鈦坦白第29期，我們請來了三位鈦客，給大家講講人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應用。本文根據(jù)海信醫(yī)療研發(fā)部副部長、醫(yī)學影像所所長陳永健的分享整理。
陳永健博士畢業(yè)于日本國立德島大學，曾在美國哈佛大學擔任研究員。2012年歸國以來，作為技術(shù)負責人承擔國家級項目3項、主持青島市自主創(chuàng)新重大專項1項，開發(fā)的“海信計算機輔助手術(shù)設備”已成功應用于臨床，在青島市《科技查新報告》和青島市《科學技術(shù)成果評價報告》中已證明具有國際領(lǐng)先水平，并獲得國家醫(yī)療器械產(chǎn)品認證。
以下是陳永健博士在鈦坦白的分享：
現(xiàn)在人去醫(yī)院看病，如果病情稍微復雜點，醫(yī)生都會讓去拍個片，比如下圖就是一張CT。拍片就是拍CT片、核磁片，過去常見的X光已經(jīng)少見了，改成了數(shù)字DR。這些片子就是患者個體的身體截圖，很抽象?，F(xiàn)代醫(yī)學，醫(yī)生就是靠這些先進的影像設備和化驗檢測數(shù)據(jù)來診斷疾病的。
而這些抽象影像的解讀需要醫(yī)生經(jīng)過多年專業(yè)的培訓，一般影像科醫(yī)生在學校里培訓五年，還要在醫(yī)院影像科培訓多年才具有獨立診斷能力。而且臨床醫(yī)生現(xiàn)在也要求能夠看懂這些片子，因為臨床醫(yī)生才是手術(shù)方案的制定者。在很多影像報告中大家可以看到，一些疑難疾病其實寫的都是很模棱兩可的，大多寫的是“疑似”，而不是“確定”，這些都是臨床醫(yī)生憑借自己的經(jīng)驗下的最終診斷。
這就帶來一個問題，就是受到的教育越好、經(jīng)驗越足的醫(yī)生看病越準，所以大家都愿意去有名的醫(yī)院找有名的醫(yī)生，但是我國這么多人，好醫(yī)生的資源畢竟是有限的，想要達到每個人都得到最好的診斷，在現(xiàn)有的靠醫(yī)生經(jīng)驗來診斷的條件下是做不到的。
而依靠深度學習、大數(shù)據(jù)分析的人工智能技術(shù)卻能夠完美地解決這些問題，甚至診斷效果比最有經(jīng)驗的醫(yī)生還好。
案例：人工智能輔助確定肝臟手術(shù)方案
我們再重新分析上面那張片子。這是一個人的腹部肝臟腫瘤的圖像，如果有醫(yī)學經(jīng)驗的人能夠看出，肝內(nèi)長了一個惡性腫瘤，并且在增強造影下，能夠看清血管、腫瘤和它們之間的一些關(guān)系。
現(xiàn)在面臨的問題是，這個腫瘤要確定手術(shù)方案，醫(yī)生需要清楚地知道腫瘤的邊界，與血管是壓迫、侵犯，還是僅僅只是挨著，這些都將導致不同的手術(shù)方案。而這些就要靠醫(yī)生的讀片能力和過往經(jīng)驗來做出判斷，如果判斷錯了這個病是看不好的。
下面這張圖是用人工智能，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果從這些抽象的影像中來提取出腫瘤的具體邊界在哪兒、腫瘤的體積，以及肝臟的體積、肝臟的邊界、周邊的血管如靜脈、門脈、動脈走形，還有膽道等各個方面跟腫瘤的關(guān)系，就像黑匣子一樣的東西變成完全透明化的展示給了醫(yī)生面前。
上圖中，棕黑色的半透明狀、最大的那個就是肝臟，磚紅色的那個就是腫瘤，有一個紫色的血管的就是門脈，紅色的血管是動脈，藍色的血管就是他的靜脈，還有綠色的管道就是他的膽道系統(tǒng)。所以是很復雜的，管道系統(tǒng)就分四種。
根據(jù)這個結(jié)果醫(yī)生可以規(guī)劃出手術(shù)方案，如下圖：
大家可以看到，醫(yī)生得到了一個個體化的病人自身的數(shù)字器官模型，他就能夠清楚的看到他手術(shù)相關(guān)所有重要的信息，比如說像標識的這些字母就代表了一些重要的靜脈、門脈，這就是他手術(shù)的一些關(guān)鍵。
同時，人工智能技術(shù)也能精確地推薦手術(shù)方案。比如下面兩張圖，就是根據(jù)患者靜脈、門脈的回流供血，與腫瘤的關(guān)系，還有歷史上大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果，人工智能給的一個手術(shù)方案：
下面這些圖像是實際的手術(shù)圖像，可能有些人有點不適應，我們學醫(yī)的看多了就好了。大家可以看到在第一幅圖像中，暗色的變色區(qū)就是腫瘤，跟我們實際做的數(shù)字影像的位置是完全相符的，另外根據(jù)手術(shù)規(guī)劃，完美地完成了手術(shù)。
