用人工智能挑戰(zhàn)最致命的癌癥。
日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)與人工智能進(jìn)行互動(dòng)，從解鎖手機(jī)，使用搜索引擎到地圖導(dǎo)航……AI 正在為我們帶來(lái)越來(lái)越多的便利。不過(guò)在臨床醫(yī)學(xué)中，AI 技術(shù)的應(yīng)用速度要慢得多，絕大多數(shù)診斷和治療建議仍然完全基于人類(lèi)判斷。
直到最近，AI 在醫(yī)療影像的新突破，讓事情有了變化。
上周，最新一期自然雜志子刊《自然醫(yī)學(xué)》（Nature Medicine）上一個(gè)名為「PANDA」（PAncreatic cancer Detection with AI）的胰腺癌早篩 AI 模型正式亮相，成為了人們熱議的話題。
該研究通過(guò)「平掃 CT+AI」的方法，讓我們首次擁有了大規(guī)模早期胰腺癌的篩查手段。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，PANDA 早期篩查模型的特異性達(dá)到了 99.9%，這意味著每 1000 次測(cè)試中只出現(xiàn)一個(gè)假陽(yáng)性；其檢測(cè)胰腺腫瘤的能力可達(dá) 92.9%；鑒別胰腺癌的能力比放射科醫(yī)生獨(dú)立判斷時(shí)的平均表現(xiàn)提高了 34.1%。
這或許是人類(lèi)在與「癌癥之王」胰腺癌的斗爭(zhēng)中第一次掌握了主動(dòng)權(quán)。《自然醫(yī)學(xué)》對(duì)此還專(zhuān)門(mén)刊發(fā)評(píng)論文章：「基于醫(yī)療影像 AI 的癌癥篩查即將進(jìn)入黃金時(shí)代」。
癌癥的早篩一直被認(rèn)為充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，人們一直期待出現(xiàn)一種簡(jiǎn)便通用的技術(shù)，來(lái)對(duì)大規(guī)模無(wú)癥狀人群進(jìn)行癌癥篩查。利用 AI 算法的 PANDA 或許會(huì)成為給我們帶來(lái)希望。
破解「癌癥之王」
關(guān)于胰腺癌， 我們可以列舉兩個(gè)殘酷的數(shù)據(jù)：平均五年生存率不到 10％，80% 的情況下發(fā)現(xiàn)就是晚期。時(shí)至今日，胰腺癌已經(jīng)成為中國(guó)乃至全球生存率最低的惡性腫瘤。
圖片來(lái)源：http://www.china-rt.cn/special/856.html
胰腺癌早期發(fā)現(xiàn)困難的原因之一在于其明顯癥狀很少，而且在癌癥進(jìn)展之前很難進(jìn)行自愿檢查。此外，由于胰腺位于身體最深處，一些影像學(xué)檢查（例如腹部超聲檢查）可能無(wú)法顯示整個(gè)胰腺。而增強(qiáng) CT、增強(qiáng) MRI、PET 等影像診斷，由于需要注射造影劑、輻射劑量、檢查周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴等原因，不太適合用于大規(guī)模胰腺癌篩查。
在體檢及醫(yī)院常用的平掃 CT 圖像上，同樣由于圖像對(duì)比度低，很難識(shí)別早期胰腺病變，容易出現(xiàn)漏診或誤診。
因此，胰腺癌的早篩早治具有重要的臨床意義，在篩查手段上進(jìn)行革新也顯得尤為必要和關(guān)鍵。AI 技術(shù)或許能夠幫助我們解決這個(gè)問(wèn)題。
在 PANDA 論文中，基于阿里達(dá)摩院的醫(yī)療 AI 技術(shù)，上海市胰腺疾病研究所、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院、復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院、布拉格查理大學(xué)第一附屬醫(yī)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院、約翰霍普金斯大學(xué)等機(jī)構(gòu)首次提出以「平掃 CT+AI」進(jìn)行大規(guī)模的胰腺癌早期篩查。
PANDA 模型在這十多家頂尖醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模多中心驗(yàn)證，顯示了穩(wěn)定的泛化性能。此外，在上海市胰腺疾病研究所的體檢、急診、門(mén)診、住院等場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)，僅通過(guò)最簡(jiǎn)單的平掃 CT，就在 2 萬(wàn)多真實(shí)世界連續(xù)病人群體中發(fā)現(xiàn) 31 例臨床漏診病變，至今已有兩例早期胰腺癌病患已完成手術(shù)治愈。
目前，這項(xiàng)研究成果已向全球醫(yī)生和研究人員開(kāi)放。
這也是中國(guó)放射影像領(lǐng)域的科研成果首次登上《自然醫(yī)學(xué)》雜志：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41591-023-02640-w
