AI助力帕金森病診療

安萌　陳銳煒

4月11日，中科睿醫(yī)助力中華醫(yī)學(xué)會(huì)北京分會(huì)北京醫(yī)學(xué)會(huì)帕金森病與運(yùn)動(dòng)障礙分會(huì)舉辦的“4·11世界帕金森病日”義診活動(dòng)，為就診人員免費(fèi)提供篩查與檢測(cè)服務(wù)（ 張昊/ 攝）

在北京協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)科檢查室，一名中年患者被引導(dǎo)著面向一臺(tái)機(jī)器，從一個(gè)定點(diǎn)走到另一個(gè)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)身，往返三個(gè)來回。幾乎是即時(shí)的，這臺(tái)和普通單人椅差不多大小的機(jī)器屏幕上出現(xiàn)了系列數(shù)據(jù)，包括步速、步幅、步頻、跨步速度、轉(zhuǎn)身時(shí)間……

“患者走得慢，到底是因?yàn)槔狭诉€是病了？帕金森等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的判斷高度依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)。但因?yàn)橹饔^，差異性也很大。”北京協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)科主任朱以誠表示，患者所使用的這套機(jī)器系統(tǒng)，恰好可以解決臨床診療中主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致的難題。

事實(shí)上，朱以誠不僅是該系統(tǒng)的率先使用者，更是重要研發(fā)者。據(jù)介紹，該系統(tǒng)由北京協(xié)和醫(yī)院和中國科學(xué)院軟件研究所、北京中科睿醫(yī)信息科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中科睿醫(yī)”）共同研發(fā)，目前已在北京協(xié)和醫(yī)院、北京天壇醫(yī)院、中南大學(xué)湘雅醫(yī)院、四川大學(xué)華西醫(yī)院等200多家三甲醫(yī)院應(yīng)用，累計(jì)臨床檢查已超10萬人次。

這個(gè)外觀平淡無奇的機(jī)器系統(tǒng)，就像深藏不露的少林寺掃地僧，背后是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手、十年磨一劍的真功夫。

“患者走得慢，到底是因?yàn)槔狭诉€是病了？帕金森等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的判斷高度依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)。但因?yàn)橹饔^，差異性也很大。”

一拍即合

11年前，朱以誠剛剛從法國學(xué)成回國。

她致力于腦血管病、血管性癡呆、血管性帕金森研究，深知該領(lǐng)域的病人通常都伴隨著運(yùn)動(dòng)功能和認(rèn)知功能的改變。長(zhǎng)期以來，她觀察隨診病人，都是帶著學(xué)生做評(píng)估，完成量表檢查。

“這也是臨床上的標(biāo)準(zhǔn)做法。但這套方法最大的局限在于高度依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷。”朱以誠發(fā)現(xiàn)，一個(gè)學(xué)生評(píng)估完了，下次換另一個(gè)學(xué)生做評(píng)估，評(píng)分差別往往很大，沒有辦法真正觀察到病人的變化。

這樣的困境不僅是朱以誠的，也是神經(jīng)科長(zhǎng)期存在的——由于不同醫(yī)生的評(píng)估結(jié)果存在差異，加之神經(jīng)功能描述的復(fù)雜性和困難性，大量基層醫(yī)院容易出現(xiàn)誤診、漏診，患者被確診時(shí)往往已是中晚期。有沒有什么方法能讓評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)化呢？朱以誠開始思考與探索。

2011年，她找到了中國科學(xué)院軟件研究所從事人機(jī)交互研究的田豐團(tuán)隊(duì)。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)共同調(diào)研，把國際上對(duì)于神經(jīng)功能的評(píng)估方法都分析了一遍，包括步態(tài)分析地毯、陀螺儀等等。最終，“自己研發(fā)一套合理的系統(tǒng)”成為共識(shí)，雙方一拍即合。國家“863”項(xiàng)目——“腦神經(jīng)多模態(tài)定量化關(guān)鍵技術(shù)研究”由此誕生。

持續(xù)迭代

人機(jī)交互技術(shù)，是指通過計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的對(duì)話。但在朱以誠看來，“凡是脫離應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)都是空架子”。

田豐也希望能夠有契合的使用場(chǎng)景，把技術(shù)應(yīng)用落地。雙方不斷地交流，在需求和技術(shù)的碰撞之中，“視覺捕捉”成為了關(guān)鍵詞。

“畢竟，身上綁一些儀器測(cè)試，走步態(tài)分析地毯，這些或多或少都存在干擾性，而視覺是對(duì)被測(cè)者影響最小的，也是最抗干擾的。”朱以誠說，由此，多模態(tài)神經(jīng)系統(tǒng)疾病智能輔助診斷系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“智能輔助診斷系統(tǒng)”）的雛形初現(xiàn)。

最初，朱以誠和田豐的測(cè)試采用的是“計(jì)算機(jī)+攝影頭”，把攝像機(jī)放置于地上這種“不標(biāo)準(zhǔn)”的搭建方式。

“這種搭建方式是不夠穩(wěn)定的，會(huì)影響精準(zhǔn)度。就像我們使用一個(gè)手機(jī)App，用戶都希望其界面流暢、舒適，否則就不愛用了。”朱以誠稱，這時(shí)，他們開始思考，平臺(tái)要搭建成什么樣子、軟件要如何處理才能更好操作、怎樣可以在臨床穩(wěn)定使用……

