醫學AI有新突破，頂級期刊連放大招

???? 很久以前，人工智能（ArtificialIntelligence,AI）給人的感覺還像是科幻片里的故事，直到去年3月，Google旗下的DeepMind研發的圍棋AI，AlphaGo，戰勝了圍棋老將李世石，一夜之間AI的名聲火遍大街小巷，人們不管懂不懂AI、懂不懂圍棋，都對這個話題進行了各種摻和。后來，正在圍棋界還對它不能釋懷之際，它跑去玩起了電競，再后來，它又說要進軍醫學了。

????此時，我們才真正關心起它來。不看不知道，原來，AI想學醫已經想了30多年了！大概之前還沒有太好的成績，至少沒有“威脅”到醫生的存在，所以在我們普通醫生眼里都只是小透明吧。然而這段時間大AI們的各種活動又頻繁起來，除了AlphaGo的升級版Master又去圍棋圈攪個血雨腥風，醫學界也頻頻出現它們的身影。去年底到今年初短短三個月內，就連續有好幾篇新的研究發表在醫學頂級刊物上；尤其是Nature今年1月剛剛增設的子刊NatureBiomedicalEngineering，一上來就連放三篇人工智能研究，相當驚艷。

????JAMA：糖尿病視網膜病變的高靈敏、高特異診斷

????AI的“深度學習”技術，包含一系列的算法，使程序能夠自己通過對一個龐大的樣本數據集進行學習、優化自身，來實現某種行為。這份JAMA上的研究采用的算法是深度卷積神經網絡（convolutionalneuralnetwork,CNN），用來進行圖像識別與分類。

????研究者用128,175張視網膜照片作為訓練數據庫，讓AI學會自動檢測糖尿病視網膜病變和視網膜黃斑水腫。這將近13萬張圖片是由54名美國證認的眼科專家和高級眼科住院醫師進行分類與分級。

????經過8個月學習期，研究者讓AI分別在2個新的數據庫中驗證它的兩個操作點，一個操作點做高特異性選擇，另一個做度靈敏度選擇。新的數據庫分別為EyePACS-1和Messidor-2，來自兩個眼科臨床機構，包含9963和4997張視網膜照片，并由至少7位眼科專家進行分類與評級。對數據集EyePACS-1，AI的高特異性操作點識別的靈敏度達到90.3%，特異性達到98.1%；對Messidor-2，AI識別的靈敏度有87.0%，特異性有98.5%。用AI的第2個操作點即高靈敏度操作點識別，對EyePACS-1的靈敏度有97.5%，特異性有93.4%；對Messidor-2的靈敏度有96.1%，特異性有93.9%。

????EyePACS-1數據集中AI的靈敏度和特異性曲線。8個圓點代表8位眼科專家，兩個棱形分別代表AI的高特異性操作點和高靈敏度操作點。

????這份研究是去年12月發表，表明AI的圖像識別功底已經有了很了不起的特異性和靈敏度，跟人類眼科專家不相上下。不過研究者也說了，它的臨床應用還有待進一步評估。對了，本研究也是由Google公司領導，與美國、印度多個知名研究機構合作進行。

????Nature：開啟皮膚癌的智能手機篩查

????皮膚癌的診斷，通常是靠醫生的視診發現可疑病變，再進一步通過皮膚鏡、活檢等手段確定。但皮膚紋理如此細密而變化多端，也給視診增加了難度。所以，這份來自斯坦福大學的研究也采用了深度CNN算法，來對皮膚圖像進行識別。

????它之所以能登上當期Nature的封面，想必是由于它宏偉壯麗。第一是想法有魄力，他們不僅是幫助醫生診斷，簡直是踢館——要讓人們用智能手機就可以進行皮膚惡性病變的篩查。第二是數據量很暴力，之前的皮膚AI研究都要依靠專業圖像，如皮膚鏡圖像或病理活檢圖像，不易獲得，所以數據量比較小，最后訓練出來的小AI們放到真實的臨床環境中效率就不高；但要用手機拍照的圖片訓練又會受到縮放、角度、光線等因素的影響，恐怕一樣效率不高，怎么破？

