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AI在醫(yī)療保健中的關(guān)鍵障礙是“黑匣子”問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)AI系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，模型很難解釋，也很難理解為什么它們會(huì)做出某種診斷或推薦。

作者|Susan Ruyu Qi

(資料圖片)

編譯|YIFEI DeepMind發(fā)表在的《自然醫(yī)學(xué)》(Nature Medicine)雜志上的研究展示了他們的AI產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠通過(guò)3D視網(wǎng)膜OCT掃描診斷許多眼部疾病。它的性能與最好的視網(wǎng)膜專家相當(dāng)，甚至優(yōu)于一些人類專家。

該產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和診斷范圍令人印象深刻，這也是第一個(gè)AI模型達(dá)到專家級(jí)的性能與三維診斷掃描。然而，從臨床的角度來(lái)看，更具開(kāi)創(chuàng)性的是這種AI系統(tǒng)運(yùn)作的巧妙方式，它模仿了現(xiàn)實(shí)生活中的臨床決策過(guò)程，解決了“黑匣子”問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題一直是AI技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的最大障礙之一。

視網(wǎng)膜的光學(xué)相干斷層掃描掃描

兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

DeepMind的人工智能系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)包含兩個(gè)獨(dú)立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的框架，提高了“黑匣子”的可解釋性。他們的框架不是訓(xùn)練一個(gè)單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從醫(yī)學(xué)圖像中識(shí)別病理，這將需要大量的標(biāo)記數(shù)據(jù)，每個(gè)病理，他們的過(guò)程解耦為兩個(gè)：1.分割：識(shí)別圖像上的結(jié)構(gòu)；2.分類：分析分割，并提出診斷和轉(zhuǎn)診建議。

DeepMind的框架通過(guò)在兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間使用一個(gè)容易看到的中間表示(組織圖)來(lái)解決“黑匣子”問(wèn)題

1.細(xì)分網(wǎng)絡(luò)

使用三維U-Net結(jié)構(gòu)，這是第一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將原始OCT掃描轉(zhuǎn)換成組織圖。它使用877個(gè)臨床OCT掃描進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)于每次掃描的128個(gè)切片，只有大約3個(gè)具有代表性的切片被手動(dòng)分割。這種稀疏的注釋過(guò)程大大減少了工作量，并允許它們覆蓋大量的掃描和病理。組織圖識(shí)別顯示的解剖(十層視網(wǎng)膜)和標(biāo)記疾病特征(視網(wǎng)膜內(nèi)液體，出血)和偽影。

這個(gè)過(guò)程模仿典型的臨床決策過(guò)程。它允許醫(yī)生檢查AI的分割和獲得洞察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“推理”。這種中間表征是未來(lái)AI融入臨床實(shí)踐的關(guān)鍵，它在困難和模棱兩可的情況下特別有用，醫(yī)生可以檢查及可視化地自動(dòng)分割，而不是簡(jiǎn)單地提出診斷和轉(zhuǎn)診建議。

這種分割技術(shù)在臨床培訓(xùn)中也有巨大的潛力，因?yàn)樗梢詭椭鷮I(yè)人員學(xué)會(huì)閱讀醫(yī)學(xué)圖像。

此外，它可以用來(lái)量化和測(cè)量視網(wǎng)膜病變。目前，視網(wǎng)膜專家只能通過(guò)觀察當(dāng)前和過(guò)去OCT掃描之間的差異來(lái)客觀判斷疾病進(jìn)展(例如視網(wǎng)膜內(nèi)液體增多)。通過(guò)人工智能的自動(dòng)分割，可以自動(dòng)獲得所見(jiàn)異常的位置和體積等定量信息。這些數(shù)據(jù)可以用于疾病跟蹤和研究，例如，作為臨床試驗(yàn)的終點(diǎn)。

左：原始OCT掃描；中：手動(dòng)分割；右：自動(dòng)分割

2.分類網(wǎng)絡(luò)

