如何把AI從影像科帶到臨床？

近期，雷鋒網(wǎng)舉辦了首期“心血管科技云峰會(huì)”，從臨床角度剖析了心血管領(lǐng)域正在發(fā)生的技術(shù)變革，以及人工智能涌入后，心血管智能醫(yī)療產(chǎn)品的發(fā)展軌跡。脈流科技創(chuàng)始人兼CEO向建平、睿心醫(yī)療聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO馬駿 、博動(dòng)醫(yī)學(xué)CMO林曉杰、匯醫(yī)慧影CTO張路、正心科技CEO趙衛(wèi)等嘉賓出席了云峰會(huì)，并發(fā)表了主題演講。

作為此次大會(huì)的演講嘉賓，匯醫(yī)慧影CTO張路，以「人工智能助力血管疾病精確診療」為題，為我們解讀AORTIST產(chǎn)品的研發(fā)和落地思路。 作為心血管領(lǐng)域最危險(xiǎn)、增速最快的疾病之一，主動(dòng)脈夾層被心內(nèi)科和胸外科醫(yī)生稱為“不定時(shí)的炸彈”。

阜外華中心血管病醫(yī)院血管外科主任張志東曾表示，“近年心外科手術(shù)量長(zhǎng)最快的就是主動(dòng)脈夾層”。 這種疾病搶救和治療難度大的主要原因就在于手術(shù)治療方案中，人工測(cè)量血管直徑、破口識(shí)別存在明顯誤差缺陷，對(duì)于快速制定精準(zhǔn)手術(shù)方案造成較大挑戰(zhàn)，為此匯醫(yī)慧影聯(lián)合301醫(yī)院研發(fā)了AORTIST主動(dòng)脈人工智能精準(zhǔn)診療系統(tǒng)。 張路表示：“AORTIST主動(dòng)脈診療系統(tǒng)可以自動(dòng)重建分割主動(dòng)脈血管夾層部位，并區(qū)分出真腔和假腔，用不同顏色對(duì)真腔和假腔進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通過MPR以及3D方式對(duì)整個(gè)主動(dòng)脈血管進(jìn)行全方位展示；還可以為術(shù)后臨床轉(zhuǎn)歸提供決策依據(jù)。在301的臨床試驗(yàn)證明，這種方式相比醫(yī)生的手動(dòng)標(biāo)注，可以把分割和測(cè)量時(shí)間從4小時(shí)縮短至幾分鐘?！币韵聻閺埪费葜v全文內(nèi)容，雷鋒網(wǎng)《醫(yī)健AI掘金志》做了不改變?cè)獾恼砗途庉嫞捍蠹液?，我是慧影醫(yī)療科技（北京）有限公司CTO張路，今天跟大家分享題目是“人工智能助力血管疾病精準(zhǔn)診療”。

血管疾病現(xiàn)狀及項(xiàng)目起源

血管疾病大家都很熟悉，常見有腦出血、腦梗等等，心臟方面常見疾病是冠脈粥樣硬化。嚴(yán)重主動(dòng)脈疾病有主動(dòng)脈夾層、主動(dòng)脈瘤，下肢動(dòng)脈硬化閉塞癥等等。 人類疾病死亡原因中，血管類疾病已經(jīng)接近首位，不管腦部還是心臟疾病，一旦發(fā)作，死亡率非常高。 在此情況下，我們打算通過人工智能方式助力血管疾病方向精準(zhǔn)診療。

B型主動(dòng)脈夾層屬于主動(dòng)脈疾病，主動(dòng)脈夾層致病原因主要由血壓高或其它原因?qū)е卵軆?nèi)膜撕裂，形成假腔。 假腔形成以后，主動(dòng)脈里血流會(huì)有一部分從主動(dòng)脈進(jìn)入假腔，造成整個(gè)主動(dòng)脈真腔血流減少，假腔血增加影響整個(gè)動(dòng)脈血流，如果主動(dòng)脈夾層破裂就會(huì)致死，如果慢性期可能形成夾層動(dòng)脈瘤。 B型主動(dòng)脈夾層年發(fā)生率約為0.3/10萬，發(fā)病率雖然不高，但致死率很高，20%患者在入院前就會(huì)死亡，10%患者會(huì)在住院期間死亡。

