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人工智能+醫(yī)學(xué)影像在各領(lǐng)域的應(yīng)用

2018-03-21

人工智能參與醫(yī)療過程首先要做的是獲得大量帶標(biāo)注的醫(yī)學(xué)影像樣本,然后嘗試在其中找到一些關(guān)鍵點。比如說靠近肺和靠近肝的點,把關(guān)鍵點找到以后,結(jié)合肝的形狀鮮艷模型,設(shè)定一個初始化模型,再通過機器學(xué)習(xí)的方式學(xué)到邊界應(yīng)該是怎么樣的,病變是怎么樣的,盡量的逼近它的邊界信息,再通過它的形狀特征進行進一步的完善,最后獲得好的分割、篩查結(jié)果。這一過程便是人工智能對圖像的定位、分類和切割。

當(dāng)我們將臟器分割、病變標(biāo)記出來以后,就知道了這個部位有沒有患病,但是并不知道是患了什么病,病情發(fā)展到了什么程度。這個時候便需要對病理圖像進行分析,獲得輔助判斷依據(jù)。


人工智能在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域目前的應(yīng)用方向主要有三類,即疾病篩查、病灶勾畫、臟器三維成像。我們總結(jié)了人工智能在醫(yī)學(xué)影像方面主要覆蓋的方式以及主要使用的醫(yī)學(xué)影像類型,接下來,我們將仔細介紹人工智能在目前最為火熱的肺部篩查、糖網(wǎng)篩查、病灶勾畫、臟器三維成像和病理分析的應(yīng)用情況。

肺部篩查

人工智能進行肺部篩查的步驟為:使用圖像分割算法對肺部掃描序列進行處理,生成肺部區(qū)域圖,然后根據(jù)肺部區(qū)域圖生成肺部圖像。利用肺部分割生成的肺部區(qū)域圖像,加上結(jié)節(jié)標(biāo)注信息生成結(jié)節(jié)區(qū)域圖像,訓(xùn)練基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的肺結(jié)節(jié)分割器,然后對圖像做肺結(jié)節(jié)分割,得到疑似肺結(jié)節(jié)區(qū)域。找到疑似肺結(jié)節(jié)后,使用3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對肺結(jié)節(jié)進行分類,得到真正肺結(jié)節(jié)的位置和置信度。

糖網(wǎng)病篩查

糖網(wǎng)病是“糖尿病性視網(wǎng)膜病變”的簡稱,是常見的視網(wǎng)膜血管病變,也是糖尿病患者的主要致盲眼病。

因為糖網(wǎng)病早期往往沒有任何臨床癥狀,而一旦有癥狀,病情已較嚴(yán)重,容易錯過最佳治療時機。所以糖網(wǎng)病的治療效果取決于治療是否及時。但是由于我國眼科醫(yī)生匱乏、居民重視程度不高,目前我國糖網(wǎng)病篩查的比例不足10%。

糖網(wǎng)病篩查沒有大面積普及,一方面是因為醫(yī)生少、患者多,另一方面也存在一些客觀問題:

1.糖網(wǎng)病患者基數(shù)大,增長快,眼底設(shè)備的普及速度遠遠無法滿足需求。但是由于眼底設(shè)備昂貴,對于欠發(fā)達地區(qū)來說,大量采購并不現(xiàn)實。

2.隨著人們對糖網(wǎng)病篩查的重視以及國家的推進,眼底讀片的需求在增加,現(xiàn)有醫(yī)生的數(shù)量已經(jīng)無法承擔(dān)這些工作量,導(dǎo)致醫(yī)生過勞,誤診、漏診的情況出現(xiàn)。另外,有經(jīng)驗的醫(yī)生也并不愿意一直做讀片的工作,他們希望有更多的時間做一些研究,出新的成果。這就導(dǎo)致醫(yī)生的數(shù)量更加緊張。

3.從事眼底讀片的醫(yī)生醫(yī)生培訓(xùn)速度慢,存在差異性。也就導(dǎo)致不同的醫(yī)生讀片結(jié)果存在差異,致使診斷結(jié)果缺乏定量信息。

4.眼底讀片的數(shù)據(jù)管理與分析操作難度大,目前現(xiàn)狀是數(shù)據(jù)簡單存檔保存,但數(shù)據(jù)整理工作量大,因此讀片數(shù)據(jù)再次利用難度很大。

5.糖尿病患者往往因為高齡或罹患全身多系統(tǒng)并發(fā)癥而出行不便,居住地又距地區(qū)內(nèi)有足夠眼病服務(wù)能力的醫(yī)療機構(gòu)較遠,在醫(yī)療機構(gòu)等待或檢查時間又較長。

這些痛點主要原因是醫(yī)患供需不平衡導(dǎo)致的,而圖像識別是人工智能的專長,利用人工智能進行初步篩查,將大大改善目前糖網(wǎng)病篩查的現(xiàn)狀。

靶區(qū)勾畫

靶區(qū)勾畫與治療方案設(shè)計占用了腫瘤醫(yī)生大量時間。

病人被確診為腫瘤時大多是很恐慌的,身體上出現(xiàn)一點風(fēng)吹草動都要去問醫(yī)生,而著名三甲醫(yī)院的腫瘤科通常是人滿為患,醫(yī)生除了要看病,還有科研等其他的工作任務(wù),面對病患沒完沒了追問的時候,他們也會煩躁。

