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我是教師
“克隆”眼科醫(yī)生 西電軟院研究成果登上《Nature》子刊

人物簡介:劉西洋,工學(xué)博士,西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)軟件工程專業(yè)委員會(huì)委員。1988年考入西電,分別于1992年、1995年和2007年獲得西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件與理論專業(yè)學(xué)士、碩士學(xué)位以及電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位。與中科院國家授時(shí)中心緊密合作,長期從事“北斗”等航天領(lǐng)域軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)和容錯(cuò)技術(shù)的研究。2013年至2015年與航天一院12所合作研制的跨越試驗(yàn)場(chǎng)、與航天型號(hào)研制院所的“航天試驗(yàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)”,已應(yīng)用于CZ-XX等多個(gè)航天型號(hào)的定型試驗(yàn)。2015年3月開始,與中山大學(xué)眼科中心林浩添教授圍繞先天性白內(nèi)障等眼表疾病的機(jī)器篩查與診療,開展機(jī)器學(xué)習(xí)與醫(yī)學(xué)的跨學(xué)科交叉研究。

林浩添,醫(yī)學(xué)博士,中山大學(xué)中山眼科中心白內(nèi)障專科副主任醫(yī)師,研究員,博士生導(dǎo)師,廣東省青年珠江學(xué)者。2016年唯一獲中山大學(xué)破格提拔正高職稱的杰出青年人才,也是廣東省“高層次人才特殊支持計(jì)劃”科技創(chuàng)新青年拔尖人才和廣東省自然科學(xué)杰出青年基金獲得者。以第一及通訊作者發(fā)表SCI論文38篇,包括世界頂尖期刊《Nature》《Lancet》《Science》《Nature biomedical engineering》。2016年以第一作者發(fā)表在《Nature》的晶狀體再生研究成果,被《Nature Medicine》評(píng)選為2016年度全球生命科學(xué)8大突破性成果之一,是自2004年以來第一項(xiàng)由中國學(xué)者完成的獲得此殊榮的成果(被國家科技部、國家自然科學(xué)基金委專題報(bào)道)。2017年與西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院劉西洋教授關(guān)于人工智能篩查和診治眼病的共同研究成果,在《Nature biomedical engineering》等期刊上發(fā)表,并被多家國際主流媒體報(bào)道。

近日,西安電子科技大學(xué)軟件學(xué)院劉西洋教授團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)中山眼科中心林浩添醫(yī)生團(tuán)隊(duì)緊密合作,圍繞典型的疑難罕見眼病——先天性白內(nèi)障人工智能機(jī)器診斷的合作研究成果,接連在Nature子刊Nature Biomedical EngineeringScientific Reports上發(fā)表。IEEE Spectrum以《Ophth

almologists vs. AI: It's a Tie》為題對(duì)該研究進(jìn)行了報(bào)道。

先天性白內(nèi)障是一種典型的罕見眼病,其危害極大,會(huì)導(dǎo)致兒童失明和視力損傷,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治療,患兒很可能面臨終生失去視力的不幸。

“我們希望,通過這項(xiàng)研究的應(yīng)用,讓不幸罹患先天性白內(nèi)障的兒童,尤其是身處偏遠(yuǎn)地區(qū)的患兒,能夠享受到眼科優(yōu)勢(shì)醫(yī)療資源,及時(shí)得到準(zhǔn)確的診斷,進(jìn)而進(jìn)行專業(yè)的治療。”談及起初和林浩添教授選擇這個(gè)疾病作為研究突破口的重要臨床意義,劉西洋教授說。

合伙“吃螃蟹”

IBM的Watson和谷歌DeepMind的AlphaGo的出現(xiàn),讓人們認(rèn)識(shí)到了人工智能與醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合的巨大空間。對(duì)于很難獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的罕見病來說,又是否能夠在其篩查和輔助診斷過程中,讓人工智能化身醫(yī)生的“左膀右臂”呢?

受到2015年谷歌DeepMind發(fā)表于《Nature》的論文《Human-level control through deep reinforcement learning》啟發(fā),2015年3月,林浩添教授與劉西洋教授開始進(jìn)行先天性白內(nèi)障機(jī)器診斷的合作研究。

通過提煉醫(yī)生診斷經(jīng)驗(yàn),他們采用眼科影像的預(yù)處理和后處理,以及深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法,研發(fā)了一個(gè)先天性白內(nèi)障篩查的原型診療系統(tǒng)CC-Cruiser,并以云服務(wù)的形式輔助醫(yī)生完成先天性白內(nèi)障的自動(dòng)診斷。相關(guān)研究成果《一種先天性白內(nèi)障多醫(yī)院合作管理的人工智能平臺(tái)》(an artificial intelligence platform for the multihospitalcollaborative management of congenital cataracts)于2017年1月30日發(fā)表于《Nature》子刊《NatureBiomedical Engineering》。在研究過程中,劉西洋教授團(tuán)隊(duì)將深度學(xué)習(xí)方法與多種傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法從多個(gè)角度進(jìn)行了性能對(duì)比分析,研究成果《眼科圖像的自動(dòng)診斷方法的性能比較分析》(Comparative analysis of image classification methods for automaticdiagnosis of ophthalmic images)于2017年1月31日在《Nature》子刊《ScientificReports》上發(fā)表。