最后根據(jù)術(shù)前模擬和術(shù)中切除腫瘤后的殘肝進行一個對比判斷，可以看出它自動計算出來的殘肝體積和占肝的百分比都是相符的，符合手術(shù)要求，而這些指標對是否能做手術(shù)，手術(shù)后是否有嚴重的并發(fā)癥，都是非常相關(guān)的重要參數(shù)，這些我們都可以統(tǒng)計計算出來。
類似的這種疾病手術(shù)輔助我們做過很多，剛才只是一個介紹，還有很多非常疑難的病例更需要這種人工智能的手段來幫助醫(yī)生進行定性，給出更好的手術(shù)方案。這樣一些年輕的醫(yī)生，經(jīng)驗可能不是非常足的也能做一個非常完美的手術(shù)；而對于非常厲害的醫(yī)生也可以幫助他預估手術(shù)結(jié)果，方案進行定量優(yōu)化。在遇到非常難的疾病的時候可能最好的醫(yī)生也確認不準，這樣更需要人工智能來幫忙。
基于人工智能的計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)
下面我來介紹一下上面這個病例是用什么產(chǎn)品來做的，這是海信醫(yī)療設備獨自開發(fā)的一款基于人工智能的計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)。
青島海信醫(yī)療設備股份有限公司公司成立于2014年2月，是海信集團旗下的全資子公司，前身為海信集團重點實驗室醫(yī)療技術(shù)研究所。圍繞打造數(shù)字化醫(yī)院這一核心，海信醫(yī)療研發(fā)了海信數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)解決方案、海信遠程醫(yī)療系統(tǒng)解決方案、海信移動護理系統(tǒng)解決方案、海信醫(yī)院晨會系統(tǒng)解決方案、海信醫(yī)用顯示系統(tǒng)解決方案、海信計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)等六大產(chǎn)品。在科研方面，承擔了包括國家十二五科技計劃重點課題、國家工信部重大專項等國家級重大科研項目。
計算機輔助手術(shù)系統(tǒng)的作用就是依靠人工智能技術(shù)來實現(xiàn)精準的外科手術(shù)。所謂的精準外科手術(shù)，就是通過基于人工智能的計算機輔助手術(shù)技術(shù)，輔助醫(yī)生規(guī)劃最優(yōu)的手術(shù)路徑，實現(xiàn)對病人最小的創(chuàng)傷，最大程度加速病患的康復。
一些醫(yī)生判斷不準的疾病，決定保守治療不能做手術(shù)，但是如果想徹底根治癌癥，手術(shù)還是最好的解決方案。像這些不能做手術(shù)的或者手術(shù)方案創(chuàng)傷很大的病人，用智能輔助的精準手術(shù)能夠得到一個更好的結(jié)果，同時也能極大的減少術(shù)中的出血。
該系統(tǒng)應用的人工智能技術(shù)主要依靠極大量的醫(yī)學數(shù)據(jù)。我們合作的醫(yī)院有很多，每個醫(yī)院拿出各種各樣的CT、核磁影像數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過長時間的大數(shù)據(jù)分析和臨床對比，漸漸地訓練出一套非常精準的系統(tǒng)，它能夠自動地識別出一些腫瘤、肝臟、膽道、血管等，及相互之間的關(guān)系和精準的邊界。
另外它除了能給出一個最優(yōu)的手術(shù)方案，支持手術(shù)規(guī)劃，還可以在手術(shù)之前，比如說根據(jù)一些核磁、一些功能形象，判斷這是一個什么樣的疾病，到了什么期，嚴重程度如何。像我們現(xiàn)在正在做的肝硬化的分級判斷就非常有意義，因為中國肝硬化病人非常多，有酗酒的，有乙肝病人等，這些如果嚴重了，最后都會發(fā)展為肝硬化。在中國，肝硬化是肝癌的一個非常大的原因。
除了剛才我分享的肝臟類的疾病，還有膽道疾病、腹膜后腫瘤、胰腺疾病、泌尿系統(tǒng)疾病，等等。
下圖是一個肝門部膽管癌的病例，過去肝門部長腫瘤，手術(shù)根治率只有5%，而現(xiàn)在隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機輔助手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生可以達到了70%的可能性根治這種疾病，可以說為病人患者帶來了很大的希望。
下圖展示的是一個巨大的腹膜后腫瘤的病例：
下圖是一個胰腺的胰頭瘤病例。這個胰頭瘤壓迫著胃和十二指腸接口處都開始下移，造成人身體器官變異很大：
下圖是一個雙腎長了腫瘤的泌尿系統(tǒng)病例。褐色的半透明的就是他的雙腎，磚紅色的是腫瘤，藍色的是靜脈系統(tǒng)，紫色的是動脈系統(tǒng)。大家可能認為，腎有些時候切掉一個，人也能存活，但是切除了腎之后帶來了生活質(zhì)量下降，身體素質(zhì)下降，再者有些人是雙腎都長了腫瘤，這就不行了。
