重癥監(jiān)護(hù)室里的人工智能

重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）里的人工智能在重癥監(jiān)護(hù)室1可以利用人工智能進(jìn)行醫(yī)療監(jiān)護(hù)93D.G128加WW1Sbl睛si-iim/ill皿爪腳＜4ST-UI叫1f廣hn在醫(yī)院的重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）中，病情危重的患者躺在病床上，身體連接一整套儀器，接受全天24小時(shí)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)。這些先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備用來維持患者的生命。靜脈注射藥液滴入血液，機(jī)械式呼吸機(jī)將空氣送入患者肺部。貼身的傳感器監(jiān)測心率、血壓及其他生命體征，床邊的監(jiān)護(hù)儀通過曲折的波形顯示數(shù)據(jù)。一旦記錄的數(shù)據(jù)超過正常參數(shù)，機(jī)器就會(huì)響起“嘟嘟”的示警聲，提醒醫(yī)護(hù)人員注意潛在問題。雖然這個(gè)場景充滿了高技術(shù)，但這些技術(shù)并沒有發(fā)揮出其最佳效果。每臺(tái)機(jī)器分別監(jiān)測患者身體的不同部位，所有機(jī)器的工作并不協(xié)調(diào)一致，也沒有對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集或分析。此外，重癥監(jiān)護(hù)室醫(yī)療團(tuán)隊(duì)（包括急救醫(yī)生、護(hù)士、呼吸治療師、藥劑師以及其他?？漆t(yī)師）不可能時(shí)刻關(guān)注到每個(gè)患者。在未來，重癥監(jiān)護(hù)室將更好地利用各種機(jī)器以及機(jī)器不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流。監(jiān)護(hù)儀將不再單獨(dú)工作，而是將信息綜合在一起，向醫(yī)生提供患者身體狀況的完整信息。該信息也會(huì)輸入人工智能（AI）系統(tǒng)，人工智能系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整儀器設(shè)置，從而保證患者處于最佳監(jiān)護(hù)條件。我們的自主醫(yī)療公司（AutonomousHealthcare）位于新澤西州的霍博肯，致力于設(shè)計(jì)建造首批面向重癥監(jiān)護(hù)室的人工智能系統(tǒng)。這些技術(shù)是為了給患者提供警覺且細(xì)致的醫(yī)療護(hù)理，就像有一位醫(yī)療專家時(shí)刻陪伴在患者床前，為患者悉心調(diào)節(jié)治療方案。此系統(tǒng)能夠減輕重癥監(jiān)護(hù)室醫(yī)護(hù)人員過重的工作負(fù)擔(dān)。此外，如果人工智能技術(shù)可以幫助患者盡快轉(zhuǎn)出重癥監(jiān)護(hù)室，那么就能降低飛漲的醫(yī)療費(fèi)用。我們初步將重點(diǎn)放在美國境內(nèi)的醫(yī)院，但是隨著人口老齡化及慢性病患者人數(shù)的增長，我們的技術(shù)將在世界范圍內(nèi)發(fā)揮作用。效益空間是巨大的。在美國，重癥監(jiān)護(hù)室是醫(yī)療體系中最昂貴的一部分。每天大概有5.5萬名患者在重癥監(jiān)護(hù)室接受治療，日均治療費(fèi)用在3000至1萬美元。重癥監(jiān)護(hù)室治療費(fèi)用每年累計(jì)超過800億美元。隨著嬰兒潮一代步入老年，重癥監(jiān)護(hù)室變得越來越重要。如今，在美國重癥監(jiān)護(hù)室的患者中，年齡超過65歲的占一半以上。這個(gè)人群的數(shù)量在2014年為460萬，預(yù)計(jì)到2030年將增長到740萬。歐洲和亞洲也存在這一趨勢，人口老齡化已成為世界難題。為了滿足日益增長的重癥臨床護(hù)理需求，不僅要提高重癥監(jiān)護(hù)室的容量，還要提升其功能。培養(yǎng)更多的重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)師是解決方法的一部分，自動(dòng)化是解決方案的另一部分。