主動(dòng)脈夾層最主流治療方式就是胸主動(dòng)脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)，在主動(dòng)脈里放一個(gè)支架，通過支架封堵第一破口，然后恢復(fù)真腔供血，導(dǎo)致假腔血栓形成，最后改善分支動(dòng)脈供血，防止夾層破裂。 如果手術(shù)成功，一般患者預(yù)后也可能有一些并發(fā)癥，例如發(fā)生胸主動(dòng)脈擴(kuò)張或腹主動(dòng)脈擴(kuò)張等等。

B型主動(dòng)脈夾層治療過程中，臨床存在以下問題： 首先難以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確多參數(shù)測(cè)量，主動(dòng)脈是一根非常長(zhǎng)的血管，主動(dòng)脈夾層檢查方法就是CTA（CT血管造影）。 現(xiàn)在掃描技術(shù)的提升使整個(gè)CT掃描都很薄，主動(dòng)脈CT掃描片子數(shù)量非常多，可以達(dá)到上千張。如果對(duì)主動(dòng)脈手術(shù)做精準(zhǔn)手術(shù)方案，就需要對(duì)每一張圖片每張影像血管進(jìn)行測(cè)量。 同時(shí)由于CT是斷層掃描，所以測(cè)量并不是沿著血管軸線，經(jīng)常需要沿著血管橫切面進(jìn)行，沒有辦法直接測(cè)量軸線最大徑，而僅僅測(cè)量橫切面最大徑會(huì)給手術(shù)參數(shù)測(cè)量造成很大誤差。 經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生，能夠發(fā)現(xiàn)更重要圖像層，制定正確手術(shù)方案。 而其他經(jīng)驗(yàn)不足的醫(yī)生，可能會(huì)無法做出合適測(cè)量，造成手術(shù)方案不完備，且無法得到最優(yōu)化方案。 此外，由于人工受限性，人工測(cè)量參數(shù)范圍也很有限，只能測(cè)量少量的直徑，無法測(cè)量血管容積，從而影響整個(gè)手術(shù)方案決策。

此外還存在TEVAR術(shù)后臨床轉(zhuǎn)歸預(yù)測(cè)沒有依據(jù)的問題。通過醫(yī)生發(fā)表的很多文章可以發(fā)現(xiàn)，臨床的復(fù)雜場(chǎng)景造成支架放進(jìn)去后容易出現(xiàn)假腔持續(xù)性血流現(xiàn)象，內(nèi)臟動(dòng)脈假腔供血等，這些因素影響病人預(yù)后轉(zhuǎn)歸。AI助力解決血管疾病的方案針對(duì)以上兩個(gè)問題，匯醫(yī)慧影通過人工智能方式提供如下幾個(gè)解決方案。

首先基于深度學(xué)習(xí)對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分割和測(cè)量，這是目前深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)影像最常見應(yīng)用之一。 產(chǎn)品訓(xùn)練和生成主要分為幾個(gè)步驟： 首先，獲取用于學(xué)習(xí)的DICOM文件，找醫(yī)生做手動(dòng)分割，把主動(dòng)脈分割出來，此外因?yàn)閵A層還需要把真腔和假腔分割出來。 有了分割結(jié)果以后，就可以通過人工智能多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN方式對(duì)分割結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)，之后通過計(jì)算自動(dòng)對(duì)血管進(jìn)行分割。 跟臨床醫(yī)生交流經(jīng)驗(yàn)后得知，一個(gè)熟練臨床醫(yī)生做主動(dòng)脈分割和測(cè)量需要4個(gè)小時(shí)左右。而通過人工智能方式幾分鐘之內(nèi)就能完成血管分割和測(cè)量。

第二個(gè)解決難點(diǎn)是術(shù)后預(yù)測(cè)，通過影像組學(xué)研究方式對(duì)術(shù)后結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過人工智能方式能夠?qū)ρ茏鲎詣?dòng)分割，把感興趣區(qū)域勾畫出來，同時(shí)增加臨床特征，例如病人有沒有高血壓、有沒有服用降壓藥等，形成訓(xùn)練集數(shù)據(jù)庫。 組學(xué)研究方法最常見就是特征降維，特征分析和機(jī)器學(xué)習(xí)?，F(xiàn)在常用的特征提取方法有1000多種，這1000多種特征提取出來以后可以通過降維和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，建立出基于組學(xué)的預(yù)測(cè)模型。 組學(xué)預(yù)測(cè)模型通過驗(yàn)證集數(shù)據(jù)驗(yàn)證以后就能形成針對(duì)個(gè)體的最優(yōu)模型，之后再輸入一些B型主動(dòng)脈夾層病人手術(shù)圖像，就能針對(duì)圖像做終點(diǎn)事件發(fā)生概率預(yù)測(cè)。人工智能精準(zhǔn)診療平臺(tái)AORTIST3.0