????本研究先用目前世界上最大的開源圖像識別數據庫ImageNet中的128萬張圖片進行預訓練，再用自己的129,450張圖片的數據庫進行調諧，其中包括3,374張皮膚鏡圖像。第三是技術（說起來）很簡單，前人的研究都有許多預處理步驟，如病變分層、提取特定表現的視覺特征等，但本AI的訓練是“端對端（end-to-end）”的，只有原始像素和圖像標簽，用單一網絡同時對付普通照片和皮膚鏡圖像。

????最后在新的圖片數據集中進行驗證，這些圖片都事先以活檢來確認過。本AI與至少21位皮膚專家的診斷進行兩場比拼。第一場，是鑒別角化細胞癌與良性脂溢性角化病，即識別最常見的癌變。第二場，是鑒別惡性黑色素瘤和良性的痣，即識別最致命的癌變。

????三幅圖分別為角化癌照片、黑色素瘤的照片以及黑色素瘤的皮膚鏡圖像識別。曲線是AI對病變識別的靈敏度-特異性曲線，每個圓點代表一位專家的識別，綠點是專家們的平均值，綠色誤差線是標準差。

????可以看到，大多數圓點都在藍色曲線以下，平均值也是。說明專家們判斷的特異性和靈敏度都輸給了AI。

????乍一看，這個研究確實像踢館。不過仔細一想，確診是離不開活檢的，還有其他臨床信息，而照片識別只是初篩。預計到2021年就會有63億臺智能手機裝上這樣的App，為大家進行皮膚癌的早期篩查了。

????NatureBiomedicalEngineering：罕見病的診療建議及監控

????上一篇研究提到，數據量越大，訓練出來的AI就越準確。那么罕見病怎么辦？原本就沒有這么多病例，是不是可以退出江湖了？中山大學的研究者證明給你看，少量數據不僅一樣可以達到很高的識別準確度，還可以進行風險分層、給出治療建議，而且已經進入臨床試驗了！

????又是CNN算法，這回是識別先天性白內障（CongenitalCataract,CC），人群中發病率只有1%，還多出現于欠發達地區，醫療資源相對匱乏，于是需要更高效的監控。

????這位AI寶寶是有名字的，叫CC-Cruiser，即CC巡洋艦。它的訓練數據庫包括帶有診斷標記的410張各種嚴重程度的CC圖片和476張正常圖片，那410張CC圖片又各自帶有嚴重程度標記（晶體混濁面積、密度、位置）和治療建議（手術或隨訪）標記，就這么低調華麗有內涵。

????之后進行了多項驗試。包括電腦模擬測試（insilicotest）、57例臨床樣本的臨床試驗、53例樣本的網絡圖片測試，CC-Cruiser的表現都很令人滿意。以人類專家意見為參考，對前兩者的診斷準確率都在98%左右，網絡圖片質量參差不齊，但也達到了92.45%；對風險評估、診斷建議的判斷也同樣出色。接下來是有趣的“大海撈針試驗”，模擬CC的發病率，混淆100張正常圖片和1張CC圖片讓它識別，連測3組，CC-Cruiser都全部通關。最后在跟人類眼科醫生的比拼中，不出意料地贏了。

????這么優秀的AI，給它發個規培證吧~研究者建立了一個云平臺，來幫助非專科醫院進行診療。

????地方醫院里來了一位患者，他的人口學信息、聯系方式連同眼科檢查資料都一起上傳到CC-Cruiser處理器和云平臺，讓它進行診斷、風險評估并給出治療建議。如果建是手術，則同時給中國衛生部兒童白內障計劃（CCPMOH）的專家發送提示進行人工確認，專家和地方醫院、患者進行溝通，制定治療計劃。

????NatureBiomedicalEngineering：腦瘤的術中快速診斷

????圖像識別除了CNN，還有別的算法。在一項關于腦瘤術中快速診斷的研究中，研究者用采一項叫受激拉曼散射顯微鏡（stimulatedRamanscattering,SRS）的技術，生成高度模擬傳統的HE染色病理切片的新圖像，稱之為受激拉曼組織學（stimulatedRamanhistology,SRH）圖像。病理醫生對SRH圖像和傳統HE圖像做了比較，確認了SRH的診斷作用。

