用人工智能挑戰(zhàn)最致命的癌癥。
日常生活中，我們經(jīng)常會與人工智能進行互動，從解鎖手機，使用搜索引擎到地圖導航……AI 正在為我們帶來越來越多的便利。不過在臨床醫(yī)學中，AI 技術(shù)的應用速度要慢得多，絕大多數(shù)診斷和治療建議仍然完全基于人類判斷。
直到最近，AI 在醫(yī)療影像的新突破，讓事情有了變化。
上周，最新一期自然雜志子刊《自然醫(yī)學》（Nature Medicine）上一個名為「PANDA」（PAncreatic cancer Detection with AI）的胰腺癌早篩 AI 模型正式亮相，成為了人們熱議的話題。
該研究通過「平掃 CT+AI」的方法，讓我們首次擁有了大規(guī)模早期胰腺癌的篩查手段。
據(jù)研究團隊介紹，PANDA 早期篩查模型的特異性達到了 99.9%，這意味著每 1000 次測試中只出現(xiàn)一個假陽性；其檢測胰腺腫瘤的能力可達 92.9%；鑒別胰腺癌的能力比放射科醫(yī)生獨立判斷時的平均表現(xiàn)提高了 34.1%。
這或許是人類在與「癌癥之王」胰腺癌的斗爭中第一次掌握了主動權(quán)?！蹲匀会t(yī)學》對此還專門刊發(fā)評論文章：「基于醫(yī)療影像 AI 的癌癥篩查即將進入黃金時代」。
癌癥的早篩一直被認為充滿挑戰(zhàn)，人們一直期待出現(xiàn)一種簡便通用的技術(shù)，來對大規(guī)模無癥狀人群進行癌癥篩查。利用 AI 算法的 PANDA 或許會成為給我們帶來希望。
破解「癌癥之王」
關(guān)于胰腺癌， 我們可以列舉兩個殘酷的數(shù)據(jù)：平均五年生存率不到 10％，80% 的情況下發(fā)現(xiàn)就是晚期。時至今日，胰腺癌已經(jīng)成為中國乃至全球生存率最低的惡性腫瘤。
圖片來源：http://www.china-rt.cn/special/856.html
胰腺癌早期發(fā)現(xiàn)困難的原因之一在于其明顯癥狀很少，而且在癌癥進展之前很難進行自愿檢查。此外，由于胰腺位于身體最深處，一些影像學檢查（例如腹部超聲檢查）可能無法顯示整個胰腺。而增強 CT、增強 MRI、PET 等影像診斷，由于需要注射造影劑、輻射劑量、檢查周期長、費用昂貴等原因，不太適合用于大規(guī)模胰腺癌篩查。
在體檢及醫(yī)院常用的平掃 CT 圖像上，同樣由于圖像對比度低，很難識別早期胰腺病變，容易出現(xiàn)漏診或誤診。
因此，胰腺癌的早篩早治具有重要的臨床意義，在篩查手段上進行革新也顯得尤為必要和關(guān)鍵。AI 技術(shù)或許能夠幫助我們解決這個問題。
在 PANDA 論文中，基于阿里達摩院的醫(yī)療 AI 技術(shù)，上海市胰腺疾病研究所、浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院、中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院、復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院、布拉格查理大學第一附屬醫(yī)院、上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院、約翰霍普金斯大學等機構(gòu)首次提出以「平掃 CT+AI」進行大規(guī)模的胰腺癌早期篩查。
PANDA 模型在這十多家頂尖醫(yī)療機構(gòu)進行了大規(guī)模多中心驗證，顯示了穩(wěn)定的泛化性能。此外，在上海市胰腺疾病研究所的體檢、急診、門診、住院等場景中實驗，僅通過最簡單的平掃 CT，就在 2 萬多真實世界連續(xù)病人群體中發(fā)現(xiàn) 31 例臨床漏診病變，至今已有兩例早期胰腺癌病患已完成手術(shù)治愈。
目前，這項研究成果已向全球醫(yī)生和研究人員開放。
這也是中國放射影像領(lǐng)域的科研成果首次登上《自然醫(yī)學》雜志：
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41591-023-02640-w
開放地址：https://g.alicdn.com/medical-engineering/d3viewer/0.0.87/index.html#/panda
在 AI 加醫(yī)療領(lǐng)域，我們見證過很多醫(yī)療影像的研究成果，本次登上 Nature 子刊的工作有哪些創(chuàng)新之處？首先，針對胰腺癌變位置隱匿、在平掃 CT 圖像中無明顯表征等特點，達摩院為 PANDA 設(shè)計了獨特的深度學習框架，模型概覽圖如下所示。
上圖 a 為模型開發(fā)，PANDA 以平掃 CT 為輸入，輸出可能發(fā)生胰腺病變（包括 PDAC 和其他 7 種非 PDAC 亞型）的概率和分割掩碼。PANDA 接受了病理學確認的病患級標簽和增強 CT 圖像上標注的病變掩碼的訓練。b 為模型評估，評估 PANDA 在內(nèi)部測試組、平掃和增強 CT 、外部測試組、胸部 CT 組等真實世界多場景研究中的性能。c 為模型臨床轉(zhuǎn)化。
