機(jī)器學(xué)習(xí)在心臟超聲領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

武玉多 貢 鳴 谷孝艷 張宏家 何怡華

超聲是一種無(wú)創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，但其具有成像質(zhì)量差、差異性大等不足，因此，很有必要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的自動(dòng)化超聲圖像分析方法以幫助臨床進(jìn)行超聲診斷。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種智能化處理、解決問(wèn)題的程序化模式，即讓計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)自主進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過(guò)程后，將臨床工作中需要處理的數(shù)據(jù)資料提供給經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后通過(guò)機(jī)器自行處理、分析數(shù)據(jù)并獲取結(jié)果［1］。深度學(xué)習(xí)是將機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展為一種極致，甚至是巔峰狀態(tài)，其處理問(wèn)題的方式類(lèi)似于人類(lèi)大腦的思考過(guò)程，能夠從容處理復(fù)雜多樣的信息資源并進(jìn)行決策分析，提供所需要的信息處理結(jié)果［2］。近年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)在疾病診斷和預(yù)后評(píng)價(jià)等方面均取得了極大成功。本文就機(jī)器學(xué)習(xí)在心臟超聲領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、機(jī)器學(xué)習(xí)的內(nèi)容

機(jī)器學(xué)習(xí)大體上可以分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)4類(lèi)［3］。其中，監(jiān)督學(xué)習(xí)是最經(jīng)典且應(yīng)用最廣泛的一種模式，研究者首先需確定研究目的和內(nèi)容，然后將其提供給機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)。如將對(duì)心內(nèi)膜邊界的自動(dòng)識(shí)別和標(biāo)記作為研究目的和內(nèi)容，在對(duì)機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練之后，使其擁有對(duì)心內(nèi)膜邊界的識(shí)別能力，對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行測(cè)試過(guò)程，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化描跡的過(guò)程。無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)是指研究者無(wú)需確定具體訓(xùn)練內(nèi)容（即研究目標(biāo)），也無(wú)需將提供機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行人為分類(lèi)、標(biāo)注，而是將這些數(shù)據(jù)資料通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)自行處理、分類(lèi)，最后從系統(tǒng)的輸出結(jié)果中獲取臨床感興趣的信息（如疾病好發(fā)群體所具有的特征、疾病相似的臨床表征等）。其是一種非常重要的學(xué)習(xí)模式，有助于揭示疾病的本質(zhì)特征，了解不同變量資料之間的潛在關(guān)聯(lián)，因此在科研領(lǐng)域最具價(jià)值。半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)在日常生活中也較常見(jiàn)，如游戲過(guò)程中的人機(jī)對(duì)抗模式和無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)，即為強(qiáng)化學(xué)習(xí)的實(shí)際應(yīng)用。

二、機(jī)器學(xué)習(xí)在超聲診斷中的應(yīng)用

由于日常工作中收集的臨床數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜多樣，且大部分慢性心血管疾病具有復(fù)雜性，不僅需要對(duì)這些數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分類(lèi)、整合，還應(yīng)了解每一個(gè)數(shù)據(jù)或不同數(shù)據(jù)組合所代表的臨床意義。將超聲影像與臨床數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)成了臨床工作中的超聲診斷流程［4］。近年提出的“超聲診斷組學(xué)”這一概念，就是將超聲影像資料、患者的臨床信息（包括遺傳學(xué)檢查結(jié)果在內(nèi)的相關(guān)檢查等數(shù)據(jù)）與人工智能診斷技術(shù)“三合一”的一種全新的臨床診斷模式［5］。將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于超聲診斷的另一個(gè)客觀原因在于：超聲檢查作為一項(xiàng)簡(jiǎn)便、價(jià)廉、無(wú)創(chuàng)、可重復(fù)性佳的影像學(xué)檢查項(xiàng)目，其臨床應(yīng)用十分廣泛［6］。超聲的檢查需求在不斷增加，且其診斷過(guò)程需整合不同影像切面（定性診斷資料）和超聲測(cè)值（定量資料），意味著需要對(duì)越來(lái)越多的影像和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、整合，因此臨床亟需一種全新的超聲診斷模式。

現(xiàn)代化的超聲檢查儀器配備各種機(jī)器學(xué)習(xí)軟件或插件，如心內(nèi)膜邊界軌跡自動(dòng)描跡技術(shù)就是一種機(jī)器學(xué)習(xí)的體現(xiàn)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)心內(nèi)膜邊界，然后自動(dòng)描跡并進(jìn)行面積（體積）測(cè)量，可簡(jiǎn)化或替代傳統(tǒng)的人工測(cè)量［7］。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)能為日常工作帶來(lái)便利，但由于該方法與人類(lèi)大腦運(yùn)作機(jī)制之間存在巨大的差異，學(xué)習(xí)模型較為單一，因此今后需針對(duì)上述不足進(jìn)一步研究，明確機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)是如何做出判斷，以對(duì)模型進(jìn)行修正，達(dá)到技術(shù)應(yīng)用的最優(yōu)化程度［8］。另外，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的費(fèi)用較高，在基層單位的推廣應(yīng)用有一定限制。