匯醫(yī)慧影在兩個(gè)方案的基礎(chǔ)上，形成了人工智能精準(zhǔn)診療平臺(tái)——AORTIST，該平臺(tái)經(jīng)過近三年的迭代，已經(jīng)從從1.0發(fā)展到了3.0。

這是平臺(tái)的登錄頁面，平臺(tái)已經(jīng)主要做兩個(gè)病種：B型主動(dòng)脈夾層和腹主動(dòng)脈瘤。 我們這個(gè)平臺(tái)是一個(gè)云平臺(tái)，云上就可以方便各個(gè)醫(yī)院通過開通賬號(hào)進(jìn)行接入。通過我們數(shù)據(jù)對(duì)接上傳接口，把分析數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，通過臨床數(shù)據(jù)填寫簡(jiǎn)單操作，最后獲得想要的手術(shù)方案以及預(yù)后預(yù)測(cè)結(jié)果。 由于血管場(chǎng)景跟影像科場(chǎng)景不太一樣，影像科一天之內(nèi)就可以對(duì)肺結(jié)節(jié)場(chǎng)景做兩三百個(gè)掃描，這種情況下，很多醫(yī)院都希望把人工智能輔助診斷放到醫(yī)院內(nèi)。 主動(dòng)脈發(fā)病率沒有那么高，每天手術(shù)量也沒有那么大，為此我們提供了云平臺(tái)，方便更多醫(yī)院使用我們產(chǎn)品。 醫(yī)院通過數(shù)據(jù)對(duì)接上傳接口，把分析數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，通過臨床數(shù)據(jù)填寫簡(jiǎn)單操作，最后獲得想要的手術(shù)方案以及預(yù)后預(yù)測(cè)結(jié)果。

B型主動(dòng)脈夾層產(chǎn)品主要包括以下幾個(gè)要素： 真假腔軸位顯示、MPR顯示、主動(dòng)脈做了拉直，拉直以后可以對(duì)各個(gè)真假腔直徑進(jìn)行測(cè)量，以及測(cè)量值顯示，我們整個(gè)軟件診斷步驟包括： 第一步，分割血管，主要做血管壁、真腔、假腔、分支血管分割，分割以后提取真腔中心線，提取中心線之后對(duì)整個(gè)手術(shù)方案做預(yù)測(cè)。剛才提到B型主動(dòng)脈夾層主要放支架進(jìn)去，所以手術(shù)方案最主要就是確定支架位置，提取真腔中心線為后續(xù)手術(shù)方案規(guī)劃做準(zhǔn)備。

第二步，夾層分析主要對(duì)第一破口進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別第一破口在B型主動(dòng)脈夾層治療方案，手術(shù)推薦方案要將第一破口堵住，第一破口堵住后續(xù)破口就沒有那么重要，所以我們還要做第一破口識(shí)別，第一破口位置決定手術(shù)過程中支架放在什么位置。 在分割血管、測(cè)量、獲取第一破口的過程中，我們還定義了一些Key Line，把血管中對(duì)手術(shù)方案有影響的部位進(jìn)行標(biāo)注，通過這些Key Line定位，為之后手術(shù)方案做準(zhǔn)備，最后對(duì)重建圖像最大、最小徑、容積作出測(cè)量。

第三步，采用和301醫(yī)院合作中的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合第一破口位置、最大最小徑位置等因素結(jié)合在一起，形成手術(shù)方案。

手術(shù)方案包括兩方面: 一是支架選型，主要選擇支架入口大小、出口大小、長(zhǎng)度等等。 二是決定支架位置，B型主動(dòng)脈夾層治療最核心就是把第一破口堵住，結(jié)合第一破口位置把支架放進(jìn)去。 把手術(shù)方案制定完成以后，就可以結(jié)合組學(xué)分析方法對(duì)術(shù)后不良反應(yīng)做預(yù)測(cè)。B型主動(dòng)脈夾層不良反應(yīng)包括胸主動(dòng)脈擴(kuò)張、腹主動(dòng)脈擴(kuò)張等等。

