發布日期：2019-04-04
[新智元(yuan)導(dao)讀]剛剛，廣東(dong)省(sheng)人民(min)醫院與廣東(dong)高州市人民(min)醫院完(wan)成(cheng)(cheng)全(quan)國首(shou)例AI+5G手(shou)術，成(cheng)(cheng)功為心(xin)臟病患(huan)者“補心(xin)”。手(shou)術期間的AI技術是由曾靠“貪心(xin)算法”成(cheng)(cheng)功追回(hui)被搶車的圣母大學計算機(ji)系(xi)終(zhong)身副(fu)教授史(shi)弋(yi)宇團隊提供。這次(ci)手(shou)術也是AI在(zai)臨(lin)床上(shang)的一次(ci)落地(di)應用(yong)。
AI+5G，第一次成功(gong)完成心(xin)臟病手(shou)術。
剛(gang)剛(gang)，廣東省人民(min)(min)醫(yi)院與廣東高州市人民(min)(min)醫(yi)院共同上(shang)演一場直播“大片”：
高州(zhou)市(shi)人民(min)醫(yi)(yi)院心外(wai)手(shou)術室里，醫(yi)(yi)生主刀進(jin)行(xing)(xing)心臟(zang)腔鏡(jing)手(shou)術；在相隔近400公里外(wai)的廣東省(sheng)人民(min)醫(yi)(yi)院，專家通過觀(guan)看大屏幕上(shang)5G傳輸的實時超高清手(shou)術畫面，對高州(zhou)市(shi)的手(shou)術進(jin)行(xing)(xing)遠程指導。
在這(zhe)場手術前，醫院(yuan)使用(yong)到了自(zi)主研發的全自(zi)動AI去噪以及建模(mo)軟件，一鍵完成(cheng)建模(mo)，耗費(fei)時(shi)間從2-6小(xiao)時(shi)縮(suo)短(duan)至兩分鐘以內，并自(zi)動生成(cheng)3D打(da)印機(ji)可識別的3D數(shu)字(zi)心臟模(mo)型（STL格式），直接用(yong)來打(da)印出實體1：1心臟模(mo)型。
值得(de)注(zhu)意的是，手(shou)術(shu)(shu)的AI技術(shu)(shu)部分是由廣東省人民醫院特聘顧問史(shi)弋宇(yu)教授(shou)帶領團(tuan)隊參與。史(shi)弋宇(yu)是圣母(mu)大(da)學計算機系(xi)終身副(fu)(fu)教授(shou)，博士(shi)生導師，并(bing)兼任(ren)電子系(xi)終身副(fu)(fu)教授(shou)。
史弋宇(yu)
今年(nian)1月初，新智元(yuan)報道(dao)過史弋宇教授被(bei)兩名(ming)劫匪搶去汽(qi)車(che)，在不到24小時(shi)之內，靠手機發動(dong)應用(yong)程序和“貪心算法”成功將(jiang)車(che)找回，新智元(yuan)的讀者應該有(you)深刻印象。
這次參與全國首(shou)個(ge)AI+5G手術，史弋宇籌(chou)備了一年(nian)時間，手術成功也讓AI在醫療領域更加落地。
患者(zhe)情況(kuang)：先天(tian)心臟(zang)病，心臟(zang)出(chu)現孔
接受AI+5G手術的是一(yi)位41歲(sui)的女性患(huan)者，據醫生介紹，這名患(huan)者有先天(tian)心(xin)臟(zang)病(bing)，近期(qi)因“勞力性心(xin)悸、氣促10余天(tian)”入院。經過心(xin)臟(zang)彩超和右(you)心(xin)導(dao)管等檢查發現，患(huan)者診(zhen)斷(duan)為繼發孔(kong)型房間(jian)隔缺損。
房間(jian)隔缺損本來是簡單(dan)先(xian)心(xin)(xin)病(bing)(bing)，如果(guo)在(zai)小時候做開胸(xiong)手術(shu)，操作(zuo)上是相對(dui)容易(yi)，而且風險(xian)很低的(de)。但是這(zhe)位患者已經41歲，出(chu)現了(le)重度肺動脈高(gao)壓，開始出(chu)現心(xin)(xin)力衰竭，病(bing)(bing)情已經從簡單(dan)先(xian)心(xin)(xin)病(bing)(bing)轉變成復雜的(de)成人先(xian)心(xin)(xin)病(bing)(bing)，簡而言之心(xin)(xin)臟(zang)沒(mei)有正常的(de)發(fa)育，形(xing)成了(le)一個(ge)缺損，就(jiu)是我們所說(shuo)的(de)心(xin)(xin)臟(zang)里面出(chu)現一個(ge)孔。
模型演示患者的心臟中間出現一個孔（攝(she)影：邱海龍(long)）
