人工智能硬件和軟件的最新發(fā)展正在徹底改變醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)，該技術(shù)現(xiàn)在被廣泛用于實時處理、預(yù)測和可視化醫(yī)療數(shù)據(jù)。人工智能被用于 350 多種 FDA 批準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備，以及無數(shù)更多在醫(yī)療保健環(huán)境中提供運營節(jié)省的設(shè)備。

英偉達(dá)公司醫(yī)療保健副總裁金伯利鮑威爾說：“我們現(xiàn)在可以將人工智能放入儀器中，這意味著魔法開始發(fā)生。”

例如，Caption Health開發(fā)了一種超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用 AI 為操作員提供超聲圖像的指導(dǎo)和解釋權(quán)。額外的指導(dǎo)意味著范圍廣泛的衛(wèi)生保健工作者可以進行超聲檢查，而不僅僅是專業(yè)的超聲醫(yī)師。選擇要執(zhí)行的掃描類型后，系統(tǒng)會引導(dǎo)操作員獲得高質(zhì)量的圖片，包括用箭頭顯示探頭的移動方向。

“你不斷地對傳入的探測數(shù)據(jù)進行計算機視覺，因此你可以指導(dǎo)他們?nèi)ツ睦铮滨U威爾說。“我們的解剖結(jié)構(gòu)非常相似，你可以讓它們進入該區(qū)域，然后當(dāng)它檢測到它們試圖測量的任何東西時，它可以停止并自動進行測量。”

這是第一個獲得 FDA 批準(zhǔn)的同類系統(tǒng)。至關(guān)重要的是，它是一個物理上很小的系統(tǒng)，可以根據(jù)需要在醫(yī)院周圍移動，或者結(jié)合減輕對訓(xùn)練有素的專業(yè)人員的要求，它可以更容易地用于現(xiàn)場或世界上訓(xùn)練有素的超聲醫(yī)師較少的部分地區(qū).

“我們現(xiàn)在擁有可以進入該設(shè)備內(nèi)部并在該設(shè)備中執(zhí)行大量人工智能的計算架構(gòu)，以提供用戶體驗和您可以從數(shù)據(jù)中捕獲的信息洞察力的保真度，”鮑威爾說。

人工智能還有助于使 MRI 和 CT 掃描儀小型化。今天的 MRI 機器通常需要填滿整個房間的基礎(chǔ)設(shè)施。Hyperfine制造了一臺支持人工智能的便攜式 MRI 機器——它可以在醫(yī)院周圍移動到病人的床邊或手術(shù)室。該系統(tǒng)名為 Swoop，已獲得 FDA 批準(zhǔn)并已投入使用，為加拿大偏遠(yuǎn)地區(qū)和更遠(yuǎn)地區(qū)的患者提供服務(wù)。

在這種情況下，人工智能可以通過校正噪聲較大的圖像，從便攜式 MRI 掃描儀中獲得良好的結(jié)果。這意味著可以使用較低的場強和較低質(zhì)量的傳感器，而人工智能彌補了圖像保真度的差異。Powell 將這項技術(shù)與智能手機過濾器進行了比較，后者可以在自拍中偽造光滑的皮膚：因為我們知道最終結(jié)果應(yīng)該是什么樣子，這使得校正噪音變得更容易，她說。

鮑威爾說，人工智能也在徹底改變外科手術(shù)，特別是對于現(xiàn)代的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，在這種技術(shù)中，外科醫(yī)生只能通過攝像頭觀察身體。

“你可以在攝像機視圖上添加很多非常強大的信息——不要切割這個血管，這里的解剖結(jié)構(gòu)是什么——你真的可以幫助醫(yī)生確定方向，”她說。“[外科醫(yī)生]現(xiàn)在可以在這些模擬環(huán)境中進行訓(xùn)練，以準(zhǔn)確了解他們將要執(zhí)行的程序以及他們將要采取的軌跡。”