人工智能系統(tǒng)并非要取代人類，而是要成為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的一員，到醫(yī)生和護(hù)士最需要它們的地方施展才能。目前的重癥監(jiān)護(hù)室中，臨床監(jiān)護(hù)儀的顯示屏幾秒鐘更新一次，儀器測量的數(shù)據(jù)通常都會(huì)遺失。但現(xiàn)在一些先進(jìn)的重癥監(jiān)護(hù)室正嘗試保存和分析這些數(shù)據(jù)，但要為臨床觀察提供支持還有很大的難度。醫(yī)生通常既沒有時(shí)間也沒有工具來分析快速累積的數(shù)據(jù)。但是人工智能系統(tǒng)卻能做到這一點(diǎn)，并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取行動(dòng)，比如調(diào)整承擔(dān)重癥監(jiān)護(hù)關(guān)鍵任務(wù)的儀器設(shè)置。自主醫(yī)療公司目前首要關(guān)注的是對(duì)患者的呼吸機(jī)和輸液器進(jìn)行控制的人工智能系統(tǒng)。當(dāng)患者昏迷或肺衰竭時(shí)，會(huì)用到機(jī)械式呼吸機(jī)，這在重癥監(jiān)護(hù)室非常常見。細(xì)致的點(diǎn)滴管理可保持患者循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的血液量穩(wěn)定，確保所有人體組織和器官都得到足夠的氧氣。我們的方法源自航空航天業(yè)，這一點(diǎn)你肯定很難相信吧。我們3位作者中的兩位 Haddad和Gholami 是航天控制專家。我們是在佐治亞理工學(xué)院的航天工程學(xué)院結(jié)識(shí)的。那時(shí)Haddad是動(dòng)力系統(tǒng)與控制教授，Gholami是博士研究生，Bailey于本世紀(jì)初加入我們時(shí)，還是埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)的助教。Haddad和Bailey首先研究的是手術(shù)室中自動(dòng)麻醉配量與給藥的控制方法，并先后在亞特蘭大的埃默里大學(xué)醫(yī)院以及佐治亞州蓋恩斯維爾的東北佐治亞醫(yī)療中心進(jìn)行了相關(guān)臨床測試。之后，我們將目光轉(zhuǎn)向重癥監(jiān)護(hù)室中更復(fù)雜、涉及范圍更廣的控制問題上。2013年，為了研制的人工智能系統(tǒng)的商業(yè)化，Haddad和Gholami共同創(chuàng)立了自主醫(yī)療公司。Gholami是公司的執(zhí)行總裁，Haddad是首席科學(xué)顧問，Bailey是首席醫(yī)務(wù)官。航天與醫(yī)學(xué)有何聯(lián)系呢？這兩個(gè)領(lǐng)域都會(huì)遇到生命危在旦夕的時(shí)刻，需要迅速處理大量數(shù)據(jù)并做出決策，而且都需要同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)，以確保整體順利運(yùn)行。尤其引起我們注意的是，反饋控制技術(shù)通過傳感、計(jì)算與執(zhí)行，利用算法和反饋來調(diào)整整個(gè)工程系統(tǒng)的行為，在飛行控制與空中交通控制的安全關(guān)鍵系統(tǒng)中起到不可或缺的作用。我們認(rèn)為，反饋控制技術(shù)在重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也可發(fā)揮作用。但是飛行器與患者身體之間存在一個(gè)重大區(qū)別。飛行器的設(shè)計(jì)與操控以完善的機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，而人體涉及高度復(fù)雜的生物系統(tǒng)，其功能與相互作用機(jī)制，我們至今尚未完全清楚。想想分析機(jī)械式呼吸機(jī)的管理吧。嚴(yán)重外傷、肺部感染、心臟衰竭或敗血癥等炎癥反應(yīng)綜合征的重癥監(jiān)護(hù)室患者或許都需要機(jī)械式呼吸機(jī)。呼吸機(jī)循環(huán)往復(fù)，將空氣壓入肺中，然后讓肺被動(dòng)地將氣體排出?？