18歲的高中生將AI用于幫助醫(yī)學(xué)實踐，獲得了NIPS workshop的最佳論文獎！

本文介紹一名天才少女：18歲的高中生Amy Jin參加李飛飛帶領(lǐng)的斯坦福AI4ALL項目，過去兩年間致力于與斯坦福大學(xué)的研究人員一起將AI用于幫助醫(yī)學(xué)實踐，甚至獲得了NIPS workshop的最佳論文獎！

18歲的Amy Jin剛從高中畢業(yè)，她熱愛街舞、小提琴和英國文學(xué)。但她對計算機(jī)科學(xué)的無比熱愛使她成為飛速發(fā)展的人工智能領(lǐng)域的超級明星。

Amy從六年級開始就對AI產(chǎn)生了濃厚的興趣。當(dāng)時，加州哈克中學(xué)的學(xué)生們要選擇一些具有挑戰(zhàn)性的研究項目，展示如何使用計算機(jī)程序來解決現(xiàn)實世界中的問題。

進(jìn)入高中時，她對AI的熱情被點燃了。她聽到IBM的一位科學(xué)家描述沃森超級計算機(jī)如何利用AI幫助增強(qiáng)人類在醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的能力。

“這對我來說真的很吸引人，沃森可以成為醫(yī)生的第二雙眼睛。”Amy在最近的一次采訪中說道：“我認(rèn)為AI是一個非常有前途的領(lǐng)域，和許多學(xué)科有著跨學(xué)科的聯(lián)系?！?/p>

自那以后，她成為了新一代年輕科學(xué)愛好者中的一員，正是他們在人工智能領(lǐng)域掀起波瀾。AI有可能在許多方面改變醫(yī)療實踐，從幫助早期疾病診斷到改善治療等等，以及確保患者在醫(yī)院和家里的安全。

Amy Jin

與斯坦福大學(xué)研究者合作開發(fā)醫(yī)療AI

在過去的兩年里，Amy與斯坦福大學(xué)的導(dǎo)師一起開發(fā)了一個新的軟件程序，可以測量外科醫(yī)生的技術(shù)水平。它的工作原理是“觀看”一段手術(shù)視頻，跟蹤手術(shù)過程中使用的儀器的運動和時間。在去年12月舉行的NIPS會議上，Amy和來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)和工程學(xué)院的研究人員共同發(fā)表了這一成果，并獲得了workshop的最佳論文獎。

斯坦福大學(xué)臨床治療成效研究中心(Clinical ExcellenceResearchCenter，CERC)主任Arnold Milstein博士預(yù)測，該方法將在客觀評估臨床醫(yī)生在各種臨床活動的技能方面開辟新天地。

Milstein是這項工作的論文的合著者，他表示：“這項工作提供了一條路徑，可以根據(jù)住院醫(yī)生的學(xué)習(xí)速度來調(diào)整手術(shù)培訓(xùn)的時長。并且它為更客觀的方法開辟了道路，可以定期驗證外科醫(yī)生的技能水平，或在長時間手術(shù)中需要休息時提醒外科醫(yī)生。”

這個項目是Milstein團(tuán)隊與李飛飛帶領(lǐng)的斯坦福人工智能實驗室之間長達(dá)6年的合作關(guān)系的成果之一?？茖W(xué)家們正在開發(fā)各種形式的AI，以幫助確?？煽康貞?yīng)用醫(yī)療保健的最佳實踐。他們最初的工作重點是提高重癥監(jiān)護(hù)病房的醫(yī)護(hù)人員對患者安全規(guī)程的遵守程度，改善醫(yī)院里的手部衛(wèi)生狀況，并通過評估身體虛弱的老年人站立時的穩(wěn)定性來監(jiān)控他們在家中的健康狀況。

Milstein說，CERC的一位研究員表示，應(yīng)該將這些技術(shù)應(yīng)用于外科手術(shù)，“美國外科醫(yī)學(xué)委員會長期以來一直在尋找方法，希望對外科醫(yī)生的技能水平進(jìn)行客觀測試?！?/p>

斯坦福普外科住院醫(yī)師、醫(yī)學(xué)博士Jeff Jopling很自然地被這個項目吸引住了，他是前CERC學(xué)者，他提出用計算機(jī)技術(shù)跟蹤外科手術(shù)。Jopling也是Amy Jin這篇AI論文的合著者。

與Amy Jin合作的Serena Yeung（左）和Jeff Jopling

1999年，美國國家醫(yī)學(xué)院發(fā)布了一份報告，報告指出，由于人類在醫(yī)療中的失誤造成了高死亡率和致殘率。此后，醫(yī)療保健中的安全問題成為關(guān)注焦點。Jopling說，臨床醫(yī)生試圖通過手術(shù)安全檢查清單等解決方案來盡量減少可預(yù)防的并發(fā)癥。

