张的影像数据。

随着学习样本量的增加,联想LeHealth肝肿瘤智能诊断辅助系统,也变得更加精准,甚至能够发现资深医生仅凭肉眼难以发现的微小病变。目前联想LeHealth肝肿瘤智能诊断辅助系统虽然尚未进入临床阶段,但通过多次模拟诊断,这套系统的肝脏八段分割准确率达到了90%以上,有了它的帮助,不仅能够更好的辅助医生诊断,还能帮助医生进行手术规划。

手术机器人

人工智能除了能帮医生看得更为清楚,还能够帮助他们做手术。

北京天坛医院,世界三大神经外科研究中心之一。功能神经外科主任张建国,正在准备一台迄今为止全中国只有100多位医生能够熟练完成的手术,脑深部电刺激术。

为医治一位帕金森患者四肢抖动、僵硬,以至于无法正常行走的严重症状,他计划将电极植入病患大脑的病变处。“因为这个核团很小,一公分,只有蚕豆大小。而且这个核团,它不同的位置起的作用也不一样,我们一般都选择它的背外侧,就所谓的感觉运动区,精准到这个位置,才能够对症改善全面。”

大脑是人体器官中最精密的部分,里面密布了血管和神经,如何从这些错综复杂的血管和神经中寻找到小如蚕豆的核团,并定位有效位置,依靠的往往是医生的经验。不过自从智能机器人加入到团队后,张建国主任对自己的手术质量更有信心了,它将帮助张主任实施这次脑深部电刺激术。“它的优势就是靶点定位更加准确,因为在电极植入之前,它可以做一个验证,如果有偏差,它可以进行调整。”

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这款神经外科的手术机器人,由计算机软件系统、实时摄像头和自动机械臂三个部分组成。和人类医生一样,这款手术机器人做手术前,也需要识读患者脑部的器官结构影像。对机器人来说,它获得的是一副反映出患者脑器官细微差别的精确地图,从而定位深入大脑的最佳入口。

“定位精度在一毫米以内,手术创口一般来讲在2毫米左右。”探针精确的抵达了只有蚕豆大小的核团部位,第1个刺激电极负责改善的是患者右侧的身体抖动,在电极接通的瞬间,患者右侧身体的僵硬症状就出现了明显改善。

2000年,一款叫做“达芬奇”的手术机器人在美国被批准使用。随着技术的日新月异,手术机器人正在变得越来越智能,他们以高精准度和清晰度成为医生的好帮手,即使使用它的价格不菲,也有越来越多的患者愿意选择用它来进行手术。

但是如果机器人出现失误,该怎么办呢?

2015年,英国首例机器人心瓣修复手术就发生了医疗事故,病人于术后一周去世。看来,当我们决定把生命交付给一台机器之前,还有很多的问题需要考量。比如说什么样的人工智能才有资格参与手术?医生和人工智能的责任该如何划分?设备厂商应该承担什么样的责任呢?虽然人工智能的潜力巨大,但人类对于新生事物总是充满了质疑和担忧。

“人工智能依靠两个资源,一个资源是数据,一个资源是知识。如果没有这些资源,那么人工智能做起来非常困难。”

还有一些什么样的制约条件?“现在做出来系统非常脆弱,很容易受到干扰和攻击,稍微有一点点变化,它可能做出完全不同的判断。从目前的人工智能水平来看,机器还不足以和人同等的看待,它无非是更加自动化的一个设备。”

Now is that data is the key to training these multilayer networks in order to accomplish their cast。 If the data is biased,or if it’s wrong,then the behavior of that artificial Intelligence system will be reflecting in that bad data。”(翻译:现在,数据是训练这些多层网络以完成其转换的关键。如果数据有偏差或错误,那么该人工智能系统的行为将反映在该不良数据中。)

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技术的进步不断挑战着人类的伦理道德底线,但不管我们接不接受,人工智能的时代已经到来。当代的健康管理理念不只是有病治病,还有防治未病,以及慢性病的管理。人工智能对医疗行业的改变不仅发生在医院里,也发生在每个人的日常生活中。

血糖监测

布雷特▪格里斯沃德今年36岁,他从9岁就患上了糖尿病,从那个时候开始,他就必须常常抽血,监测自己的血糖水平是否在正常范围内。而现在,他只需将一个只有几毫米长的传感器植入到身体里,就可以随时监控自己的血糖水平了。