這個孔(kong)的(de)存在會導致病(bing)人心臟左心房的(de)血會持續(xu)往(wang)右心房分流，加重右心房的(de)整個心臟的(de)負荷，也會加重肺循(xun)環的(de)負荷，久(jiu)而久(jiu)之，心臟也就會持續(xu)擴(kuo)大，肺動脈的(de)壓力也會持續(xu)的(de)增高。
通過3D打印出來(lai)的(de)1：1心(xin)(xin)臟(zang)模型可以看(kan)到(dao)，患者的(de)心(xin)(xin)臟(zang)比正常(chang)人(ren)的(de)偏大，而正常(chang)人(ren)的(de)心(xin)(xin)臟(zang)大約有一個拳頭那(nei)么(me)大。
通過影像也可以觀察到，患者的心臟占據了整(zheng)個胸腔的2/3以上。
由于房(fang)間隔(ge)缺損一直伴隨患(huan)者41年，錯過了治(zhi)療(liao)的最佳時期(qi)，因(yin)此無法(fa)進行(xing)常規的心臟手術矯(jiao)治(zhi)，最嚴重(zhong)的結果可能會導(dao)致心肺(fei)聯合移植(zhi)甚至是(shi)死亡。
同時，患(huan)者的(de)(de)心(xin)肺功能衰(shuai)竭到已經出現癥狀，因(yin)此術(shu)(shu)(shu)中(zhong)的(de)(de)操作(zuo)必須仔細，心(xin)肌保護要到位，圍術(shu)(shu)(shu)期的(de)(de)管(guan)理也是(shi)挑戰，再加(jia)上(shang)是(shi)胸腔鏡(jing)下(xia)做手術(shu)(shu)(shu)，對醫生的(de)(de)手術(shu)(shu)(shu)操作(zuo)是(shi)較大的(de)(de)考驗。
準(zhun)備(bei)階段：AI三維建模只(zhi)需2分(fen)鐘
對于這(zhe)次手術，廣東省(sheng)人(ren)民醫院可謂用(yong)(yong)上了目前(qian)最(zui)熱門(men)的“黑科技(ji)”，其中多項技(ji)術均已申請(qing)專利進行知識(shi)產權(quan)保護。史弋宇教授負(fu)責參與AI部(bu)分(fen)，主要用(yong)(yong)于術前(qian)準備階段(duan)。
1、圖像壓縮
醫院(yuan)把影(ying)像(xiang)采集下來以后，要進(jin)行實時影(ying)像(xiang)傳輸(shu)，史弋(yi)宇教授聯合佛羅(luo)里達國際大學(xue)聞武杰(jie)教授先做一個面向機器學(xue)習的影(ying)像(xiang)壓縮，在數據接收端會自動對(dui)影(ying)像(xiang)進(jin)行去噪，然后分(fen)割、建模。
影(ying)像(xiang)壓(ya)縮(suo)的(de)出(chu)發點和傳統的(de)壓(ya)縮(suo)（比如(ru)JPEG）不同，JPEG是針對人的(de)視覺的(de)，要保證壓(ya)縮(suo)后沒什(shen)么視覺上的(de)損失。而該(gai)工作做的(de)壓(ya)縮(suo)是為了AI建模，不以人的(de)視覺作為標準，而是針對計算機視覺的(de)影(ying)像(xiang)壓(ya)縮(suo)。
通過(guo)壓(ya)縮，接收的圖像(xiang)(xiang)體(ti)積變小了(le)，而且圖像(xiang)(xiang)分割的準確(que)度得到了(le)提升，壓(ya)縮率提升3倍，且能提升分割效果。
關于影(ying)像(xiang)壓縮(suo)的成果，論(lun)文將會發(fa)表在(zai)今年(nian)6月的CVPR上。
論文題目：Machine Vision Guided 3D Medical Image Compression for Efficient Transmission and Accurate Segmentation in the Clouds
2、AI去噪
在上面的(de)(de)圖(tu)像壓縮過程(cheng)中(zhong)，還(huan)包含了(le)一(yi)部(bu)分去噪(zao)技(ji)術。因為這里的(de)(de)圖(tu)像是用來(lai)建模的(de)(de)，所以在壓縮的(de)(de)過程(cheng)中(zhong)，同時把一(yi)部(bu)分噪(zao)聲也去掉了(le)。在去噪(zao)方(fang)面，使用了(le)注(zhu)意(yi)力神經(jing)網(wang)絡，能夠集中(zhong)注(zhu)意(yi)到圖(tu)像里的(de)(de)噪(zao)聲。
史教授(shou)團隊對每一例影像進行自動(dong)去噪，最后的(de)結果直(zhi)接進行自動(dong)建(jian)模(mo)，不需(xu)要人工干預。這樣(yang)就可以把心臟的(de)模(mo)型建(jian)成(cheng)一個(ge)可3D打印的(de)模(mo)型。