2013年，一項針對密歇根州20名肥胖治療外科醫(yī)生的研究凸顯了這個問題中缺失的一個變量：外科醫(yī)生的熟練程度。這項發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上的研究表明，如果一名外科醫(yī)生表現(xiàn)出色——通過同行對外科醫(yī)生手部動作視頻的盲評來衡量——患者也會表現(xiàn)出色；如果外科醫(yī)生技術(shù)不好，病人就更有可能出現(xiàn)并發(fā)癥，需要進(jìn)行重復(fù)手術(shù)或急診。

“在那之前，人們一直非常關(guān)注于改進(jìn)系統(tǒng)，但這個研究表明，人類醫(yī)生及其技能也很重要，”Jopling表示。

然而，在人類醫(yī)生的培訓(xùn)過程中，他們通常不能很好地了解自己的表現(xiàn)，Jopling說。

“即使我在培訓(xùn)中做了1000次手術(shù)，我得到的反饋也很少，”Jopling說：“我當(dāng)實習(xí)生時對此感到驚訝。我本以為這就像一項運動或音樂，教練會告訴你’這樣做，不要那樣做’。優(yōu)秀的教師能做到這一點，但不是每個人都能做到。不是每個人都能向你解釋你做得好還是做得不好?！?/p>

當(dāng)Jopling在考慮新的手術(shù)項目時， Amy Jin 正忙于適應(yīng)高中學(xué)業(yè)。她是華裔孩子，父母都是物理學(xué)博士，她長期以來對計算機(jī)科學(xué)很感興趣，而且是一名數(shù)學(xué)天才，但她從來沒有做過任何編程。因此，在高一時她報名參加了AP計算機(jī)科學(xué)課程，并加入了學(xué)校的女性科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)俱樂部(后來她成為俱樂部主席)。在那里，她聽說了斯坦福人工智能實驗室的拓展暑期項目有一個機(jī)會，該項目旨在吸引年輕女孩子進(jìn)入科學(xué)事業(yè)。

在這個項目中，Amy和斯坦福博士生Serena Yeung搭檔，Serena Yeung是她的導(dǎo)師。Yeung也是中國移民的女兒，兩人分享了對科學(xué)的熱情和對幫助他人的渴望。Yeung一直對醫(yī)學(xué)很感興趣——她的父親是一名家庭醫(yī)生——但在斯坦福大學(xué)讀本科時，她意識到自己真正熱愛的是工程。她開始沉浸于人工智能，并在Facebook和谷歌實習(xí)。在尋找博士項目時，她遇到了Milstein，并被利用AI改進(jìn)醫(yī)療實踐的想法所吸引。

Yeung將Amy介紹給這個組織的其中一個AI醫(yī)學(xué)項目——一項旨在控制感染傳播的手部消毒計劃，這是住院患者的一個大問題。在這個項目中，Yeung、Jopling及其同事獲準(zhǔn)在斯坦福露西爾帕卡德兒童醫(yī)院的一個移植單元外安裝深度傳感器和熱傳感器。他們使用AI對傳感器進(jìn)行編程，在有人經(jīng)過傳感器時監(jiān)控他們——為了保護(hù)隱私，傳感器只能顯示出人體輪廓。

研究人員在2017年的Machine Learning for Healthcare workshop上做了報告，稱他們的算法能夠以95%以上的準(zhǔn)確率預(yù)測人員是否正確地進(jìn)行了手部清潔。

Amy對她在這個項目上的工作十分著迷，并渴望學(xué)習(xí)和做更多的事情。Yeung認(rèn)為這個萌芽中的手術(shù)項目對她來說是一個完美的新機(jī)會。

“我們可以把范圍擴(kuò)大到Amy可以開始的水平?！?Yeung笑著說：“顯然，她的表現(xiàn)超出了我們所有人的預(yù)期。這不僅僅是一個高中的項目，真的非常棒?！?/p>

Amy旁聽了斯坦福大學(xué)計算機(jī)視覺專業(yè)的一門本科課程，學(xué)習(xí)如何訓(xùn)練計算機(jī)“看”和理解視覺世界。她獨立挖掘了許多醫(yī)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)，并與團(tuán)隊分享。

這個項目在2016年夏天正式啟動，其挑戰(zhàn)是“教”計算機(jī)識別并跟蹤臨床醫(yī)生的手術(shù)工具路徑。這是物體檢測的一種形式，這一領(lǐng)域近年來發(fā)展迅速，部分原因正是由于李飛飛實驗室的貢獻(xiàn)。

識別數(shù)據(jù)點

該方法包括開發(fā)一種算法，當(dāng)計算機(jī)被輸入數(shù)千個數(shù)據(jù)點時，算法可以教會計算機(jī)學(xué)習(xí)。隨著數(shù)據(jù)增加，計算機(jī)逐漸進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到精確識別物體的程度——在這種案例中，所識別的是手術(shù)工具。計算機(jī)快速消化大量數(shù)據(jù)的能力不斷增強(qiáng)，使這一過程成為可能。Yeung說，Amy改進(jìn)了一些目標(biāo)檢測技術(shù)，將其應(yīng)用于外科手術(shù)。