開(kāi)放地址：https://g.alicdn.com/medical-engineering/d3viewer/0.0.87/index.html#/panda
在 AI 加醫(yī)療領(lǐng)域，我們見(jiàn)證過(guò)很多醫(yī)療影像的研究成果，本次登上 Nature 子刊的工作有哪些創(chuàng)新之處？首先，針對(duì)胰腺癌變位置隱匿、在平掃 CT 圖像中無(wú)明顯表征等特點(diǎn)，達(dá)摩院為 PANDA 設(shè)計(jì)了獨(dú)特的深度學(xué)習(xí)框架，模型概覽圖如下所示。
上圖 a 為模型開(kāi)發(fā)，PANDA 以平掃 CT 為輸入，輸出可能發(fā)生胰腺病變（包括 PDAC 和其他 7 種非 PDAC 亞型）的概率和分割掩碼。PANDA 接受了病理學(xué)確認(rèn)的病患級(jí)標(biāo)簽和增強(qiáng) CT 圖像上標(biāo)注的病變掩碼的訓(xùn)練。b 為模型評(píng)估，評(píng)估 PANDA 在內(nèi)部測(cè)試組、平掃和增強(qiáng) CT 、外部測(cè)試組、胸部 CT 組等真實(shí)世界多場(chǎng)景研究中的性能。c 為模型臨床轉(zhuǎn)化。
達(dá)摩院醫(yī)療 AI 高級(jí)算法專(zhuān)家、也是這次 PANDA 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張靈進(jìn)一步解釋稱(chēng)，PANDA 并不是一個(gè)單純的視覺(jué)分割模型，它兼具了分割、檢測(cè)和分類(lèi)功能，其深度學(xué)習(xí)框架（下圖）包括以下三階段，每個(gè)階段「各司其職」。
第一，通過(guò)構(gòu)建分割網(wǎng)絡(luò)（U-Net）來(lái)定位胰腺；
第二，采用多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CNN）來(lái)檢測(cè)異常情況；
第三，采用雙通道 Transformer 來(lái)分類(lèi)并識(shí)別胰腺病變的類(lèi)型。
達(dá)摩院在 PANDA 模型的訓(xùn)練策略上也做了一系列技術(shù)創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)了高效、安全的大規(guī)模胰腺癌早篩。其中的關(guān)鍵在于如何更加準(zhǔn)確地識(shí)別平掃 CT 圖像中肉眼難以識(shí)別的細(xì)微病例特征。
同樣重要的是數(shù)據(jù)，AI 篩查模型的訓(xùn)練需要醫(yī)生手工標(biāo)注大量腫瘤，但平掃 CT 圖像對(duì)比度極低導(dǎo)致醫(yī)生幾乎無(wú)法標(biāo)注。達(dá)摩院醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)先讓合作醫(yī)生們?cè)谠鰪?qiáng) CT 上勾畫(huà)，然后利用提出的知識(shí)遷移訓(xùn)練方法，通過(guò)精確的適用于腹部 CT 圖像配準(zhǔn)的算法將增強(qiáng) CT 上的先驗(yàn)知識(shí)遷移到平掃 CT 相應(yīng)位置。這樣一來(lái)，以往 AI 識(shí)別癌癥普遍存在的勾畫(huà)難、標(biāo)注難、訓(xùn)練難等問(wèn)題得到有效解決。
同時(shí)，由于該研究主要通過(guò)腹部 CT 訓(xùn)練，而現(xiàn)實(shí)中胸部 CT 大量存在，達(dá)摩院算法團(tuán)隊(duì)提出一種基于模擬裁剪的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，解決了模型泛化到胸部 CT 通?？赡艹霈F(xiàn)胰腺腫瘤掃描不全的問(wèn)題。
得益于 PANDA 訓(xùn)練架構(gòu)和策略的創(chuàng)新，該研究構(gòu)建了迄今最大的胰腺癌腫瘤 CT 訓(xùn)練集（包含 3208 名真實(shí)病人）。該 AI 算法在一個(gè)由全球十多家醫(yī)院約 6200 名患者組成的多中心隊(duì)列中進(jìn)行了驗(yàn)證，其中包括確診的胰腺癌病例和無(wú)胰腺病變的對(duì)照病例。
隨后，PANDA 進(jìn)一步在包含 20530 名真實(shí)世界連續(xù)病例的多場(chǎng)景驗(yàn)證中測(cè)得了 92.9% 的敏感性（判斷存在胰腺病變的準(zhǔn)確率）和 99.9% 的特異性（正確判斷無(wú)病的幾率）。
截至目前，PANDA 模型已在醫(yī)院、體檢等場(chǎng)景被調(diào)用超過(guò) 50 萬(wàn)次，幫助醫(yī)生成功發(fā)現(xiàn)多起臨床漏診的早期胰腺腫瘤病例，平均每 1000 次只出現(xiàn)一次假陽(yáng)性。研究人員表示，未來(lái)還將持續(xù)進(jìn)行多中心前瞻性臨床驗(yàn)證， 以期改寫(xiě)「胰腺腫瘤不推薦篩查」的悲觀論點(diǎn)。