三、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在心臟超聲領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.對(duì)心臟結(jié)構(gòu)和功能的評(píng)價(jià)：有研究［9］將左室射血分?jǐn)?shù)（LVEF）和縱向應(yīng)變（LS）的人工測(cè)值與機(jī)器自動(dòng)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者間相關(guān)性較高（r=0.92，P＜0.001），且采用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量法能夠消除不同檢查者間的測(cè)量差異，極大地縮短測(cè)量時(shí)間，提高效率。機(jī)器學(xué)習(xí)除了能夠?qū)π呐K功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)外，還能對(duì)心臟結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷和評(píng)價(jià)。有研究［10］應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的機(jī)器識(shí)圖技術(shù)分析肥厚型心肌病患者和運(yùn)動(dòng)員的心臟超聲圖像，對(duì)肥厚型心肌病患者的病理性心肌肥厚和運(yùn)動(dòng)員生理狀態(tài)下的心肌代償性增厚進(jìn)行鑒別，結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)鑒別兩者的總體敏感性和特異性分別為87%和82%，調(diào)整年齡后分別為96%和77%。另有研究［11］在機(jī)器識(shí)圖技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)識(shí)別患者心臟超聲圖像上的左房、左室結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)左心舒張功能及其嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)。臨床上心臟舒張功能異常多見(jiàn)于限制性心肌病和縮窄型心包炎患者，兩者的臨床特征和超聲表現(xiàn)相似，有學(xué)者［12］應(yīng)用機(jī)器識(shí)圖技術(shù)對(duì)其進(jìn)行鑒別診斷，通過(guò)超聲圖像的識(shí)別、特征提取，結(jié)合相關(guān)超聲參數(shù)測(cè)值實(shí)現(xiàn)了兩者的準(zhǔn)確鑒別。

2.判斷是否需行超聲心動(dòng)圖檢查：對(duì)于不存在心臟器質(zhì)性病變或是處于疾病早期尚未發(fā)生明顯心臟結(jié)構(gòu)或功能改變的患者，行超聲心動(dòng)圖檢查的臨床意義不大［13］。如何使超聲心動(dòng)圖的使用更為合理有效亦是機(jī)器深度學(xué)習(xí)的目的之一，12導(dǎo)聯(lián)心電圖檢查可確定患者是否存在心臟結(jié)構(gòu)或功能異常，但其提供的診斷信息不及超聲心動(dòng)圖豐富，臨床可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)從心電圖的波形中提取更多有用的信息［14-15］。有研究［16］對(duì)患者心電圖檢查的波形特征進(jìn)行信息提取，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)推斷患者有無(wú)明顯心臟結(jié)構(gòu)或功能異常，進(jìn)一步明確是否有行超聲心動(dòng)圖檢查的必要，確定患者是否具有超聲心動(dòng)圖檢查指征，體現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)在實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源的合理使用、滿(mǎn)足分級(jí)診療需要這一層面的潛在價(jià)值。

3.對(duì)超聲心動(dòng)圖影像的自動(dòng)識(shí)別：有研究［17］嘗試通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別心臟超聲檢查時(shí)常見(jiàn)的15種圖像（包括12個(gè)常用檢查切面二維圖像的動(dòng)態(tài)圖和靜態(tài)圖，以及脈沖和連續(xù)血流頻譜、M型超聲3種靜態(tài)圖），并將不同的超聲圖像按類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，首先通過(guò)機(jī)器對(duì)每一張圖像進(jìn)行特征提取，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中的聚類(lèi)分析法或深度學(xué)習(xí)方法將圖像特征相同或相似的超聲影像聚在一起，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)不同類(lèi)型超聲圖像的自動(dòng)分類(lèi)過(guò)程。該研究結(jié)果表明機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)超聲圖像的自動(dòng)分類(lèi)具有很高的準(zhǔn)確性，且對(duì)于低分辨率的超聲圖像，機(jī)器分類(lèi)的準(zhǔn)確率甚至高于高年資的心臟超聲醫(yī)師，表明機(jī)器學(xué)習(xí)可以在一定程度上輔助超聲醫(yī)師的日常工作，提高診斷準(zhǔn)確率［18］。另外，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還可以應(yīng)用于負(fù)荷超聲心動(dòng)圖的相關(guān)研究，其能自動(dòng)去除室壁運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲影偽像，并從影像中提取有價(jià)值的診斷信息［19］。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可達(dá)到疾病的早期診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效果，實(shí)現(xiàn)早期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和疾病預(yù)測(cè)，形成自動(dòng)化的調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng)，構(gòu)建降低發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的干預(yù)機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)疾病的有效治療［20］。

四、小結(jié)

機(jī)器學(xué)習(xí)已廣泛應(yīng)用于臨床心血管疾病的診斷，可為臨床醫(yī)師提供參考信息。三維超聲技術(shù)是目前醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的一種重要成像模態(tài)，今后可開(kāi)發(fā)更多三維超聲技術(shù)相關(guān)的機(jī)器深度學(xué)習(xí)算法用于醫(yī)學(xué)超聲圖像分析，為臨床及影像醫(yī)師提供新的診療視野。