“與我們合作的中山眼科中心是國內(nèi)頂尖級(jí)的眼科中心,醫(yī)生診療經(jīng)驗(yàn)豐富,長期的積累匯集了數(shù)量堪稱全球最多的先天性白內(nèi)障患者病例。醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)很大程度上物化在病例上,主要是眼睛的各種影像,當(dāng)然也有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)?!眲⑽餮蠼淌诮榻B說,“我們的研究就是通過將這種優(yōu)質(zhì)醫(yī)生診療的經(jīng)驗(yàn)?zāi)鄣綑C(jī)器里,通過訓(xùn)練樣本的形式讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行深度學(xué)習(xí),利用我們創(chuàng)建的系統(tǒng),讓更多患者能有機(jī)會(huì)接受高水準(zhǔn)的醫(yī)療診斷和治療?!?br>
“克隆”出專家級(jí)眼科醫(yī)生

研究中,訓(xùn)練機(jī)器診療系統(tǒng)CC-Cruiser的圖片集采用了來自中國衛(wèi)生部兒童白內(nèi)障計(jì)劃(CCPMOH)例行檢查的部分圖片所有圖片均由兩名有經(jīng)驗(yàn)的眼科醫(yī)生獨(dú)立地進(jìn)行分類和描述,第三名眼科醫(yī)生對(duì)分歧案例提供咨詢。

完成訓(xùn)練后,CC-Cruiser主要具備三個(gè)功能:篩查患有先天性白內(nèi)障的患者;對(duì)患者進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估,評(píng)估主要有三個(gè)指標(biāo):晶狀體的不透明面積、深淺和位置;協(xié)助眼科醫(yī)生進(jìn)行治療決策。

研究對(duì)CC-Cruiser的性能進(jìn)行了5次測(cè)試,結(jié)果都非常出色。在和人類眼科醫(yī)生的50例圖像比較測(cè)試中,三名眼科醫(yī)生在第3例圖片上都犯了錯(cuò)誤——誤將圖片的高光區(qū)域診斷為先天性白內(nèi)障,CC-Cruiser都做出了正確的診斷。在危險(xiǎn)評(píng)估和輔助決策中,CC-Cruiser表現(xiàn)也不錯(cuò),對(duì)所有需要進(jìn)行手術(shù)的患者都給予了恰當(dāng)?shù)闹委熃ㄗh。因此,CC-Cruiser的表現(xiàn)稱得上是一名“專家級(jí)的眼科醫(yī)生”。

劉西洋教授介紹說,在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過在基層醫(yī)院部署紅反、裂隙燈與彌散光等專業(yè)相機(jī),拍攝并將相關(guān)影像數(shù)據(jù)上傳至設(shè)立在高資質(zhì)醫(yī)院的讀圖中心,由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行篩查。倘若完全由醫(yī)生人工篩查,工作量大,需要耗費(fèi)醫(yī)生大量的時(shí)間和精力,導(dǎo)致醫(yī)生疲勞,影響診斷水平。如果通過24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)也絲毫不會(huì)打哈欠的計(jì)算機(jī),“克隆”出眾多達(dá)到進(jìn)而超過醫(yī)生平均水平的人工智能眼科醫(yī)生來看片,人類醫(yī)生則只需對(duì)結(jié)果做出確認(rèn),并在遇到疑難病癥時(shí)進(jìn)行再次診斷。這樣一來,篩查效率和質(zhì)量將得到大幅提升。

“當(dāng)然,機(jī)器學(xué)習(xí)無法做到像人類那樣,面對(duì)一種疾病涌現(xiàn)直覺、靈感、頓悟與豐富的聯(lián)想,對(duì)新型病癥、疑難雜癥的診斷治療,還有賴于高水平醫(yī)生的創(chuàng)造性?!眲⑽餮蠼淌谡f。

對(duì)“晶”貼花黃

“首先自己要變成半個(gè)眼科醫(yī)生。”2015年合作伊始,劉西洋教授就清楚地認(rèn)識(shí)到,要想讓設(shè)想真正落地,就不能只是把病例拿來簡單套用現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)方法悶頭實(shí)現(xiàn)?!氨仨毰c醫(yī)生深度融合,具體來說,要通過反復(fù)交流,將醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)最大可能地‘同聲傳譯’為計(jì)算機(jī)能夠接受的方式,具體到影像預(yù)處理和后處理中,體現(xiàn)在病歷標(biāo)注過程中。尤其是預(yù)處理和后處理,至關(guān)重要”。