復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科主任顧雅佳教授表示，這篇論文提出了一種有潛力的大規(guī)模胰腺癌篩查方法，在提升檢出率的同時(shí)，又不會(huì)給病人帶來(lái)額外的輻射與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，「設(shè)想一下，我們?nèi)ンw檢時(shí)做個(gè)最簡(jiǎn)單的平掃 CT，就能查出有無(wú)胰腺癌，這將幫助到很多胰腺病人，減少悲劇的發(fā)生。」
達(dá)摩院醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、IEEE Fellow 呂樂(lè)表示，這項(xiàng)研究是一個(gè)重要的里程碑，在臨床上證實(shí)了「平掃 CT+AI」的癌癥篩查技術(shù)路徑的可靠性。
構(gòu)建實(shí)用的 AI 影像診斷體系
AI 加持的醫(yī)療影像技術(shù)，正在為當(dāng)前的醫(yī)學(xué)帶來(lái)各種新的可能性。
迄今為止，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局 FDA 已批準(zhǔn)了 300 多種醫(yī)療影像相關(guān)的人工智能工具。通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，醫(yī)生們可以在一些領(lǐng)域的病灶識(shí)別、標(biāo)注、靶區(qū)勾畫(huà)等任務(wù)上獲得幫助，更快發(fā)現(xiàn)隱藏病灶，完成診斷、治療工作。
在癌癥的 AI 醫(yī)療影像工作上，此前大多數(shù)方法聚焦于協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行病灶檢測(cè)和診斷。此次 PANDA 研究帶來(lái)的突破，則為人們?cè)诨谟跋竦拇笠?guī)模多癌篩查上開(kāi)辟了一條新道路，有望提高重大癌癥的早期檢出率。
對(duì)于達(dá)摩院的 AI 加醫(yī)療探索來(lái)說(shuō)，這只是近年來(lái)成果的一小部分。
「AI 應(yīng)該解決那些尚未得到解決、而病人又真切需要的臨床需求。我們需要在病人性命攸關(guān)的臨床問(wèn)題上，做出不可或缺的貢獻(xiàn)?！惯@是達(dá)摩院醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)秉持的醫(yī)療技術(shù)第一性原則。
我們了解到，達(dá)摩院醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于 AI 與醫(yī)療影像的融合研究，重點(diǎn)布局精準(zhǔn)癌癥診療、精準(zhǔn)慢性病診療、神經(jīng)退行性疾病預(yù)篩三大方向，其中研發(fā)了包括規(guī)模篩查、精準(zhǔn)診斷、預(yù)后治療、響應(yīng)評(píng)估在內(nèi)的全流程的癌癥診療技術(shù)。
除了技術(shù)探索之外，達(dá)摩院醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)還與全球多家頂尖醫(yī)療機(jī)構(gòu)的合作，利用 AI 技術(shù)探索低廉、高效的多癌篩查新方法，希望通過(guò)一次平掃 CT 就能查出多種早期癌癥。
截至目前，相關(guān)工作已經(jīng)在胰腺癌、食管癌肺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌等七種高發(fā)癌癥上取得階段性進(jìn)展，相關(guān)研究成果先后登上 Nature Medicine、Nature Communications 等醫(yī)學(xué)期刊及 CVPR/MICCAI/IPMI 等 AI 頂會(huì)?？梢哉f(shuō)基于醫(yī)療影像 AI 的前沿技術(shù)與癌癥篩查這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了「雙向奔赴」。
達(dá)摩院的 AI + 醫(yī)療影像重要研究，還包括但不限于：
2022 年 10 月，其醫(yī)療 AI 團(tuán)隊(duì)初步驗(yàn)證了 AI 與平掃 CT 結(jié)合的技術(shù)可行性，敏感性和特異性均超過(guò)專(zhuān)家醫(yī)生水平，有望用于早期食管癌檢查，相關(guān)論文發(fā)表在了 MICCAI 2022；同月基于深度學(xué)習(xí)對(duì)頭頸癌 42 個(gè)危及器官進(jìn)行高效精準(zhǔn)自動(dòng)規(guī)劃，有效減少放射治療并發(fā)癥，研究登上 Nature Communications。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33178-z