梢栽O(shè)置呼吸機(jī)完成整個(gè)過程，也可以僅輔助患者自主呼吸。人機(jī)互動(dòng)的管理十分精細(xì)。人體有專門的自主呼吸管理機(jī)制，即神經(jīng)系統(tǒng)控制隔膜肌收縮，向下拉動(dòng)肺部從而吸入空氣。呼吸機(jī)必須與這一人體內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制協(xié)作，保持與患者呼氣/吸氣的自然轉(zhuǎn)換節(jié)奏同步，并與患者自然的呼吸量持平。遺憾的是，患者的實(shí)際需求與機(jī)器的供應(yīng)常常是不協(xié)調(diào)的，這會(huì)導(dǎo)致患者產(chǎn)生“呼吸機(jī)拮抗”。比如，患者所需的吸氣時(shí)間可能要長一些，而呼吸機(jī)則過早地從吸氣轉(zhuǎn)換為呼氣。這些人機(jī)異步問題通常會(huì)導(dǎo)致患者長時(shí)間地依賴呼吸機(jī)、延長患者在重癥監(jiān)護(hù)室的時(shí)間，增加死亡風(fēng)險(xiǎn)。專家們尚不清楚為何異步問題會(huì)產(chǎn)生這些不利影響，但當(dāng)患者在努力呼氣而機(jī)器卻在輸入空氣時(shí)，患者會(huì)明顯地感覺到不適，同時(shí)其肌肉也會(huì)承受更多負(fù)擔(dān)。據(jù)估計(jì)，在美國的重癥監(jiān)護(hù)室里，大概有12%到43%的病患出現(xiàn)與呼吸機(jī)嚴(yán)重不同步的情況。解決這一問題的首要步驟是檢測出異步情況。經(jīng)驗(yàn)豐富的呼吸治療師可通過持續(xù)觀察呼吸機(jī)顯示屏上的壓力和流量波形來識(shí)別不同類型的異步。但是在重癥監(jiān)護(hù)室中，一位呼吸治療師通常只能兼顧十幾位患者，無法同時(shí)顧及所有患者。我們公司設(shè)計(jì)了可代替人工檢測呼吸異步的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。我們利用患者呼吸機(jī)的波形數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練這個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，使用的每個(gè)波形數(shù)據(jù)都經(jīng)過了臨床專家組的評(píng)估。我們的算法學(xué)習(xí)了不同異步類型的特征，比如在指定時(shí)間點(diǎn)上，流量信號(hào)的特殊下降。在對(duì)算法的首輪評(píng)估中，我們的重點(diǎn)是循環(huán)異步，這是最難檢測的一種異步類型。此時(shí)呼吸機(jī)呼氣階段的起始點(diǎn)與患者的自主呼氣不一致。我們的算法通過新數(shù)據(jù)集檢測循環(huán)異步情況的準(zhǔn)確率與專家持平。我們目前正在美國東北佐治亞醫(yī)療中心重癥監(jiān)護(hù)室對(duì)真實(shí)病患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以此測試我們的呼吸異步檢測算法。此項(xiàng)技術(shù)已被應(yīng)用到臨床決策支持系統(tǒng)中，幫助呼吸治療師評(píng)定患者的需求。此項(xiàng)系統(tǒng)也可以幫助研究者進(jìn)一步了解異步的潛在原因及其對(duì)病患的影響。我們的長期目標(biāo)是設(shè)計(jì)出根據(jù)患者的實(shí)際需要自動(dòng)調(diào)整的機(jī)械式呼吸機(jī)。車輕松地呼吸危重患者呼吸困難時(shí)，需要接入機(jī)械式呼吸機(jī)（1）輔助呼吸。機(jī)器將空氣輸入病人的肺中'但是機(jī)械節(jié)奏可能會(huì)與患者的自然呼吸節(jié)奏不一致，導(dǎo)致患者產(chǎn)生"呼吸機(jī)拮抗"o智能控制系統(tǒng)可以讀取氣流測量數(shù)據(jù)（2）并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)識(shí)別呼吸機(jī)不同類型的異步（3｝。在全自動(dòng)系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制器（4）可持續(xù)調(diào)整呼吸機(jī)的氣流，從而保持與患者同步。