當(dāng)COVID-19大流行于2020年春季襲擊美國(guó)時(shí)，加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種圖像識(shí)別模型，該模型使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別難以檢測(cè)的病例中的肺炎。由于肺炎正迅速成為COVID-19患者嚴(yán)重感染的主要指標(biāo)之一，加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心臨床研究信息官M(fèi)ike Hogarth博士要求亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）幫助建立一個(gè)系統(tǒng)，以便在臨床環(huán)境中應(yīng)用該模型，使醫(yī)療從業(yè)者能夠在診斷和治療中使用這些信息。
當(dāng)患者文件和信息在醫(yī)療保健環(huán)境中使用時(shí)，數(shù)據(jù)安全性至關(guān)重要。應(yīng)用人工智能模型的系統(tǒng)需要使加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心能夠滿(mǎn)足符合HIPAA的嚴(yán)格規(guī)則，以便在臨床環(huán)境中使用。加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心過(guò)去曾在 AWS 上設(shè)置過(guò)類(lèi)似合規(guī)的解決方案，這一經(jīng)驗(yàn)使加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心團(tuán)隊(duì)能夠在短短 10 天內(nèi)使用 AWS 構(gòu)建其所需的系統(tǒng)。
Albert Hsiao，醫(yī)學(xué)博士，博士，加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院放射學(xué)副教授和加州大學(xué)圣地亞哥分校健康學(xué)院放射科醫(yī)生，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，允許放射科醫(yī)生使用AI來(lái)增強(qiáng)自己在胸部X射線(xiàn)上發(fā)現(xiàn)肺炎的能力。
加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心是全球排名前15位的研究型大學(xué)之一。加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院每年進(jìn)行數(shù)百項(xiàng)臨床試驗(yàn)，加州大學(xué)圣地亞哥分校健康服務(wù)研究中心專(zhuān)門(mén)從事健康結(jié)果數(shù)據(jù)的收集和分析，以支持研究。2018年，由加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院放射學(xué)副教授Albert Hsiao博士領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種使用機(jī)器學(xué)習(xí)在X射線(xiàn)圖像中檢測(cè)肺炎的方法。“我們創(chuàng)建了一個(gè)帶有顏色編碼的概率圖，表明肺炎的不確定性或確定性，”蕭醫(yī)生團(tuán)隊(duì)的住院醫(yī)師Brian Hurt博士說(shuō)。根據(jù)Hsiao博士的說(shuō)法，“人們通常做的是創(chuàng)建一個(gè)模型，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的是或否輸出，表明它是否是肺炎。但我們認(rèn)為，制作圖像對(duì)于突出異常位置非常重要。該團(tuán)隊(duì)在2020年初發(fā)表了一篇關(guān)于這些結(jié)果的論文。
加州大學(xué)圣地亞哥分校健康團(tuán)隊(duì)以前曾使用 AWS 為其研究數(shù)據(jù)創(chuàng)建安全、符合 HIPAA 標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境。Hogarth博士說(shuō)：“我在加州大學(xué)圣地亞哥分校的第一份工作是創(chuàng)造一個(gè)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，受保護(hù)的健康信息可以被計(jì)算出來(lái)，并在需要時(shí)移動(dòng)。“我們的團(tuán)隊(duì)和 AWS 每周都會(huì)就如何優(yōu)化它舉行會(huì)議，當(dāng) COVID-19 大流行遭受重創(chuàng)時(shí)，AWS 詢(xún)問(wèn)它如何提供幫助，以及我們是否想做些什么。” 蕭博士的團(tuán)隊(duì)模型立即浮現(xiàn)在腦海中。
目標(biāo)是實(shí)施一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從臨床環(huán)境中接收X射線(xiàn)，在其上運(yùn)行模型，并快速返回結(jié)果以協(xié)助診斷。“在像我們這樣的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建的許多模型都有潛在的前景，但如果沒(méi)有實(shí)際將它們構(gòu)建到臨床工作流程中，就不是很有用，”蕭博士說(shuō)。這樣的實(shí)施可能會(huì)影響COVID-19患者的診斷、治療和結(jié)果。“COVID-19肺炎的發(fā)現(xiàn)與任何其他病毒性肺炎的發(fā)現(xiàn)基本相同，”蕭博士說(shuō)。“布萊恩訓(xùn)練的模型在這個(gè)人群中表現(xiàn)良好，因?yàn)樗且话銠z測(cè)肺炎的良好模型。該模型在兩個(gè)方面是有用的。首先，如果它在X射線(xiàn)圖像中檢測(cè)到肺炎，它會(huì)在先前（可能是假的）陰性測(cè)試結(jié)果的情況下提示測(cè)試或重新測(cè)試。其次，在已知感染的患者中，在X射線(xiàn)上發(fā)現(xiàn)肺炎可以表明疾病的嚴(yán)重程度和預(yù)后，為治療提供信息。