3、機器學習和傳統計算機視覺的混合建模
對(dui)于(yu)結(jie)構(gou)(gou)(gou)性心(xin)臟病(bing)患者(zhe)來(lai)說，他的(de)(de)心(xin)臟結(jie)構(gou)(gou)(gou)可能(neng)跟正常的(de)(de)心(xin)臟差別(bie)很(hen)大，所(suo)以史教授團隊用了機(ji)器學習加傳統計算(suan)(suan)機(ji)視(shi)覺的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)。對(dui)于(yu)心(xin)臟結(jie)構(gou)(gou)(gou)比較變化大的(de)(de)，用一(yi)些(xie)傳統計算(suan)(suan)機(ji)視(shi)覺的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)；關于(yu)心(xin)臟的(de)(de)一(yi)些(xie)精(jing)細結(jie)構(gou)(gou)(gou)，使用人工智能(neng)與傳統計算(suan)(suan)機(ji)視(shi)覺方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)混合(he)架構(gou)(gou)(gou)。
整(zheng)個(ge)心(xin)臟的(de)三維建模時(shi)間大概是2分鐘，而(er)且準確度(du)在先天性心(xin)臟病上也比傳統(tong)方法(fa)的(de)70%提升了12%。如果使(shi)用傳統(tong)3D建模方法(fa)，大概需要幾個(ge)小時(shi)時(shi)間。
這個模型的直接作用有(you)兩(liang)個。第一個作用是讓醫生在術(shu)前準備的時候(hou)，會把這個模型用3D打印出(chu)來，供醫生在術(shu)前準備時參(can)考，能夠直觀地看(kan)看(kan)患者(zhe)心臟(zang)到(dao)底是什么(me)(me)樣的，有(you)些(xie)什么(me)(me)問(wen)題。
模(mo)型的(de)另(ling)外(wai)一個重要作用(yong)是(shi)，讓(rang)術(shu)(shu)中進(jin)行(xing)遠程指導(dao)的(de)醫生，能夠通過(guo)VR和(he)MR技術(shu)(shu)，利用(yong)傳輸過(guo)來的(de)實時(shi)影像以(yi)及之前(qian)的(de)建模(mo)，能夠實時(shi)、動態地指導(dao)目前(qian)的(de)手術(shu)(shu)的(de)進(jin)展。
在本場手術中，醫院采(cai)用(yong)的(de)是(shi)3D建模(mo)方法，指導心(xin)內手術操作非(fei)常直(zhi)觀(guan)；但是(shi)在某(mou)些情況下，比如一(yi)些急診(zhen)重癥病人，來不及(ji)進行(xing)3D打印，就可以實時用(yong)VR的(de)虛擬心(xin)臟(zang)來指導，也很直(zhi)觀(guan)。
下(xia)圖可以顯示(shi)AI在手術中起到的(de)作用：
手(shou)術(shu)過程(cheng)：VR演示補心術(shu)
準備工作之(zhi)后是(shi)手術(shu)過程。
今天上午9點35分(fen)(fen)左右(you)，手術正式開始。在(zai)廣東(dong)省(sheng)人(ren)民(min)醫院現場(chang)的大(da)屏幕上（下圖(tu)），有四個播放畫面，從左到右(you)分(fen)(fen)別(bie)是高州(zhou)市(shi)人(ren)民(min)醫院、高州(zhou)人(ren)民(min)醫院手術室、廣東(dong)省(sheng)人(ren)民(min)醫院、VR視(shi)頻手術過程演示(shi)。
高州市人民醫院手術(shu)現場
從現場播(bo)放的VR演示視頻，我(wo)們(men)可以看到整個手術過程。
手(shou)術(shu)開始前，先將患者右側胸腔墊高30度(du)。然(ran)后確定手(shou)術(shu)入路，即主操(cao)作(zuo)(zuo)孔(kong)、鏡(jing)孔(kong)和輔助操(cao)作(zuo)(zuo)孔(kong)。
患者身(shen)上(shang)會(hui)插管連接體(ti)外循環機(ji)(ji)，就是通(tong)常所說的人工(gong)心肺(fei)機(ji)(ji)，后(hou)(hou)續進行身(shen)體(ti)降溫之(zhi)后(hou)(hou)，醫生再灌注心機(ji)(ji)保護液，讓心臟(zang)停下來(lai)，之(zhi)后(hou)(hou)再進行心臟(zang)的探查跟房(fang)間隔缺損的修(xiu)補。