上面這個病例的右圖可以看到，根據(jù)計算機輔助手術(shù)技術(shù)，人工智能的判斷來給出腫瘤侵犯的區(qū)域和侵犯的血管，醫(yī)生只需要沿著區(qū)域切除部分腎臟就可以了，這樣的話就可以保住這兩個腎。
這個腎臟腫瘤切除手術(shù)叫保腎手術(shù)。保腎手術(shù)就是最小的切除腫瘤影響的腎臟區(qū)域，來最大程度的保護他的腎臟，保持最大的腎功能，讓人過健康程度更好，更有質(zhì)量的生活。
這個智能診斷做出的結(jié)果，還可以做成3D打印的形式，這就更直觀了。尤其在一些骨科還有整容手術(shù)中，醫(yī)生可以實施對比的完整手術(shù)，可以把一些很難的手術(shù)做出來。下圖中間是一個胃腸道的早期息肉篩查，在結(jié)直腸腫瘤的前期會長一個息肉，這個息肉大于1厘米的時候就容易癌變。我們可以根據(jù)CT做一個虛擬的胃腸鏡，再根據(jù)歷史上大數(shù)據(jù)學習的結(jié)果，可以用計算機來判斷這個小息肉是否有惡化癌變的風險，是否需要做一個真實的腸鏡手術(shù)把它切掉。
以上介紹的這些都是人工智能技術(shù)在醫(yī)學圖像分割、圖像的特征提取等等方面的應用，來幫助醫(yī)生做一些疾病的診斷和手術(shù)方案的智能規(guī)劃，來達到最優(yōu)的治療效果。目前在肺部的結(jié)節(jié)癌變篩查、甲狀腺的一些檢查等等方面都做出了很好的結(jié)果，在國外的報道中比有經(jīng)驗的醫(yī)生判斷的準確度都高。
計算機輔助手術(shù)技術(shù)的發(fā)展前景
以上所說只是在術(shù)前的疾病診斷以及術(shù)前的手術(shù)方案上的一些應用，隨著技術(shù)發(fā)展，未來將做到在術(shù)中來導航這些疾病的手術(shù)方案的執(zhí)行，甚至像大家看過的科幻片，機器人也可以自動做手術(shù)。
這些方案如果規(guī)劃得已經(jīng)達到了非常精準的程度，并且術(shù)中能夠把人體術(shù)中影像、術(shù)前影像以及機器人的動作完好的結(jié)合在一起，就可以把智能方案輸入在比如達芬奇手術(shù)機器人中，術(shù)前由醫(yī)生判斷并授權(quán)，輸入手術(shù)方案，機器人執(zhí)行。手術(shù)變成了一個全自動流水化的過程。聽起來有點科幻，但是實際上國際人工智能巨頭都在從事這方面的研究。
鈦坦白群友Q&A：
1、圖像如何提煉醫(yī)生的動作模型呢？純視頻記錄，現(xiàn)在看到的數(shù)據(jù)不少，提煉出行為模型的還沒見到。如何提煉？
陳永?。阂皇菍︶t(yī)生同種病例的標準手術(shù)錄像進行分析，二是按照該種疾病的國際手術(shù)指南術(shù)式進行設計。
視頻數(shù)據(jù)量很大，結(jié)合新一代視頻壓縮編碼技術(shù)，最好不在原始的視頻上分析，需要在視頻編碼開始就做信息提取的存儲記錄，這樣算法處理的就是特征，而不是從視頻中的圖像分割開始。
谷歌和美敦力已經(jīng)收集了大量的名醫(yī)手術(shù)視頻，正在加緊做這方面工作 。
2、請問，目前的數(shù)據(jù)積累應用情況如何？
陳永健：CT和核磁數(shù)據(jù)有一定積累，CT偏多。
3、陳博士好，請問醫(yī)生在實際手術(shù)中會進行手術(shù)交互嗎？總感覺腹部被拉開后，去交互下再動手術(shù)，會影響手術(shù)。
陳永健：醫(yī)生會在術(shù)前準備好手術(shù)方案，術(shù)中只有在發(fā)生了判斷不準的問題時交互，術(shù)中導航的交互應是很自然地判定腫瘤和血管等的深度，位置，引導手術(shù)器械。
4、陳博士好，如果掃描器官的成像技術(shù)足夠發(fā)達，能讓器官更清晰，是不是更加便于醫(yī)生診斷？
陳永?。撼上窦夹g(shù)會更好地促進人工智能在醫(yī)學影像上的效果，成像技術(shù)將某種組織和疾病看清楚，人工智能也會更進一步進入更難或更微觀的領(lǐng)域，將人類的疾病逐一攻克，醫(yī)學就是在這樣相輔相成的進步。
比如說淋巴結(jié)侵犯的判斷，胃腸、膀胱等腫瘤是否突破漿膜準確分期的判斷，目前影像還顯示不清，醫(yī)生只能靠經(jīng)驗，各大醫(yī)院都有很大的診斷錯誤率，需要結(jié)合人工智能技術(shù)更好的判斷，來幫助醫(yī)生。
（本文獨家首發(fā)鈦媒體，根據(jù)海信醫(yī)療研發(fā)部副部長、醫(yī)學影像所所長陳永健在鈦坦白上的分享整理）
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