加州大學(xué)圣地亞哥分校健康研究小組已經(jīng)建立了模型來(lái)接收?qǐng)D像，并用顏色編碼的疊加層返回它們。它只需要一個(gè)可以連接到臨床成像系統(tǒng)的云解決方案來(lái)接收?qǐng)D像并將其直接輸出到患者的文件中，從而使圖像便于醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員訪(fǎng)問(wèn)和查看。由于該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在 AWS 上創(chuàng)建了符合 HIPAA 標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境，因此能夠在短短 10 天內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行該項(xiàng)目。Hogarth 博士說(shuō)：“在 AWS 上運(yùn)行的第一天，該模型處理了大約 400 張 X 射線(xiàn)，幾乎沒(méi)有故障。在實(shí)施后的6個(gè)月內(nèi)，該模型在3-4分鐘內(nèi)處理了超過(guò)65，000張X射線(xiàn)。
該模型在護(hù)理點(diǎn)向醫(yī)生提供信息的能力使其如此有用，而 AWS 在使這一點(diǎn)不僅成為可能而且維護(hù)簡(jiǎn)單明了方面至關(guān)重要。根據(jù) Hogarth 博士的說(shuō)法，在加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心一個(gè) 500 人的信息技術(shù)團(tuán)隊(duì)中，只有一名成員可以驗(yàn)證其職責(zé)是否持續(xù)遵守 HIPAA 和 AWS 環(huán)境中的其他法規(guī)。在臨床環(huán)境中實(shí)施蕭博士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的模型時(shí)，主要需要 Amazon Elastic Compute Cloud （Amazon EC2） 實(shí)例。該環(huán)境提供團(tuán)隊(duì)所需的安全配置，并且隨著計(jì)算容量的增加，可以輕松調(diào)整大小。
《美國(guó)急診醫(yī)師學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American College of Emergency Physicians Open）最近發(fā)表的一篇論文指出，實(shí)施這種模式在20%的時(shí)間內(nèi)影響了臨床決策。“我們所知道的真正影響臨床決策的事情很少，”蕭博士說(shuō)。該模型的初始準(zhǔn)確率為86%，該團(tuán)隊(duì)將很快部署一個(gè)更準(zhǔn)確的版本，該版本可以解釋位于心臟后面時(shí)經(jīng)常錯(cuò)過(guò)的肺炎病例。
在現(xiàn)有的床旁工作流程中評(píng)估基于機(jī)器學(xué)習(xí)的臨床決策支持很重要，但相對(duì)不常見(jiàn)。雖然這種圖像分析工具的評(píng)估仍處于起步階段，但有軼事證據(jù)表明它正在產(chǎn)生積極影響。近日，一名78歲患者因發(fā)熱腹痛入院。醫(yī)生沒(méi)有考慮COVID-19診斷，但該模型在胸部X光片上顯示了肺炎的跡象。因此，他們對(duì)患者進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)病毒呈陽(yáng)性。
Hsiao博士的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)和完善該模型，但是在護(hù)理點(diǎn)評(píng)估機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法的想法在廣泛的其他醫(yī)療保健研究中也有潛在的應(yīng)用。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)數(shù)據(jù)和決策支持管道，”Hogarth博士說(shuō)。“我們已經(jīng)通過(guò)這些圖像演示了管道的使用，但也可能有許多其他應(yīng)用程序。
COVID-19 肺炎患者的胸部 X 線(xiàn)檢查、原始 X 線(xiàn)檢查（左）和肺炎 AI 結(jié)果（右）。患者有一個(gè)起搏器裝置和一個(gè)擴(kuò)大的心臟，這表明人工智能算法足夠強(qiáng)大，即使患者有潛在的健康問(wèn)題也能工作。
加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心是加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的衛(wèi)生系統(tǒng)。加州大學(xué)圣地亞哥分校成立于1960年，是全球排名前15位的研究型大學(xué)之一，包括七所本科學(xué)院，四個(gè)學(xué)術(shù)部門(mén)以及七所研究生和專(zhuān)業(yè)學(xué)校，包括加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院。
◊ 在10天內(nèi)在臨床環(huán)境中實(shí)施了其成像模型
◊ 保持符合 HIPAA 標(biāo)準(zhǔn)
◊ 可以處理圖像并在3-4分鐘內(nèi)將其輸出到患者文件中
◊ 實(shí)施了在 20% 的時(shí)間內(nèi)影響臨床決策的解決方案
◊ 創(chuàng)建了一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案，可適應(yīng)未來(lái)的研究應(yīng)用
◊ 在 6 個(gè)月內(nèi)處理了超過(guò) 65，000 張圖像
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