下圖是房(fang)間隔缺損修(xiu)補術過程：
手術中最關鍵的環節有兩個，一個是在心臟(zang)的Koch三角區，縫合時需要注意不(bu)要靠近(jin)這，以免引起(qi)心臟(zang)心肌損傷(shang)，導(dao)致心臟(zang)跳動的節律傳導(dao)受到阻滯。
另一(yi)個是心臟的解剖結構(gou)要看得(de)更清楚一(yi)些，修補(bu)(bu)房間隔缺(que)損的“補(bu)(bu)片”要補(bu)(bu)得(de)更大一(yi)些。
最(zui)后確(que)認沒有殘余分(fen)流，修(xiu)補(bu)完(wan)成，心臟復跳，止血關胸，手(shou)術完(wan)成。
現場經過近3個小(xiao)時(shi)的手術(shu)后，4月3日12：55分，患者心臟復跳，手術(shu)成功！
5G比4G提速10倍，時延低于30微秒
手術現場的(de)主刀醫(yi)生為高(gao)州市(shi)人民醫(yi)院(yuan)的(de)何勇醫(yi)生，指導醫(yi)生是(shi)廣(guang)東省(sheng)人民醫(yi)院(yuan)心外科的(de)郭(guo)惠明(ming)醫(yi)生。
根據官網介紹，何勇醫(yi)(yi)生(sheng)是高州人民醫(yi)(yi)院副主任醫(yi)(yi)師，每年完成心外(wai)手術達500例(li)左右(you)，手術量在(zai)(zai)華南(nan)地區處于領先，其(qi)中瓣膜替換術在(zai)(zai)400例(li)左右(you)，手術成功率達99%以上。
高州市人(ren)民醫(yi)院雖(sui)然在心(xin)外科也有很(hen)多經驗(yan)相對比(bi)較成熟，常規心(xin)外科手術都(dou)能做(zuo)，但以前這類手術主要是采取大切口的開胸手術來做(zuo)，微創的腔鏡手術做(zuo)得不多。
這場手術是做微創腔(qiang)鏡手術，患者(zhe)開(kai)刀3-4厘米，對醫生的(de)(de)要求更(geng)高，會(hui)有一(yi)定的(de)(de)難度，因此(ci)需要廣東省人民醫院(yuan)的(de)(de)指導支持。
郭(guo)惠(hui)明是廣東省人民醫(yi)院主任醫(yi)師、心(xin)外科副(fu)主任，擅長微創胸腔鏡手術，在手術治療(liao)二尖瓣成形(xing)或(huo)置(zhi)換、先(xian)天性心(xin)臟病(bing)、房顫和(he)冠心(xin)病(bing)的雜交治療(liao)方(fang)面處于國(guo)內領先(xian)水平(ping)。
（圖據(ju)廣州(zhou)日報）
地(di)圖顯示，高州(zhou)市(shi)人(ren)民醫(yi)院距離廣東省(sheng)人(ren)民醫(yi)院將近400公里，但現場(chang)畫面沒有明顯時延。傳回現場(chang)測試結果，整體網(wang)絡速度與4G相(xiang)比提(ti)速10倍(bei)，時延低于30微秒，幾時就是同(tong)步的。
在現(xian)場，高州人民醫院主刀醫生還(huan)詢問：“心包是否在這里打開？”位于廣州的郭惠明(ming)立即回(hui)答(da)：“上移3厘米。”
目前，廣(guang)東省人民醫院(yuan)已經跟廣(guang)東移動、華為(wei)合(he)作，實現5G全覆蓋，室外網絡由4G跨越到(dao)5G，用戶體驗(yan)速(su)率由80Mbps提(ti)升到(dao)800Mbps，達到(dao)與有線(xian)光纖(xian)網絡相當的體驗(yan)。
對于(yu)AI，雖然近年來(lai)人工(gong)智能(neng)在(zai)醫療領域取(qu)得了飛速進展，但在(zai)實際臨床中(zhong)(zhong)的(de)應用卻(que)非常(chang)有限。其中(zhong)(zhong)一(yi)個主要(yao)的(de)原因就是人工(gong)智能(neng)還缺乏足夠的(de)可信(xin)度(du)和可解釋度(du)來(lai)完全取(qu)代(dai)醫生(sheng)進行自動診治(zhi)。
史弋宇說，團隊目(mu)前階段主要著眼(yan)于人工智能在醫(yi)(yi)療(liao)系統中的(de)輔助作用(yong)來(lai)幫助其盡(jin)快落地。例(li)如在本次遠(yuan)程手(shou)術指導中采(cai)用(yong)到的(de)面(mian)向人工智能的(de)圖像壓(ya)縮傳(chuan)輸，智能影像去(qu)噪，以及智能心臟建(jian)模，都是以為醫(yi)(yi)療(liao)專(zhuan)家更(geng)方便，更(geng)快捷，更(geng)準確的(de)診治為目(mu)標(biao)。
來源：新智元
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