患者隱私

是否擔(dān)心人工智能增強的嘈雜圖像會開始看到實際上并不存在的東西？

鮑威爾說，雖然可能出現(xiàn)誤報，但新型人工智能設(shè)備與任何其他醫(yī)療設(shè)備（包括臨床試驗）經(jīng)歷了同樣嚴(yán)格的監(jiān)管程序：“從質(zhì)量保證和監(jiān)管的角度來看，它們經(jīng)歷了同樣的盡職調(diào)查他們必須經(jīng)過臨床試驗階段；他們必須提供證據(jù)。FDA 和監(jiān)管機構(gòu)對你如何定義它是否按照它應(yīng)該執(zhí)行的方式執(zhí)行同樣非常嚴(yán)格的裁決。”

有超過 350 種 FDA 批準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備具有基于 AI 的功能。Powell 指出，還有更多應(yīng)用程序不在監(jiān)管路徑上，包括有助于提高運營效率的 AI 應(yīng)用程序，其中數(shù)千個應(yīng)用程序目前正在使用中。

“人類從開始到結(jié)束獲取醫(yī)學(xué)圖像所需的工作量很大，”她說。她補充說，這包括潛在錯誤的數(shù)量和時間，因此提高運營效率的潛力很大。“您仍在向?qū)⒔邮芑蚓芙^建議的醫(yī)生提供信息。”

與現(xiàn)有的計算機視覺技術(shù)一樣，無論在何處捕獲患者的圖像，都需要解決隱私問題。在設(shè)備本身中實時執(zhí)行人工智能，而無需將圖像傳輸?shù)皆贫诉M行處理，這會有所幫助。

“事實上，我們已經(jīng)將患者數(shù)據(jù)數(shù)字化了 20 年。這只是[一個]數(shù)據(jù)如何流動以及誰可以訪問它的問題，”鮑威爾說。“必須制定適當(dāng)?shù)姆ㄒ?guī)，并且必須非常仔細(xì)地照顧業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)協(xié)議和所有這些，無論是對于數(shù)據(jù)的提供者還是接收數(shù)據(jù)的任何人。這只是事實。”

Powell 指出，對于人工智能輔助機器人手術(shù)，在體內(nèi)拍攝的圖像無法識別患者。Nvidia 的醫(yī)療設(shè)備人工智能計算平臺Clara Holoscan還包括去識別步驟，例如自動刪除包含皮膚和頭發(fā)的圖像（可能用于識別患者）——這些圖像無論如何對機器人外科醫(yī)生來說都是無用的。

“這需要患者的信任，但我認(rèn)為最終，我們都越來越習(xí)慣[被攝像機拍到]，”鮑威爾說，并補充說，即使是今天的門鈴也使用基于云的人工智能處理視頻片段. “但對于我合作過的所有公司來說，去識別化是他們首先開發(fā)的人工智能列表的首位。”

開發(fā)限制

今天在醫(yī)療設(shè)備中使用人工智能有哪些限制？Powell 列出了三個關(guān)鍵領(lǐng)域：處理性能、AI 訓(xùn)練和 AI 算法。

第一個是功能強大的計算平臺，可以實時處理復(fù)雜的人工智能，而無需將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，這就是英偉達(dá)開發(fā) Clara Holoscan 的原因。

Clara Holoscan 是 Nvidia 的三個機器人平臺之一（其他平臺是 Drive，用于自動駕駛汽車，Isaac，用于在人類環(huán)境中運行的機器人）。它包括硬件（基于 Nvidia Jetson AGX Orin）和為醫(yī)療設(shè)備開發(fā)量身定制的軟件。

“我們稱它為機器人平臺，因為它真的是為了創(chuàng)造實時智能儀器，”鮑威爾說，并補充說，雖然未來機器人可能會在沒有幫助的情況下進行手術(shù)，但未來的 X 光機或醫(yī)用顯微鏡也可能被歸類為機器人，如果他們里面有一個機器人放射科醫(yī)生或科學(xué)家，正在查看照片是否有異常。