由于每個(gè)患者具體情況不同術(shù)后反應(yīng)也會(huì)不一樣，情況輕微患者，胸主動(dòng)脈擴(kuò)張、腹主動(dòng)脈擴(kuò)張概率會(huì)比較低，一些患者擴(kuò)張的概率可能就比較高，影響患者術(shù)后隨訪周期。 例如癥狀輕微的患者，隨訪周期比較久，半年或者一年做一次隨訪，而嚴(yán)重病人隨訪周期就會(huì)比較短，一個(gè)月或三個(gè)月進(jìn)行一次隨訪。預(yù)后預(yù)測(cè)可以針對(duì)不同患者給到精準(zhǔn)結(jié)果，因?yàn)槲覀兪抢糜跋窠M學(xué)分析跑出來的模型，所以針對(duì)不同患者會(huì)有不同推薦值。 最后一步，把上述所有信息生成結(jié)構(gòu)化報(bào)告，包括手術(shù)方案推薦、具體支架選型、支架放置位置等方面，還會(huì)提供術(shù)后預(yù)測(cè)結(jié)果隨訪，胸主動(dòng)脈擴(kuò)張概率隨訪周期制定。

這個(gè)過程中，醫(yī)生可以用我們軟件對(duì)看圖過程中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵幀影像進(jìn)行截圖，在結(jié)構(gòu)化報(bào)告里把這些關(guān)鍵幀放到里面，方便醫(yī)生以后使用。 我們還做腹主動(dòng)脈瘤產(chǎn)品。動(dòng)脈瘤實(shí)際并不是腫瘤，本質(zhì)上是血管因?yàn)楦鞣N病理性原因造成局部血管膨脹，膨脹后局部血管比正常血管粗很多，外形上像是一個(gè)膨大的瘤子，所以叫做動(dòng)脈瘤。 腹主動(dòng)脈瘤跟夾層不一樣，夾層是因?yàn)檠芷屏研纬烧媲缓图偾?，而腹主?dòng)脈瘤成分相對(duì)比較復(fù)雜，有真實(shí)管腔、血栓和鈣化等。

腹主動(dòng)脈瘤在分割血管時(shí)，一方面要把血管管腔找出來，另外還要找到血管壁，確定血管最大徑位置，把血管上沉著、血栓、鈣化等也都找出來。 此外，因?yàn)楦怪鲃?dòng)脈瘤所在位置特殊，處于腹主動(dòng)脈到髂動(dòng)脈之間，所以腹主動(dòng)脈末端會(huì)形成兩個(gè)分支髂動(dòng)脈，在做血管分割時(shí)不僅要對(duì)腹主動(dòng)脈做分割，還要對(duì)髂動(dòng)脈做分割。最后主動(dòng)脈治療方式也要放支架，不僅需要在腹主動(dòng)脈里放支架，還需要在髂動(dòng)脈里面放支架。 針對(duì)腹主動(dòng)脈瘤的臨床特點(diǎn)，提取血管中心線時(shí)要根據(jù)整體對(duì)不同管腔作提取，例如腹主動(dòng)脈到左髂動(dòng)脈有一個(gè)中心線提取，腹主動(dòng)脈到右髂動(dòng)脈也有一個(gè)中心線提取。 在測(cè)量時(shí)，除了對(duì)管腔直徑做出測(cè)量以外，我們也對(duì)腹主動(dòng)脈關(guān)鍵血管位置做了一些定位線。 結(jié)合這兩個(gè)產(chǎn)品，從算法架構(gòu)上可以看到，整個(gè)產(chǎn)品算法是基于深度學(xué)習(xí)分割和測(cè)量對(duì)血管壁、真腔假、以及鈣化、血栓區(qū)域進(jìn)行分割等。