通过人工智能技术,血糖监测仪可以让患者及时了解饮食、运动后的血糖变化情况,并提供建议。

如今越来越多的健康追踪设备正在诞生,人们甚至可以通过一款“黑科技”马桶来随时监测自己的身体状况。在尿液中暗藏着众多的健康信息,据有关文献报道显示,尿液中的标志物就达到7000多种,这些信息的变化能够直接反映出人体内一些重要脏器是否出现病变。

刘雯洁是一名患有糖尿病和高血压达7年之久的慢性病患者。“当时医生跟我讲,要我随时监测自己身体的各种情况,包括数字。当时我是挺注意的,但是过了一段时间以后,我就有点懈怠了,而且我觉得老是监测是挺麻烦的事情。”

在朋友的推荐下,她开始使用智能马桶,来每天监测自己的健康状况,一旦身体的各项监测指标超出范围,这款马桶就会及时预警。在连续监测了两个月之后,突然有一天刘雯洁的手机上收到了一条信息,提示她的身体状况存在异常。与此同时,在医生的电脑里也已经显示出了刘雯洁的各项尿检指标,她的尿蛋白等三项指标偏高。

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医生能够迅速知道刘雯洁检测指标的奥秘,在马桶下方的盒子里。盒子中装有芯片,芯片可以实时检测,并且获取尿液中标志物的数据信息。“这个数据实时收集,上传到云端。上传到云端的时候,我们就会用自动化数据分析,包括一些AI的技术等等。如果发现有一些问题,我们就会给医生发送这些信息。”

刘雯洁尿检指标异常的原因,是肾脏功能受损,属于糖尿病并发症,需要干预治疗。“在疾病刚刚起来的时候,我们就可以发现苗头,然后去做一些深入的干预,所以能够起到尽早防控的效果。”由于发现及时,刘雯洁的病情很快得到了控制。

“它每天可以做到一个监测,而且也不给我的生活增加任何的负担。平时要做什么,你现在还是做什么。”

健康管理

不仅是智能设备,以后你的住所,你工作所在的大厦,也可以帮你一起进行健康管理。

每天你是否摄入了过多的卡路里,是否运动不足,身体指标是否有了变化,人工智能都会提醒你,这样保持身体最佳状态,预防疾病成为可能。

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但是你希望别人如此了解自己的生活习惯和身体状况吗?

从健康角度看,一个人从出生开始就会产生无数的数据,包括体检、门诊、住院、用药等等,这些数据对于人类的健康状况、疾病防控及研究都具有非常重要的价值。那么如何才能在个人隐私保护与公共研究之间找到平衡点?对于这种数据的安全,隐私的保护,我觉得需要通过国家层面,制定相应的法规政策,进行完善。

然而,存储这些医疗数据的医院数据库,可能成为黑客的攻击对象。“如果医院的核心数据被破坏,那整个医院的业务,就可能会瘫痪掉。”

人工智能防护软件

为了防止黑客攻击,安全专家们用人工智能技术打造一道反病毒防线,和传统的杀毒软件不同,人工智能的防护发挥了自身学习的功能

把各个领域顶尖工程师的智慧,做到一个系统里面去。然后对所有的样本,都进行同样的、自动化的分析和筛查。在海量的病毒案例支持下,从辨别行为和目的入手,力争让不断变种伪装的病毒无处遁形。

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科恩团队(腾讯专注前沿安全攻防技术研究的实验室)唯一的工作目标,是找出已有的漏洞,让人工智能防护系统,可以防得更好。即使人工智能防护远比传统杀毒软件来的强大,但这场矛与盾的医疗数据攻防将是一场持久战。对于人类医疗数据的保护,就像保护我们自己的身体一样,是再强调也不过分的。

结语

人工智能在医疗领域的发展,给我们带来了便利,但同时我们也感受到了它诸多的不确定性。

事关生命,如果人工智能的诊断出现失误,责任该如何划分?我们能容忍机器的错误吗?医者仁心,假如有一天当机器真的能够行医问诊的时候,你会愿意将自己的生命交付给行医多年的医生,还是一台冷冰冰的机器?

随着老龄化社会的到来,一定会有越来越多的人工智能,参与到医疗和康养行业当中,参与到我们每一个人的生命进程当中。它们会成为医生和护士的好帮手,长伴左右不知疲倦,专业而又敬业的工作。

然而,情感的连接是治疗当中不可或缺的重要的一环。有人曾经这样形容一个医生的工作,有时去治愈,常常去帮助,总是去安慰。

未来人工智能可以帮助我们打针、吃药,但是它不能替代的是一个温柔的眼神、一张灿烂的笑脸,一句嘘寒问暖的关怀。

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    原文作者:贪心科技
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