基層醫(yī)療機構(gòu)腫瘤科醫(yī)生缺乏經(jīng)驗,很多時候他們不敢輕易地為患者做治療方案,只能轉(zhuǎn)診,這又加劇了三甲醫(yī)院醫(yī)患的矛盾。所以利用新科技來提高醫(yī)生的效率,提高基層醫(yī)生治療水平與自信心是醫(yī)院很關(guān)心的事情。腫瘤治療過程中有兩項工作占用了醫(yī)生大量的時間和精力,他們分別是靶區(qū)勾畫與治療方案設(shè)計。

放療是腫瘤三大治療方式中最為主流的治療方式(其他兩種是手術(shù)和化療),相對于診斷,治療更切入醫(yī)療的核心。每個腫瘤病人的CT圖像在200張左右,醫(yī)生在勾畫的時候,需要給每個圖片上的器官、腫瘤位置進行標(biāo)注。這個過程按照傳統(tǒng)的方法要耗費醫(yī)生3-5個小時,找到腫瘤位置之后,醫(yī)生還需要根據(jù)腫瘤的大小、形狀等設(shè)計放射線的具體照射方案或者手術(shù)方案,這里面也包含了不同位置不同的放射劑量。

如果一切順利,這位患者按照醫(yī)生最初的設(shè)計方案治療、好轉(zhuǎn),最后康復(fù)。但是有些時候事與愿違,第一個療程的治療由于靶區(qū)勾畫的不準(zhǔn)確或者腫瘤的變化,導(dǎo)致治療無效(腫瘤組織減少小于30%),這個時候就需要更改治療方案,這就需要醫(yī)生重新為病人做勾畫,做方案。

我們國家腫瘤病人平均的等待時間為2-3周,醫(yī)生把時間放在一個病人身上,另一個人就要繼續(xù)等待,而這有可能會錯過最佳治療期。

靶區(qū)勾畫與治療方案設(shè)計具有一定的技術(shù)含量和需要醫(yī)生的經(jīng)驗,但是其中包含了大量的重復(fù)工作,這些勞動密集型的工作是人工智能的專長,利用AI做這些事情將節(jié)約腫瘤醫(yī)生大量的時間。

臟器三維成像

臟器三維成像是人工智能以核磁共振、CT 等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對目標(biāo)臟器定位分割,在電腦上顯示患者的內(nèi)部情況。將病人的核磁共振、CT等病情影像數(shù)據(jù)輸入,在電腦上顯示患者的內(nèi)部情況。醫(yī)生手中的探針指向哪里,系統(tǒng)實時更新顯示,讓醫(yī)生對病人的解剖位置一目了然,使外科手術(shù)更快速、更精確、更安全。

自動重構(gòu)器官真實的3D模型,實現(xiàn)醫(yī)生可通過專用設(shè)施,在增強現(xiàn)實的虛擬空間里全方位直接觀看到患者真實人體結(jié)構(gòu)的解剖細節(jié),并可通過手勢和語音操作,實時進行器官和病變的立體幾何分析,精確測量目標(biāo)結(jié)構(gòu)的區(qū)位、體積、徑線、距離等參數(shù),同時還可進行虛擬解剖作業(yè)、模擬手術(shù)切除、手術(shù)方案設(shè)計和手術(shù)風(fēng)險評估。

病理分析

就算是經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練的病理醫(yī)生,他們對同一個患者的診斷也存在差異性,這種差異性是造成誤診的重要原因。例如,醫(yī)生對某些形式的乳腺癌和前列腺癌的診斷一致性低至48%。

醫(yī)生所做缺乏一致性并不奇怪,因為要想做出準(zhǔn)確的診斷,醫(yī)生必須在大量的檢查信息上進行判斷。通常情況下,病理醫(yī)生負責(zé)審查病理切片上可見的所有生物組織,但是每個患者有很多病理切片,經(jīng)過 40 倍放大后每個切片上都有 100 多億的像素(10+gigapixels)。

想象一下要瀏覽 1000 多個百萬像素的圖片,還要為每個像素負責(zé)。這需要閱讀大量的數(shù)據(jù),但是醫(yī)生的時間往往是不夠的。

為了解決有限的時間和診斷準(zhǔn)確性的問題,將人工智能引入數(shù)字病理學(xué)研究成為了最好的辦法。人工智能可以縮短病理診斷的時間、提升診斷效率,最主要的是,它還能提供更加準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。人工智能的有效使用可以真正幫助病理醫(yī)生提升判讀水平,從精準(zhǔn)診斷開始,真正實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。

人工智能的參與給數(shù)字病理研究帶來了革命性的變化。谷歌公布了他們利用深度學(xué)習(xí)算法輔助病理醫(yī)生工作確定病理圖像是擴散到淋巴結(jié)的乳腺癌還是擴展到臨近乳房的乳腺癌的情況。目前國內(nèi)已有多家企業(yè)將人工智能引入到了病理學(xué)的研究。
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