作為通向完全自動(dòng)化目標(biāo)的第一步「類似系統(tǒng)可作為重癥監(jiān)護(hù)室中的輔助決策工具，為呼吸治療師提供調(diào)整建議。在大家的想象中，重癥監(jiān)護(hù)室里，應(yīng)該是患者床邊的支架上面懸掛著輸液袋，液體通過輸液管進(jìn)入患者血管的場景。在重癥監(jiān)護(hù)室，大概75%的患者都需要不同的程度的輸液管理。但是目前科學(xué)還遠(yuǎn)達(dá)不到校準(zhǔn)輸液量的程度。僅僅是跟蹤患者的體液量就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)：目前尚未有醫(yī)療傳感器能夠做到直接檢測體液量，因此醫(yī)生只能依靠血壓和尿量等進(jìn)行間接檢測。患者所需的輸液量取決于其病情和藥物等諸多因素。對(duì)于患有敗血癥的患者來說，控制輸液量至關(guān)重要。敗血癥是一種全身感染、危及生命的綜合征，敗血癥患者的血管膨脹，血壓下降，體液會(huì)從最細(xì)的血管——毛細(xì)血管中溢出。這樣一來，到達(dá)器官的含氧血液降低，可能導(dǎo)致患者器官衰竭甚至死亡。醫(yī)生治療敗血癥時(shí)，采用的是通過藥物提高患者的血壓，將更多液體輸入患者循環(huán)系統(tǒng)的方法。增加體液很重要，但不能過量——輸液過多會(huì)引起并發(fā)癥，比如肺水腫，此時(shí)肺部積液過多，會(huì)影響呼吸。研究表明，輸液過多與長期使用呼吸機(jī)、長期住院以及高死亡率都存在關(guān)聯(lián)性。因此，醫(yī)生是根據(jù)普通患者的平均模型，努力將患者體液量維持在一定水平。在巡視重癥監(jiān)護(hù)室病房時(shí)，醫(yī)生主要通過檢查患者血?dú)?、血壓以及排尿量等多?xiàng)指標(biāo)來確認(rèn)患者的液體量是否穩(wěn)定在目標(biāo)水平。而何時(shí)增加輸液量以及增加多少就相當(dāng)主觀了，對(duì)于最佳處置方法尚有諸多爭議。人工智能系統(tǒng)在這方面可以做得更好，它不依照普通患者的平均模型，而可以實(shí)時(shí)分析單個(gè)患者的一系列生理指標(biāo)，并根據(jù)單個(gè)患者的具體需求來控制輸液量。自主醫(yī)療公司研發(fā)的全自動(dòng)系統(tǒng)研究患者的間接體液測量值（比如血壓以及每次心跳泵出血液量的變化等），然后將數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜的生理模型。我們的系統(tǒng)利用測量值評(píng)估體液如何在血管與組織之間流動(dòng)，并根據(jù)新的測量值不斷調(diào)整參數(shù)。然后，通過我們研發(fā)的自適應(yīng)控制器對(duì)輸液進(jìn)行調(diào)整。我們的技術(shù)優(yōu)勢之一是控制工程師所稱的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，這種狀態(tài)是是指，任何對(duì)正常狀態(tài)的擾動(dòng)都只會(huì)造成細(xì)微且短暫的變化。很多工程應(yīng)用的控制系統(tǒng)都要確保閉環(huán)穩(wěn)定性。比如，飛機(jī)遇到強(qiáng)氣流時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)會(huì)采取補(bǔ)償措施將顛簸降到最低水平。但是，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備的控制系統(tǒng)沒有此類保障機(jī)制。假如醫(yī)生斷定敗血癥患者的體液水平急劇下降，可能就會(huì)為病人大量輸液，也有可能會(huì)過量。我們與獸醫(yī)麻醉學(xué)家兼心血管生理學(xué)家威廉?繆爾(WilliamMuir)合作，對(duì)自動(dòng)液體管理系統(tǒng)進(jìn)行了測試。使用我們的系統(tǒng)對(duì)存在出血狀況的試驗(yàn)犬調(diào)節(jié)輸液量。通過測量試驗(yàn)犬每次心跳泵出的血液量，我們的系統(tǒng)成功將其維持在穩(wěn)定狀態(tài)。為了使人體體液量全自動(dòng)管理系統(tǒng)獲得管理部門的批準(zhǔn)，我們還需要進(jìn)行更多測試。