“總的想法是，如果我們能夠在視頻中追蹤和識別儀器，我們就能更好地分析工具的使用模式和運動，”Amy說，這已經(jīng)被證明是衡量和評估外科醫(yī)生技能的有效方法。

為了簡單起見，研究人員把重點放在膽囊切除手術(shù)上，因為這是一種常見的標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)，通常最多使用七種器械，包括大剪刀、抓鉗和剪刀。他們獲得了斯特拉斯堡大學(xué)醫(yī)院的15段手術(shù)視頻，并對大約2500個幀進(jìn)行了標(biāo)記，每個幀都有一個值，這樣計算機(jī)就可以建立這些工具的視覺圖像，并在手術(shù)區(qū)域內(nèi)定位它們。他們使用量度來跟蹤手術(shù)工具的時間——什么工具在什么時候使用，使用了多長時間——并生成每個工具路徑的地圖。此外，他們還繪制了熱圖，顯示了這些工具在手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍有多廣，因為好的外科醫(yī)生傾向于在一個集中的區(qū)域使用器械。

從圖像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)上，研究人員能夠衡量臨床醫(yī)生表現(xiàn)的多個方面，包括他們的運動經(jīng)濟(jì)性，他們在不同儀器之間來回切換的頻率，以及他們在手術(shù)每一步的效率。然后，他們讓三名斯坦福外科醫(yī)生獨立觀看這些視頻，并根據(jù)被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)給這些外科醫(yī)生打分，分值從1到5。

例如，在膽囊切除手術(shù)中，有一個關(guān)鍵步驟是，臨床醫(yī)生必須夾住并剪斷向膽囊供血的膽囊動脈和負(fù)責(zé)膽汁進(jìn)出的膽囊管。如果處理得當(dāng)，這一步驟可以防止術(shù)中和術(shù)后出血和膽汁滲漏。如果夾子位置放錯了或松了，患者可能會出現(xiàn)破壞性的并發(fā)癥，包括膽管損傷。

一位優(yōu)秀的外科醫(yī)生可以高效地做到這一點。在一個案例中，錄像顯示了外科醫(yī)生的嫻熟技巧，剪刀和鉗子的位置都恰到好處。另一段視頻顯示，外科醫(yī)生努力將另一把鉗子放對位，然后花了一些時間來松開它。計算機(jī)不僅通過觀察工具的放置位置和路徑，而且通過觀察器械使用的時間，從而檢測技能水平的差異。

分析完成后，研究小組將結(jié)果提交給2017 NIPS的Machine Learning for Health workshop。在研討會上，這篇論文從120多份提交作品中脫穎而出，成為10個值得關(guān)注的話題之一。這是Amy第一次參加機(jī)器學(xué)習(xí)頂會，并向與會人員展示了她的作品。

當(dāng)最佳論文的評選結(jié)果公布時，Amy幾乎沒有注意聽，因為她沒想到自己會認(rèn)識作者。

當(dāng)叫到她的名字時，她驚呆了?！拔艺娴暮荏@訝，”她說，臉上露出了笑容。她立即發(fā)短信告訴Yeung和Jopling，他們說這是一個夢幻般的時刻。

Jopling稱Amy“鼓舞了我們所有人”，驚訝于一名高中生向機(jī)器學(xué)習(xí)會議提交了一篇論文，并獲得了最高獎項。

那么Amy是怎么做到的呢？“我想，這肯定是由于運氣和機(jī)遇，”她說，“不只是努力工作，因為每個人都在努力工作?！?/p>

改進(jìn)工具

Jopling說，該項目的下一步是收集1000個不同外科手術(shù)的錄像。斯坦福大學(xué)的研究人員將與猶他州22家醫(yī)院系統(tǒng)的同事合作，分析視頻并改進(jìn)評估工具。Jopling說，未來的工作將考慮手術(shù)病例的復(fù)雜性，例如，一些膽囊切除手術(shù)可能非常簡單，而另一些手術(shù)可能因為病人有多種疾病而更具挑戰(zhàn)性。

Amy現(xiàn)在是哈佛大學(xué)的一名大一新生。她說，經(jīng)過兩年的密集接觸，她很不想和斯坦福大學(xué)的導(dǎo)師們說再見，但對于接下來可能發(fā)生的事情，她感到興奮，也有一點緊張。雖然她還沒有選定專業(yè)，但她正在考慮計算機(jī)科學(xué)。Yeung說，這對這個行業(yè)來說可能是一個福音。

Yeung說：“能有像Amy這樣在計算機(jī)科學(xué)方面出類拔萃的人真是太好了?！薄斑@是AI試圖解決的問題之一——我們沒有足夠的女性從事這一領(lǐng)域，而且女性數(shù)量一直在下降。所以我們希望Amy能繼續(xù)在這一領(lǐng)域工作，為其他人樹立一個好榜樣?！?/p>