人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用缺陷同樣明顯

隨著 AI 技術(shù)的普及，人工智能與醫(yī)療場(chǎng)景的結(jié)合擁有更多值得期待的可能性。然而，有研究人員發(fā)現(xiàn)，人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用缺陷同樣明顯，與人類一樣，人工智能也會(huì)為達(dá)到某種目標(biāo)選擇走 “捷徑”，甚至在具體應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)出現(xiàn) “誤判”。

5 月 31 日，《自然機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）上發(fā)表了題為《放射 COVID-19 檢測(cè)的 AI 選擇信號(hào)的快捷方式》（Fitting elephants in modern machine learning by statistically consistent interpolation）的論文，華盛頓大學(xué)研究人員對(duì)胸部放射圖中準(zhǔn)確檢測(cè) COVID-19 的人工智能系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了質(zhì)疑，他們證明 COVID-19 的人工智能系統(tǒng)并不依賴于醫(yī)學(xué)病理學(xué)，而是混淆因素，這會(huì)導(dǎo)致一種測(cè)試表象與實(shí)際不符結(jié)果。

例如，COVID-19 的人工智能系統(tǒng)在新醫(yī)院里測(cè)試的失敗。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，人工智能模型無法真正反映 COVID-19 存在的基礎(chǔ)病理學(xué)，而是利用 COVID-19 的存在或缺失與反映圖捷徑之間的虛假關(guān)聯(lián)。

華盛頓大學(xué)研究員的實(shí)驗(yàn)聚焦在 “最壞情況混淆” 的研究，他們構(gòu)建了兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)集，一個(gè)用來復(fù)制歷史研究數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于新醫(yī)院的外部驗(yàn)證。該模型最重要的一點(diǎn)在于，能夠區(qū)分 COVID-19 陽性和 COVID-19 陰性病例的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。研究人員構(gòu)建的人工智能模型在三個(gè)方向提出了自己的看法。

第一，可解釋的 AI 識(shí)別虛假混淆者。這個(gè)研究結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)觀點(diǎn)是顛覆性的，當(dāng)數(shù)據(jù)集來源于陽性和陰性 COVID-19 病例相似病理時(shí)，他們認(rèn)為混淆不會(huì)造成什么問題，高性能醫(yī)療 AI 系統(tǒng)在實(shí)際檢測(cè)過程中具有一定的選擇性，大概率會(huì)選擇不受歡迎的捷徑而非所需信號(hào)。

可解釋的 AI 可視化圖像因素對(duì)于深神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說尤為重要，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過培訓(xùn)和學(xué)習(xí)之后，能夠檢測(cè)放射圖中的 COVID-19。

第二，可解釋的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人工智能技術(shù)缺乏透明度。人工智能的應(yīng)用離不開大量的數(shù)據(jù)支撐，技術(shù)層面通常依據(jù)數(shù)據(jù)集給出幾個(gè)方向的預(yù)測(cè)，遺憾的是我們無法知道構(gòu)建的模型如何給出定性的結(jié)果。例如，一個(gè)使用捷徑的系統(tǒng)，可以根據(jù)人們年齡的大小推斷患某種疾病可能發(fā)生的概率，這種推斷的邏輯基于歷史數(shù)據(jù)或以往病例的頻率做出判斷，這種推斷本身并沒有錯(cuò)，但這種關(guān)聯(lián)是非透明的，缺乏透明度的關(guān)聯(lián)有時(shí)會(huì)造成病理誤判。

人工智能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)識(shí)別方面還具有明顯優(yōu)勢(shì)，而它的缺陷是不能學(xué)習(xí)疾病病理。COVID-19 的結(jié)果與數(shù)據(jù)源存在較好關(guān)聯(lián)的情況下，人工智能技術(shù)幾乎起不到作用。

第三，捷徑對(duì)泛化有可變影響。值得關(guān)注的是，某些快捷會(huì)損害通用性能，當(dāng)人工智能模型在一組數(shù)據(jù)集上測(cè)試時(shí)，可以保持較高的性能。如果在第二組數(shù)據(jù)集上測(cè)試，測(cè)試的準(zhǔn)確性就會(huì)降低 50%，研究人員把這種現(xiàn)象稱為 “泛化差距”。

雖然快捷方式學(xué)習(xí)能夠很好地解釋較大的泛化差距，研究人員認(rèn)為這種方式依然不可取，根本原因是沒有辦推廣到其他設(shè)置，在臨床方面的應(yīng)用效果也欠佳。

研究人員還研究了哪些快捷鍵可能導(dǎo)致推廣不良，為此，他們還分析了臨床元數(shù)據(jù)和每個(gè)存儲(chǔ)庫的平均圖像。在沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的快捷方式中，圖像文本標(biāo)記對(duì)于預(yù)測(cè) COVID-19 很重要。在概括的快捷鍵中，患者性別可能是好概括的因素，因?yàn)樵趦蓚€(gè)數(shù)據(jù)集中患有 COVID-19 陽性結(jié)果中，男性比例相對(duì)較高。研究人員推斷，只有少數(shù)模型能監(jiān)測(cè)真正的 COVID-19 病理學(xué)。

理論上來說，緩解快捷方式學(xué)習(xí)的解決方案是，刪除模型用作快捷鍵的圖像因素。事實(shí)上，在實(shí)踐的過程中，很難去除所有圖像因素。研究人員試圖找到一個(gè)更加可靠的解決方案，來消除圖像因素，讓快捷鍵方式學(xué)習(xí)簡單地收集數(shù)據(jù)減小混淆。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，研究人員希望精細(xì)化收集數(shù)據(jù)，盡量抑制捷徑學(xué)習(xí)的潛力，出于嚴(yán)謹(jǐn)考慮該研究團(tuán)隊(duì)稱，改進(jìn)的數(shù)據(jù)收集只能部分解決問題。

人工智能模型在應(yīng)用方面并不具有落地性，盡管研究人員在該論文中提出諸多令人興奮的觀點(diǎn)。有相關(guān)數(shù)據(jù)表明，相當(dāng)數(shù)量的醫(yī)院采購了一種有缺陷的模型 —covid - net，醫(yī)院采購之后究竟用于臨床還是僅用于研究，真實(shí)的使用意圖尚不明確。

值得注意的是，有的醫(yī)院不愿意為此擔(dān)責(zé)任，醫(yī)療保健使用者傾向用聚合酶鏈反應(yīng) (PCR) 來診斷 COVID-19，他們不會(huì)依賴一個(gè)相對(duì)未經(jīng)測(cè)試的胸片檢測(cè)。

盡管如此，該團(tuán)隊(duì)仍然對(duì)人工智能在臨床醫(yī)學(xué)的可行性持積極態(tài)度，如果有辦法獲取更多的樣本，能夠更加高效地審計(jì)這些系統(tǒng)，那么將幫助研究人員避免他們?cè)?COVID-19 模型中發(fā)現(xiàn)的一些缺陷。他們相信，隨著科技的不斷進(jìn)步，有好的辦法可以防止人工智能系統(tǒng)學(xué)習(xí) “捷徑”。

可解釋的人工智將安全有效地用于醫(yī)療決策，成為解決患者病理的有效工具。人工智能在某些病理方面能夠提供更加精準(zhǔn)的診斷，將會(huì)推動(dòng)未來醫(yī)療行業(yè)的變革。

原文標(biāo)題：AI 技術(shù)無法真正反映 COVID-19 存在的基礎(chǔ)病理學(xué)，臨床應(yīng)用層仍面臨諸多挑戰(zhàn)

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