《細(xì)胞》：基于53萬(wàn)多張的CT影像開(kāi)發(fā)的AI可快速診斷新冠肺炎

近日，中國(guó)疫情得到了基本控制，國(guó)外疫情迅速蔓延。為了防止疫情擴(kuò)大，并及時(shí)對(duì)感染者進(jìn)行治療，快速而準(zhǔn)確的診斷技術(shù)是關(guān)鍵：一方面，在呼吸道疾病的高發(fā)時(shí)節(jié)，很多人都會(huì)出現(xiàn)肺部炎癥。準(zhǔn)確的診斷能剔除感染其他病原體的病患，方便他們接受單獨(dú)的治療，從而減少暴露于新冠病毒的風(fēng)險(xiǎn);另一方面，從目前數(shù)據(jù)來(lái)看，出現(xiàn)急性呼吸衰竭的病患有著很高的死亡率，而他們先前大多都有肺部炎癥。如果我們能第一時(shí)間找到新冠肺炎的跡象，就能在呼吸衰竭出現(xiàn)之前對(duì)他們進(jìn)行治療。

日前，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了一篇關(guān)于新冠疾病診斷的最新論文。由華人科學(xué)家主導(dǎo)的一支科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款人工智能(AI)工具，可以根據(jù)胸部的CT影像，準(zhǔn)確做出新冠肺炎的診斷。本論文由清華大學(xué)、中山大學(xué)、澳門(mén)科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)手合作完成，通訊作者為張康，王光宇，林天歆，何健行，李為民，這一工具目前已向全世界醫(yī)務(wù)人員公開(kāi)。

在一線的治療中，CT影像是重要的診斷工具。相較在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的分子檢測(cè)，CT掃描的速度更快，也能更直觀地觀察到肺部的病理學(xué)特征。我們知道，“閱讀”CT影像數(shù)據(jù)，正是AI在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)項(xiàng)之一。早在2018年，張康教授團(tuán)隊(duì)就曾在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表文章，介紹了一款能夠基于X線胸片來(lái)區(qū)分兒童細(xì)菌性肺炎和病毒性肺炎的AI工具。次年其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款診斷兒童病歷的AI(相關(guān)閱讀：《自然》子刊：AI閱讀病歷，理解患者病情，推薦臨床診斷，準(zhǔn)確度超過(guò)年輕醫(yī)生!夏慧敏/張康聯(lián)合團(tuán)隊(duì)帶來(lái)AI診療里程碑突破)。

在這項(xiàng)工作中，科學(xué)家們基于3777名患者總計(jì)53萬(wàn)多張的CT影像，開(kāi)發(fā)了一款新冠肺炎的AI診斷系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的端到端的深度學(xué)習(xí)模型，這套診斷系統(tǒng)融合了兩步不同的模型，第一步是基于語(yǔ)義分割的“肺部病灶”模型，其次是基于生成的肺-病灶圖譜，將病人的整個(gè)CT (大約100-300張切片)作為輸入，進(jìn)一步構(gòu)建智能診斷模型。這一工作可以避免“黑箱”模型在實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用中的缺陷，提高AI診斷系統(tǒng)的可解釋性和泛化性能，也可以提高診斷的準(zhǔn)確度。通過(guò)研究來(lái)自新冠肺炎患者、普通肺炎患者、以及對(duì)照組的CT影像數(shù)據(jù)，AI學(xué)會(huì)了對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

研究人員們報(bào)道說(shuō)，在自我測(cè)試中，這套AI系統(tǒng)診斷新冠肺炎的準(zhǔn)確率達(dá)到了92.49%(靈敏度94.93%，特異性91.13%)。利用來(lái)自不同地區(qū)的不同數(shù)據(jù)集，這套AI診斷系統(tǒng)經(jīng)受住了真實(shí)世界的考驗(yàn)——利用回溯性數(shù)據(jù)及前瞻研究，該AI系統(tǒng)均可達(dá)到90%左右的準(zhǔn)確率，即便是使用海外的CT數(shù)據(jù)，這套系統(tǒng)也達(dá)到了84.11%的準(zhǔn)確率。這一系列研究結(jié)果表明，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)的這套AI診斷系統(tǒng)無(wú)論是采用中國(guó)數(shù)據(jù)，還是國(guó)際數(shù)據(jù)，都能取得較好的表現(xiàn)。

這套系統(tǒng)可以輔助年資較低的醫(yī)生，提高他們的讀片能力(圖片來(lái)源：參考資料[1])　　與人類(lèi)醫(yī)生相比，研究人員們發(fā)現(xiàn)AI系統(tǒng)的表現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)年資較低的醫(yī)生，而與中級(jí)/資深放射科專(zhuān)家的表現(xiàn)差不多。這一結(jié)果表明AI系統(tǒng)可以協(xié)助經(jīng)驗(yàn)較少的醫(yī)生來(lái)做出診斷，快速將他們的讀片能力提高到和資深醫(yī)生接近的水平。在醫(yī)療資源緊張，資深醫(yī)生難求的國(guó)家和地區(qū)，這套系統(tǒng)的重要意義不言而喻。

值得一提的是，這套AI系統(tǒng)還基于CT的量化特征及臨床資料，識(shí)別出了一些與患者預(yù)后有關(guān)的臨床特征，發(fā)現(xiàn)COVID-19疾病不僅僅會(huì)影響呼吸系統(tǒng)的功能，還會(huì)影響到其他多個(gè)器官。另外，它也有望為臨床預(yù)后提供更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型和生存曲線分析，便于醫(yī)務(wù)人員及時(shí)介入，進(jìn)行治療。

總結(jié)來(lái)看，在大量臨床CT影像的支持下，研究人員們開(kāi)發(fā)出了一款A(yù)I系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地從出現(xiàn)不同癥狀的患者中，準(zhǔn)確挑選出發(fā)生新冠肺炎的患者。這不僅能用于臨床的快速診斷和治療，還能協(xié)助訓(xùn)練資歷較淺的醫(yī)生，幫助他們快速成長(zhǎng)。

最后，科學(xué)家們宣布，為了更好地幫助全球控制疫情，他們將免費(fèi)公開(kāi)這一AI工具，協(xié)助來(lái)自不同國(guó)家和地區(qū)的醫(yī)務(wù)人員。

向這些科學(xué)家致敬，也期待全球能夠早日終結(jié)新冠疫情!