2023 年 6 月，針對(duì) CV 領(lǐng)域的 OOD 難題提出全新醫(yī)學(xué)圖像語(yǔ)義分割框架，讓 AI 更準(zhǔn)確識(shí)別腫瘤中的疑難罕見(jiàn)案例，并已在胰腺和肝臟腫瘤上得到驗(yàn)證。該研究被 CV 頂會(huì) CVPR 2023 評(píng)為 Highlight 論文。同月基于增強(qiáng) CT 的胰腺腫瘤鑒別診斷也有了新進(jìn)展，成果在醫(yī)學(xué)圖像處理頂會(huì) IPMI 2023 上發(fā)表。
2023 年 8 月，發(fā)布多癌影像分析通用模型 CancerUniT ，利用增強(qiáng) CT 實(shí)現(xiàn) 8 種主流癌癥的輔助診斷，研究成果被 CV 頂會(huì) ICCV 2023 收錄。同月發(fā)布的首個(gè)可以分割全身 143 個(gè)器官的連續(xù)深度學(xué)習(xí)框架也被 ICCV 2023 接收。
CancerUniT 檢測(cè)、分割和診斷 8 種癌癥腫瘤的示例。圖源：https://arxiv.org/pdf/2301.12291.pdf
不久后，達(dá)摩院免費(fèi)開(kāi)放 100 件 AI 專(zhuān)利許可，其中有 3 件是專(zhuān)門(mén)針對(duì)癌癥的精準(zhǔn)治療和解決關(guān)鍵的醫(yī)療圖像配準(zhǔn)問(wèn)題（后來(lái)在 10 月份 MICCAI 2023 Learn2Reg 競(jìng)賽上， 達(dá)摩院相關(guān)醫(yī)療圖像配準(zhǔn)技術(shù)以比較明顯的優(yōu)勢(shì)，獲得所有兩個(gè)賽道的冠軍）。
2023 年 10 月，基于 CT 圖像的肝臟腫瘤篩查與診斷、胃癌篩查、肺結(jié)節(jié)自動(dòng)檢測(cè)及良惡性鑒別、胰腺癌預(yù)后等幾項(xiàng)工作也在 MICCAI 2023 發(fā)表。
再加上胰腺癌早期檢測(cè)模型 PANDA，達(dá)摩院的醫(yī)療 AI 技術(shù)，成為了一個(gè)又一個(gè) AI for Science 的范例。
不僅如此，在達(dá)摩院的設(shè)想中，AI 不僅可以輔助醫(yī)生進(jìn)行多個(gè)癌癥疾病篩查，同時(shí)還可以進(jìn)行心臟病、腰椎、骨骼等疾病篩查，希望能在一張平掃 CT 的基礎(chǔ)上同時(shí)檢測(cè)出 8 種腫瘤和 5 種慢性病，實(shí)現(xiàn)基于醫(yī)療 AI 的普惠篩查。
據(jù)了解，達(dá)摩院已與浙大一院、復(fù)旦腫瘤、北醫(yī)三院等多家三甲醫(yī)院建立了臨床科研合作關(guān)系，其醫(yī)療 AI 產(chǎn)品已成功對(duì)接落地 30+ 家醫(yī)療影像合作伙伴，累計(jì)落地醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)超過(guò) 1000 家，為全球 2000 萬(wàn)人次提供了智能化醫(yī)療健康服務(wù)。
結(jié)語(yǔ)
有了 AI + 平掃 CT 技術(shù)，我們或許可以想象：在未來(lái)通過(guò)完成常規(guī)、有限的體檢項(xiàng)目，我們就能在 AI 加持輔助下獲得很多疾病的篩查結(jié)果。
此外，在 AI 技術(shù)進(jìn)一步實(shí)用化以后，不僅是醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，人們的就診記錄、行為模式，甚至聲音等各種信息都可以作為數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的訓(xùn)練，并用于檢測(cè)病癥，為病人提供精準(zhǔn)治療的數(shù)據(jù)決策支持。
而這些能幫助人們獲得健康的科技，會(huì)有一部分來(lái)自于阿里達(dá)摩院。
達(dá)摩院自 2017 年成立以來(lái)，一直以探索未知，以人類(lèi)愿景為驅(qū)動(dòng)力為目標(biāo)，面向未來(lái)開(kāi)展基礎(chǔ)科學(xué)和創(chuàng)新性技術(shù)研究。位于科技趨勢(shì)重要位置的 AI for Science，是其努力方向的重中之重。隨著近年來(lái)一系列技術(shù)突破和應(yīng)用的鋪開(kāi)，很多原本存在于我們想象中的事正在逐步實(shí)現(xiàn)。
「任何一家公司生命周期都是有限的，但能留下來(lái)的，是阿里巴巴的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)社會(huì)的擔(dān)當(dāng)。達(dá)摩院必須要解決社會(huì)問(wèn)題，才能活得長(zhǎng)?！拐珩R云在達(dá)摩院創(chuàng)立之初所期許的，達(dá)摩院要成為一家面向未來(lái)、以科技解決重大社會(huì)問(wèn)題的企業(yè)研究機(jī)構(gòu)。
迎戰(zhàn)「癌王」，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模癌癥早篩的 PANDA，只是一個(gè)開(kāi)始。