“很多好技術(shù)其實(shí)是‘死在實(shí)驗(yàn)室的。技術(shù)上可達(dá)到，但臨床上不好用，這樣的例子屢見不鮮。”聯(lián)合開發(fā)者、中科睿醫(yī)首席執(zhí)行官范向民認(rèn)為，“不是因?yàn)榧夹g(shù)不夠好，也不是因?yàn)闆]有被制造出來的需求，而是二者沒能有機(jī)結(jié)合達(dá)到‘好用的狀態(tài)——這就是轉(zhuǎn)化之難。”

“智能輔助診斷系統(tǒng)經(jīng)過了多次調(diào)試和迭代，在臨床使用之前，我們?cè)腥哪甑臅r(shí)間停滯不前。”朱以誠說。

比如，在研發(fā)的原型階段，由于傳感器沒有穿戴在被測(cè)者身上，系統(tǒng)能同時(shí)捕捉到多個(gè)人，需要教機(jī)器識(shí)別哪個(gè)是被測(cè)者，哪個(gè)是大夫，哪個(gè)是家屬。

“邏輯是簡(jiǎn)單的：被測(cè)者在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試，而家屬和大夫是陪同關(guān)系，他們的動(dòng)作和行為模式不一樣。但要讓系統(tǒng)精準(zhǔn)分辨，并不容易。”范向民說。

據(jù)介紹，該系統(tǒng)的行為分析識(shí)別部分使用的是AI模型，最初是啟發(fā)式的算法，到了2018年左右，使用的是經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的模型；2019年才全面使用了深度學(xué)習(xí)模型。

不僅是軟件，硬件也歷經(jīng)了多輪迭代。

最初，智能輔助診斷系統(tǒng)使用的是第一代深度視覺傳感器，傳感器分辨率大概在20萬像素。而最新的一代，已經(jīng)升級(jí)為百萬級(jí)像素，類似于汽車自動(dòng)駕駛使用的傳感器。

“隨著技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的軟硬件會(huì)不斷提升，也會(huì)越來越穩(wěn)定可靠。”范向民說。

“ 比如在帕金森病中，患者會(huì)有‘ 小步擦地 的運(yùn)動(dòng)特征。這個(gè)詞語非常形象，但每個(gè)人對(duì)其理解不同。”

超5000人試驗(yàn)

2021年8月28日，由北京協(xié)和醫(yī)院牽頭發(fā)起，全國13家神經(jīng)科醫(yī)院參與的關(guān)于神經(jīng)功能定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究性多中心臨床試驗(yàn)正式啟動(dòng)。

據(jù)范向民介紹，該試驗(yàn)覆蓋了國內(nèi)12個(gè)省區(qū)市的13家神經(jīng)科醫(yī)院超5000人，并根據(jù)性別、年齡、受教育程度等條件設(shè)置多個(gè)分組。

明確的需求、成熟的技術(shù)、海量的數(shù)據(jù)，讓項(xiàng)目進(jìn)展順利。

田豐稱：“這套運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)用前沿的動(dòng)作捕捉技術(shù)和AI算法，對(duì)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)功能參數(shù)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，可以幫助醫(yī)生解決在神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床診療過程中主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致的難題。”

就此，朱以誠舉例進(jìn)行了解說：“比如在帕金森病中，患者會(huì)有‘小步擦地的運(yùn)動(dòng)特征。這個(gè)詞語非常形象，但每個(gè)人對(duì)其理解不同。‘小步擦地具體是怎樣的步距和步高？一個(gè)步行周期內(nèi)雙足落地的時(shí)間或者單足落地的時(shí)間如何？70歲患者與80歲患者的‘小步擦地有怎樣的區(qū)別？”

她表示，盡管有UPDRS（統(tǒng)一帕金森病評(píng)分量表），但以往的判斷多是憑借主觀經(jīng)驗(yàn)，很多數(shù)值光靠肉眼無法定量。現(xiàn)在，機(jī)器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值的全部量化，對(duì)于分析和觀察患者的變化事半功倍。

2023年2月，醫(yī)生為患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估

讓診斷更科學(xué)

隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和患者人數(shù)逐年增加。

以帕金森病為例，患者通常表現(xiàn)為手抖、表情僵硬、運(yùn)動(dòng)遲緩、肢體震顫，生活質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。《全球疾病負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)》（2019版）顯示，全球帕金森病患者超過600萬人，我國帕金森病患者約有300萬人。《中國帕金森病治療指南（第四版）》預(yù)測(cè)，2030年中國帕金森病患者將達(dá)500萬人。

值得注意的是，帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病年齡正趨于年輕化，臨床已不乏三四十歲的患者。到底是累了還是病了？到底是什么病？科學(xué)的診斷尤為重要。

“對(duì)大多數(shù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者來說，長(zhǎng)期的觀察非常重要。如果患者情況相對(duì)穩(wěn)定，可能半年甚至一年后才來復(fù)診。這樣的患者如果有前后的測(cè)試視頻進(jìn)行參數(shù)比對(duì)，醫(yī)生就可更好判斷病情。”朱以誠說。

她繼續(xù)舉例道，患者用藥一段時(shí)間后，病情有所改善，但具體改善了多少？一些患者有震顫特征，但到底是老年性的震顫還是帕金森病？該系統(tǒng)可捕捉動(dòng)作精準(zhǔn)分析，輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷，尤其可以彌補(bǔ)基層醫(yī)生專科培訓(xùn)不足、經(jīng)驗(yàn)不足的問題。

據(jù)介紹，該系統(tǒng)已在國家農(nóng)村心腦血管疾病危險(xiǎn)因素調(diào)查、缺血性腦卒中長(zhǎng)程隨訪等重大任務(wù)中發(fā)揮重要作用，獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，作為“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目代表性成果亮相國家“十三五”科技創(chuàng)新成就展。