第二個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析組織分割圖并輸出診斷和轉(zhuǎn)診建議。它使用7621名患者的14884個(gè)OCT掃描卷進(jìn)行訓(xùn)練，所有掃描都自動(dòng)生成分割圖，通過(guò)檢查患者的臨床記錄獲得臨床標(biāo)簽，以便回顧性地確定最終診斷與最佳轉(zhuǎn)診途徑。

因此，分類網(wǎng)絡(luò)使用分割地圖，并學(xué)習(xí)將患者的治療需求優(yōu)先級(jí)劃分為緊急、半緊急、常規(guī)和僅觀察。然后，它以多種伴隨視網(wǎng)膜病變概率的形式輸出診斷。

輸出：預(yù)測(cè)的診斷概率和轉(zhuǎn)診建議

圖像模糊與合成

對(duì)于人類和機(jī)器來(lái)說(shuō)，由于存在模糊的區(qū)域，無(wú)法從圖像中推斷出真正的組織類型，因此圖像的解釋和分割都很困難，存在多種同樣合理的解釋。為了克服這個(gè)挑戰(zhàn)，DeepMind的框架使用了5個(gè)分段實(shí)例，而不是1個(gè)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例為給定的掃描創(chuàng)建一個(gè)完整的分段映射，產(chǎn)生5個(gè)不同的假設(shè)。這些不同的地圖，就像不同的臨床專家一樣，在具有清晰圖像結(jié)構(gòu)的區(qū)域達(dá)成一致，但在模棱兩可的低質(zhì)量區(qū)域可能有所不同。使用這個(gè)集合，原始OCT掃描產(chǎn)生的模糊性被提交給后續(xù)的決策(分類)網(wǎng)絡(luò)。該分類網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)由5個(gè)實(shí)例組成的集合，它們被應(yīng)用于5個(gè)分割圖中的每一個(gè)，每次掃描得到總共25個(gè)分類輸出。

結(jié)果：

該框架在ROC曲線下的面積達(dá)到了99%以上，與臨床專家相當(dāng)。至于轉(zhuǎn)診建議，其業(yè)績(jī)與五名最佳專家相當(dāng)，優(yōu)于其他三名專家。

未來(lái)：

OCT是現(xiàn)在最常見(jiàn)的成像程序之一，僅2014年一年就有535萬(wàn)次OCT掃描在美國(guó)醫(yī)療保險(xiǎn)人群中進(jìn)行。

OCT的廣泛應(yīng)用還沒(méi)有與專業(yè)人員解釋掃描結(jié)果和將患者轉(zhuǎn)診到適當(dāng)?shù)呐R床護(hù)理的可用性相匹配。

DeepMind的人工智能解決方案有可能降低成本，增加使用OCT進(jìn)行視網(wǎng)膜病變篩查的可用性。它不僅可以自動(dòng)檢測(cè)眼疾的特征，而且還可以優(yōu)先考慮最需要緊急護(hù)理的患者，建議他們是否應(yīng)該被轉(zhuǎn)診治療。這種即時(shí)分流過(guò)程大大減少了掃描和治療之間的延遲，使患有嚴(yán)重疾病的患者能夠及時(shí)獲得保護(hù)視力的治療。

“每當(dāng)談到醫(yī)學(xué)中的機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，下意識(shí)的反應(yīng)就是擔(dān)心醫(yī)生會(huì)被取代。但這并不能取代醫(yī)生，事實(shí)上，這將增加那些真正需要治療的真正疾病患者的數(shù)量。”Ehsan Rahimy博士，醫(yī)學(xué)博士，谷歌大腦顧問(wèn)，帕洛阿爾托醫(yī)學(xué)基金會(huì)玻璃體視網(wǎng)膜實(shí)踐專家。

*附錄：

分割算法本身仍然是一個(gè)黑盒子，并不能真正解決問(wèn)題。然而，從臨床的角度來(lái)看，三維OCT掃描的分段視圖是非常有價(jià)值的。這與醫(yī)生如何通過(guò)影像學(xué)診斷非常相似：1.在掃描中識(shí)別異常，2.將異常與病理聯(lián)系起來(lái)。因此，在診斷算法中增加一個(gè)中間表示可以顯著提高AI系統(tǒng)的可解釋性，使其在未來(lái)的臨床部署中更加可行。