在分割基礎(chǔ)上可以對(duì)各條血管、各個(gè)部位進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，這是醫(yī)生制定手術(shù)方案中最有用的部分，醫(yī)生可以看到整個(gè)血管中，真腔最大徑、最小徑，以及所在位置等。 對(duì)于醫(yī)生，一方面平臺(tái)可以提供手術(shù)方案，另一方面也可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果，結(jié)合自己經(jīng)驗(yàn)制定手術(shù)方案。 整個(gè)自動(dòng)分割和測(cè)量會(huì)節(jié)省醫(yī)生大量時(shí)間，對(duì)301醫(yī)院進(jìn)行了解以后知道以前一個(gè)熟練的醫(yī)生，需要4個(gè)多小時(shí)才能完成一例病人的測(cè)量，而且沒有辦法對(duì)所有影像進(jìn)行測(cè)量。而通過我們?nèi)斯ぶ悄芗夹g(shù)，可以自動(dòng)把這些值都測(cè)量出來只需要幾分鐘，節(jié)省醫(yī)生制定手術(shù)方案時(shí)所需要的時(shí)間。 此外，我們結(jié)合301醫(yī)院經(jīng)驗(yàn)做了一些手術(shù)方案規(guī)劃，手術(shù)方案規(guī)劃需要做一些關(guān)鍵定位線位置選擇，這些都是通過深度學(xué)習(xí)方法完成。 算法核心評(píng)價(jià)指標(biāo)是Dice，也就是分割準(zhǔn)確率，可以看到我們整個(gè)主動(dòng)脈分割準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到95%，對(duì)真腔準(zhǔn)確率能達(dá)到93%以上，假腔分割準(zhǔn)確率也能達(dá)到91%以上。此外交并比值達(dá)到0.0746，說明分割準(zhǔn)確率非常理想。

總結(jié)起來，我們產(chǎn)品創(chuàng)新主要包括以下幾個(gè)方面： 使用基于CNN開發(fā)，就是基于深度學(xué)習(xí)CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完善主動(dòng)脈夾層自動(dòng)分割方法，同時(shí)推廣并運(yùn)用主動(dòng)脈整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)腹主動(dòng)脈檢測(cè)。 之后，我們也會(huì)將創(chuàng)新覆蓋到更多地方，例如頸動(dòng)脈、下肢動(dòng)脈等更多動(dòng)脈位置，此外還實(shí)現(xiàn)主動(dòng)脈整體、真假腔、分支血管分割。 方法創(chuàng)新上，我們利用影像組學(xué)技術(shù)輔助B型主動(dòng)脈夾層術(shù)后轉(zhuǎn)歸臨床預(yù)測(cè)。

同時(shí)，我們也開發(fā)針對(duì)B型主動(dòng)脈夾層特異性影像組學(xué)新特征，更有效提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，更好幫助患者，實(shí)現(xiàn)術(shù)后隨訪規(guī)劃。 另外，基于自動(dòng)分割算法和第一破口識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化TEVAR手術(shù)自動(dòng)規(guī)劃，之前的人工智能產(chǎn)品基本還停留在檢測(cè)方向。 我們整個(gè)軟件優(yōu)勢(shì)在于，平臺(tái)首次結(jié)合人工智能方法，最后落地到手術(shù)自動(dòng)規(guī)劃，面向血管外科臨床科室，不僅做檢測(cè)，還能夠?qū)θ绾沃委熥龀鼋ㄗh和意見。

總結(jié)一下，我們產(chǎn)品臨床價(jià)值是提供精準(zhǔn)主動(dòng)脈分割、便捷三維可視化，以及我們?nèi)娼馄蕝?shù)測(cè)量，能夠很大程度提高醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)方案規(guī)劃。 同時(shí)幫助基層醫(yī)生制定更完備手術(shù)方案，通過組學(xué)預(yù)測(cè)方式對(duì)患者術(shù)后健康管理提供幫助。 總之，我們能夠提高血管外科臨床決策工作效率，血管外科臨床決策準(zhǔn)確率和提高支架選型成功率，降低二次修復(fù)率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化隨訪方案制定和個(gè)人精準(zhǔn)診療。

最后對(duì)公司做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，目前公司產(chǎn)品包括以下四大維度： 一是基于人工智能的DR.Turing人工智能平臺(tái)，目前已經(jīng)開發(fā)10多個(gè)病種； 二是數(shù)字智能膠片，幫助患者把影像檢查的結(jié)果保留在患者手機(jī)里，方便患者轉(zhuǎn)診和隨訪等； 三是區(qū)域影像醫(yī)聯(lián)體，為智慧影像建設(shè)和上下級(jí)醫(yī)院教學(xué)提供基礎(chǔ)平臺(tái)； 四是Radcloud大數(shù)據(jù)科研平臺(tái)，是服務(wù)于醫(yī)院科研的一套科研平臺(tái)，主要使用放射組學(xué)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)幫助醫(yī)院快速發(fā)表科研論文。

原文標(biāo)題：AI如何成為心血管疾病的「拆彈部隊(duì)」

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