????AI在這個研究中并不是主角，而是錦上添花。雖然SRS比傳統的病理切片節省了很多組織樣本預處理的時間，大大提高了術中診斷的速度，但研究者仍嫌病理醫生人手不夠，希望用AI來服務大眾。

????這回采用的算法叫多層感知機（MultilayerPerceptron,MLP），更適應目前常用的計算機的處理能力。研究者用來自101名患者的12,897張SRH高倍視野圖片建立訓練庫，同時也加入了一個外部的開源圖像數據庫WND-CHRM的2,919張圖片，讓MLP進行迭代，直到診斷的預測值和觀察值差距最小。

????MLP根據神外醫生做出決策的需要，對圖像進行四種分類：非病變組織、低級別膠質瘤、高級別膠質瘤和非膠質腫瘤（包括轉移瘤、腦膜瘤、淋巴瘤和成神經管細胞瘤）。用了30個案例對MLP進行驗證，結果它在樣本層面能做到100%區分病變和非病變；對單個顯微視野的識別則能達到94.1%的特異性和94.5%的靈敏度。在病變樣本中，MLP能以90%的準確率區分膠質瘤和非膠質瘤。

????a,MLP對30個樣本的病變與非病變鑒別；b,MLP對膠質瘤和非膠質瘤的鑒別；c,MLP對30個樣本進行4種分類的總體情況。NL，非病變；LG，低級別膠質瘤；HGG，高級別膠質瘤；NG，非膠質腫瘤。

????研究者稱，這個結果已可以滿意了，AI可以幫助病理醫生進行術中快速診斷，并彌補醫生的個體水平差距，但將來還要研發更準確、更細化的方法。

????NatureBiomedicalEngineering：神經假體的精確控制

????前面的研究都是在診斷上下功夫，最多給出治療建議，但它能切實地進行治療，改善病情嗎？這項來自倫敦帝國理工學院的研究就是一個成功的探索。

????被截肢的患者裝了假肢，如何恢復自主運動功能？靶向肌肉神經移植術（targetedmusclereinnervation,TMR）是本領域的一個突破，例如將正中神經接到肱二頭肌長頭。之后需要檢測相關肌肉神經的電活動信息，來實現患者對假肢的控制。

????傳統的做法是用兩個電極檢測整個肌肉（或肌群）的電活動，但由于位置太模糊，容易跟鄰近肌肉的信息發生交叉，不容易做到精確控制。本研究則使用了至少50個更小的電極緊密排布，使得檢測到的信息更為細致豐富，可獲得單個神經元的電活動信息，并使用一種叫支持向量機（supportvectormachine,SVM）的機器學習算法來處理，與傳統方法比較，精確度有很大的提高（97%VS85%）。

????a,上圖：傳統方法用兩個電極記錄肌電信號。下圖：高密度肌電系統使得AI能夠識別單個運動單元及其放電率。b,c,示例盂肱關節截肢并TMR術后患者，用高密度肌電圖解碼神經驅動（b,虛線區為神經移植區域）。給予3個電極陣列來收信肌電信號（c）

????不過從圖上看，很顯然這么個龐然大物攜帶起來肯定不方便。但這至少提供了一種思路，研究者也會在將來尋找更好的設備，或開發新的方法來解決。

????原文：Man/machineinterfacebasedonthedischargetimingsofspinalmotorneuronsaftertargetedmusclereinnervation

????如此看來，AI在醫學圈的事業好像終于起飛了呢。

????近日又聽到圍棋圈傳出4月要進行人機大戰第二季的消息，這回對擂雙方是AlphaGo和柯潔。柯潔已經算是圍棋界百年一遇的奇才了，但現在連對戰國產圍棋AI“絕藝”都有些吃力，人工智能的發展確實令人震驚。而且，聽說這回是AlphaGo在圍棋界的最后一戰，之后大概就潛心學醫了吧。

????至于那些“AI要替代醫生、我們的存在還有沒有意義”之類的言論，向來心大的麥子覺得，我們發明的一切東西難道不都是為我們所用的嗎？況且，還有小型研究要研發寫病理報告的AI，給病理醫師騰出認真讀片的時間呢（Arch.Pathol.Lab.Med.（2015）139,929–935.），說不定很快臨床醫生就有病歷AI、科研人員就有論文AI了。