Clara Holoscan 可以連接任何類型的醫(yī)療傳感器——無論是超聲波、內(nèi)窺鏡還是 CT 機器——都可以實時完成強大的 AI 計算。其他醫(yī)療特定功能包括高速 I/O、醫(yī)學(xué)物理、醫(yī)學(xué)圖像和數(shù)據(jù)的 AI 處理以及 3D 圖形渲染加速。

“在這種環(huán)境中，實時的本質(zhì)是，你實際上是在幫助循環(huán)中的人類更好地工作，”鮑威爾說。“Clara Holoscan 不僅如此……它還為醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)造了特斯拉時刻。”

鮑威爾描述了過去醫(yī)療設(shè)備的保質(zhì)期可能為 10 年。借助 Nvidia 的平臺，可以根據(jù)需要創(chuàng)建和上傳新的 AI 算法，以使機器更智能。這可以在空中完成。結(jié)果是醫(yī)療設(shè)備制造商將其商業(yè)模式轉(zhuǎn)向軟件即服務(wù)。

“現(xiàn)在他們擁有了一個計算平臺，不僅具有很強的人工智能能力，而且可以運行這些實時應(yīng)用程序，而且可以遠(yuǎn)程更新，”鮑威爾說。“這幾乎就像為您的醫(yī)療設(shè)備帶來云功能，以便可以部署新的應(yīng)用程序，并且這些傳感器每隔幾周就會變得越來越好。從經(jīng)濟角度來看，這對他們來說非常令人興奮。”

Nvidia 的 Clara Holoscan 平臺專為醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中的實時 AI 而設(shè)計。（來源：英偉達(dá)公司）

訓(xùn)練數(shù)據(jù)

在醫(yī)療設(shè)備中阻礙人工智能的另一件事是可用于訓(xùn)練醫(yī)療人工智能的訓(xùn)練數(shù)據(jù)數(shù)量有限，特別是那些尋找罕見疾病或病癥的人工智能。這里的解決方案是更多的人工智能，特別是使用人工智能為特定疾病創(chuàng)建合成訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

例如，英偉達(dá)和倫敦國王學(xué)院最近宣布，他們使用英偉達(dá)的 Cambridge-1 超級計算機創(chuàng)建了一個包含 100,000 個大腦合成圖像的數(shù)據(jù)集，可用于構(gòu)建 AI 以加速對癡呆癥、帕金森病和其他腦部疾病的理解。人工智能可以為實際數(shù)據(jù)集中可能服務(wù)不足的特定人群創(chuàng)建大腦圖像，例如女性或年輕人，或患有特定疾病的人。同一團隊希望在任何醫(yī)學(xué)成像模式（MRI、PET 掃描、X 射線等）中將覆蓋范圍擴大到人體解剖結(jié)構(gòu)的任何部分。

最后一個限制因素是醫(yī)療人工智能算法的發(fā)展。為了解決這個問題，Nvidia 構(gòu)建了一個名為MONAI的醫(yī)療專用 AI 框架。這個 AI 框架包含標(biāo)記數(shù)據(jù)、創(chuàng)建合成數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、在現(xiàn)實世界中驗證模型，然后將它們連接到 Clara Holoscan 平臺進行部署所需的所有工具。這個開源平臺針對醫(yī)學(xué)成像的獨特格式、分辨率和元數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化。

“過去只有在他們的人工智能研究實驗室里非常有錢和有名的人才能做這些事情——我們試圖讓它變得非常可用，”鮑威爾說，并補充說，當(dāng)新的醫(yī)學(xué)論文發(fā)表時，它們會盡快被添加到 MONAI盡可能。“我們將它直接放入這個開源科學(xué)框架中，以便世界可以快速復(fù)制它并以此為基礎(chǔ)。這就是創(chuàng)新步伐如此之快的原因——正是因為人工智能社區(qū)真正向世界灌輸了這個開放科學(xué)、開放創(chuàng)新的世界，這很好。

“我認(rèn)為人工智能應(yīng)該民主化，以使其保持安全和高效，”她補充道。

審核編輯 黃昊宇