為此,劉西洋教授讓自己的研究生長期在中山眼科中心與醫(yī)生工作在一起,行思在一起,深入診療過程,充分結(jié)合醫(yī)生的先驗(yàn)知識(shí),從醫(yī)生的角度思考問題,發(fā)揮西電團(tuán)隊(duì)和醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)之間溝通的橋梁作用。事實(shí)證明,這“招兒”十分有效。

正是通過結(jié)合醫(yī)生的先驗(yàn)知識(shí),劉西洋教授和他的研究生明確了先天性白內(nèi)障疾病總是發(fā)生在晶狀體區(qū)域,在嘗試了很多方法來獲得晶狀體區(qū)域后,他們發(fā)現(xiàn),晶狀和虹膜交界線類似于一個(gè)圓形,使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)方法Canny算子和霍夫變換,可以準(zhǔn)確地自動(dòng)捕獲晶狀體區(qū)域,這樣就可以排除掉大量諸如鞏膜、眼瞼、睫毛等噪聲,從而大幅提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性?!皩?duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理和后處理可以說是我們研究中遇到的難點(diǎn),為此我們進(jìn)行了鍥而不舍的尋尋覓覓。”劉西洋教授笑道,“不過,做科研就像談戀愛——愛,就勇往直前,‘淋雨一直走’!”

針對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù),劉西洋教授團(tuán)隊(duì)從疾病的三個(gè)角度進(jìn)行了分級(jí),構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生診斷先天性白內(nèi)障疾病的全過程:篩查,三個(gè)不同尺度的危險(xiǎn)分級(jí),以及最后的治療建議。

將模型搬上“云”

在研究過程中,劉西洋教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了眼科疾病的信息管理系統(tǒng),幫助自動(dòng)搜集患者病歷和影像數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了論文的數(shù)據(jù)源,同時(shí),醫(yī)生通過使用信息系統(tǒng),也會(huì)不斷搜集新的病歷和新的疾病數(shù)據(jù),這些也為后續(xù)的研究工作提供了數(shù)據(jù)源泉。“如果信息是在紙上,就會(huì)分散、會(huì)遺失,無法沉淀下來,沒有充分的信息就沒法做深度學(xué)習(xí)。”劉西洋教授說。

光“克隆”出眼科醫(yī)生還不夠。目前,我國罕見病管理比較落后,主要是費(fèi)用貴,地域比較分散,患者難以享受到專業(yè)高質(zhì)量的護(hù)理。我國人口眾多,罕見病管理往往存在漏診、誤診及不當(dāng)治療決策等問題,這與一直倡導(dǎo)的“精準(zhǔn)治療”目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。為此,劉西洋教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套輔助診斷軟件,將訓(xùn)練好的模型搬到了“云”上,用于先天性白內(nèi)障的醫(yī)療服務(wù)管理。

劉西洋教授團(tuán)隊(duì)與林浩添醫(yī)生一起研發(fā)了CC-Cruiser的網(wǎng)站(https://www.cc-cruiser.com/version1),不同于面向醫(yī)院的Watson機(jī)器人,普通用戶也可注冊(cè)登陸網(wǎng)站,上傳自己的眼部圖片,網(wǎng)站會(huì)當(dāng)即給出診斷結(jié)果,包括:是否有病、面積大小、深淺、位置、治療建議。經(jīng)用戶同意,其相關(guān)信息會(huì)被上傳保存到數(shù)據(jù)庫中。一旦CC-Cruiser建議患者進(jìn)行手術(shù),將立即通知CCPMOH的醫(yī)生進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。為了防止誤診和漏診,每周CCPMOH的醫(yī)生會(huì)檢查所有上傳的案例。之后,患者可以和醫(yī)生通過網(wǎng)站提供的電子郵件及電話服務(wù)進(jìn)行溝通,以此確認(rèn)是否需要進(jìn)行手術(shù)。目前,在林浩添醫(yī)生的推動(dòng)下,首個(gè)眼科專家級(jí)人工智能門診即將在中山大學(xué)眼科中心開啟。

“我們的研究工作還剛起步,團(tuán)隊(duì)目前正在深入開展先天性白內(nèi)障、角膜炎、胬肉、結(jié)膜炎、視網(wǎng)膜病變等多種眼科疾病的診斷、眼科手術(shù)并發(fā)癥預(yù)測(cè)等研究?!眲⑽餮蠼淌谡f話干脆利落,亦如他高卷起的襯衣衣袖,“通過人工智能技術(shù)與醫(yī)生的深度融合,期待我們更多的研究工作能夠應(yīng)用于臨床實(shí)踐?!?/p>


(文/西電新聞中心·吳 華)


 

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