與呼吸機(jī)管理系統(tǒng)一樣，我們首先建立重癥監(jiān)護(hù)室的輔助決策系統(tǒng)。這個(gè)“人工介入”系統(tǒng)可為臨床醫(yī)師提供信息和建議，再由臨床醫(yī)師對(duì)輸液泵進(jìn)行調(diào)整。礦自適應(yīng)礦自適應(yīng)液體流動(dòng)大多數(shù)重癥監(jiān)護(hù)室患者都需要利用輸液泵和輸液管（1）進(jìn)行輸液。保持恰當(dāng)?shù)囊毫恐陵P(guān)重要：如果循壞系統(tǒng)的液量太高或太低，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。智能控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)踉蹤測量數(shù)據(jù)（2）,比如實(shí)時(shí)動(dòng)脈血壓以及心臟泵出的血液量；隨后，智能系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸入生理模型（3）「展示液體流經(jīng)人體血管和組織的過程。在全自動(dòng)系統(tǒng)中，自適應(yīng)控制器（4）將不斷調(diào)整輸液量，保持患者病情穩(wěn)定。在一開始，重癥監(jiān)護(hù)室醫(yī)生可以將此項(xiàng)技術(shù)作為提供建議的輔助決策系統(tǒng)。除了呼吸機(jī)及輸液管理之外，其他有關(guān)患者護(hù)理的重要方面也可以自動(dòng)化，比如疼痛管理和鎮(zhèn)靜。關(guān)于重癥監(jiān)護(hù)室的未來發(fā)展，我們?cè)O(shè)想：人工智能系統(tǒng)將通過評(píng)估病人的生理狀況以及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)置來監(jiān)測、協(xié)調(diào)并控制多種臨床操作。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，僅僅依靠工程師研發(fā)技術(shù)是不夠的。我們還必須努力通過監(jiān)管障礙并滿足醫(yī)院的制度要求。當(dāng)然，對(duì)于任何新型自動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)，監(jiān)管者都需要仔細(xì)審查。我們建議監(jiān)管部門使用自動(dòng)化與航天行業(yè)常用的兩種測試系統(tǒng)。第一個(gè)是計(jì)算機(jī)模擬測試，即通過計(jì)算機(jī)模擬對(duì)一種算法進(jìn)行測試。只有采用以高保真生理模型為基礎(chǔ)的模擬方法，此類測試才有效。這種測試系統(tǒng)已經(jīng)可用于某些應(yīng)用。比如，美國食品和藥品監(jiān)督管理局最近允許以計(jì)算機(jī)模擬測試代替動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，研發(fā)治療糖尿病的人工胰腺。第二個(gè)有用的測試系統(tǒng)是硬件介入測試。在此類測試系統(tǒng)中，硬件將代替測試對(duì)象——飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或人體循環(huán)系統(tǒng)。你可以利用這個(gè)硬件平臺(tái)測試一臺(tái)設(shè)備，比如自動(dòng)液壓泵。該平臺(tái)將產(chǎn)生與真實(shí)監(jiān)護(hù)儀相同類型的數(shù)據(jù)。這些硬件介入測試可以說明設(shè)備在真實(shí)情境中運(yùn)行良好。一旦這些技術(shù)被病?；颊叩奶嫔硭C實(shí)，那么就可以在真實(shí)患者身上進(jìn)行測試。將這些技術(shù)引入醫(yī)院的最后一步是取得醫(yī)療工作者的信任。醫(yī)療界往往比較保守（這是應(yīng)該的），沒有人想要做出可能危害患者健康的改變。我們的策略是分階段證明我們的技術(shù)：首先實(shí)現(xiàn)決策輔助系統(tǒng)的商業(yè)化，證明其有效性和有益性；然后轉(zhuǎn)向自主系統(tǒng)。借助人工智能，我們相信重癥監(jiān)護(hù)室將會(huì)更智能、更安全、更健康。插圖：McKibillo作者：BehnoodGholami,WassimM.Haddad,Ja