達摩院醫(yī)療 AI 高級算法專家、也是這次 PANDA 項目負責人張靈進一步解釋稱，PANDA 并不是一個單純的視覺分割模型，它兼具了分割、檢測和分類功能，其深度學習框架（下圖）包括以下三階段，每個階段「各司其職」。
第一，通過構(gòu)建分割網(wǎng)絡(luò)（U-Net）來定位胰腺；
第二，采用多任務網(wǎng)絡(luò)（CNN）來檢測異常情況；
第三，采用雙通道 Transformer 來分類并識別胰腺病變的類型。
達摩院在 PANDA 模型的訓練策略上也做了一系列技術(shù)創(chuàng)新，從而實現(xiàn)了高效、安全的大規(guī)模胰腺癌早篩。其中的關(guān)鍵在于如何更加準確地識別平掃 CT 圖像中肉眼難以識別的細微病例特征。
同樣重要的是數(shù)據(jù)，AI 篩查模型的訓練需要醫(yī)生手工標注大量腫瘤，但平掃 CT 圖像對比度極低導致醫(yī)生幾乎無法標注。達摩院醫(yī)療 AI 團隊先讓合作醫(yī)生們在增強 CT 上勾畫，然后利用提出的知識遷移訓練方法，通過精確的適用于腹部 CT 圖像配準的算法將增強 CT 上的先驗知識遷移到平掃 CT 相應位置。這樣一來，以往 AI 識別癌癥普遍存在的勾畫難、標注難、訓練難等問題得到有效解決。
同時，由于該研究主要通過腹部 CT 訓練，而現(xiàn)實中胸部 CT 大量存在，達摩院算法團隊提出一種基于模擬裁剪的數(shù)據(jù)增強方法，解決了模型泛化到胸部 CT 通?？赡艹霈F(xiàn)胰腺腫瘤掃描不全的問題。
得益于 PANDA 訓練架構(gòu)和策略的創(chuàng)新，該研究構(gòu)建了迄今最大的胰腺癌腫瘤 CT 訓練集（包含 3208 名真實病人）。該 AI 算法在一個由全球十多家醫(yī)院約 6200 名患者組成的多中心隊列中進行了驗證，其中包括確診的胰腺癌病例和無胰腺病變的對照病例。
隨后，PANDA 進一步在包含 20530 名真實世界連續(xù)病例的多場景驗證中測得了 92.9% 的敏感性（判斷存在胰腺病變的準確率）和 99.9% 的特異性（正確判斷無病的幾率）。
截至目前，PANDA 模型已在醫(yī)院、體檢等場景被調(diào)用超過 50 萬次，幫助醫(yī)生成功發(fā)現(xiàn)多起臨床漏診的早期胰腺腫瘤病例，平均每 1000 次只出現(xiàn)一次假陽性。研究人員表示，未來還將持續(xù)進行多中心前瞻性臨床驗證， 以期改寫「胰腺腫瘤不推薦篩查」的悲觀論點。
復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科主任顧雅佳教授表示，這篇論文提出了一種有潛力的大規(guī)模胰腺癌篩查方法，在提升檢出率的同時，又不會給病人帶來額外的輻射與經(jīng)濟負擔，「設(shè)想一下，我們?nèi)ンw檢時做個最簡單的平掃 CT，就能查出有無胰腺癌，這將幫助到很多胰腺病人，減少悲劇的發(fā)生。」
達摩院醫(yī)療 AI 團隊負責人、IEEE Fellow 呂樂表示，這項研究是一個重要的里程碑，在臨床上證實了「平掃 CT+AI」的癌癥篩查技術(shù)路徑的可靠性。
構(gòu)建實用的 AI 影像診斷體系
AI 加持的醫(yī)療影像技術(shù)，正在為當前的醫(yī)學帶來各種新的可能性。
迄今為止，美國食品藥品監(jiān)督管理局 FDA 已批準了 300 多種醫(yī)療影像相關(guān)的人工智能工具。通過深度學習技術(shù)，醫(yī)生們可以在一些領(lǐng)域的病灶識別、標注、靶區(qū)勾畫等任務上獲得幫助，更快發(fā)現(xiàn)隱藏病灶，完成診斷、治療工作。
在癌癥的 AI 醫(yī)療影像工作上，此前大多數(shù)方法聚焦于協(xié)助醫(yī)生進行病灶檢測和診斷。此次 PANDA 研究帶來的突破，則為人們在基于影像的大規(guī)模多癌篩查上開辟了一條新道路，有望提高重大癌癥的早期檢出率。
對于達摩院的 AI 加醫(yī)療探索來說，這只是近年來成果的一小部分。
「AI 應該解決那些尚未得到解決、而病人又真切需要的臨床需求。我們需要在病人性命攸關(guān)的臨床問題上，做出不可或缺的貢獻?！惯@是達摩院醫(yī)療 AI 團隊秉持的醫(yī)療技術(shù)第一性原則。
我們了解到，達摩院醫(yī)療 AI 團隊長期致力于 AI 與醫(yī)療影像的融合研究，重點布局精準癌癥診療、精準慢性病診療、神經(jīng)退行性疾病預篩三大方向，其中研發(fā)了包括規(guī)模篩查、精準診斷、預后治療、響應評估在內(nèi)的全流程的癌癥診療技術(shù)。
除了技術(shù)探索之外，達摩院醫(yī)療 AI 團隊還與全球多家頂尖醫(yī)療機構(gòu)的合作，利用 AI 技術(shù)探索低廉、高效的多癌篩查新方法，希望通過一次平掃 CT 就能查出多種早期癌癥。
截至目前，相關(guān)工作已經(jīng)在胰腺癌、食管癌肺癌、乳腺癌、肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌等七種高發(fā)癌癥上取得階段性進展，相關(guān)研究成果先后登上 Nature Medicine、Nature Communications 等醫(yī)學期刊及 CVPR/MICCAI/IPMI 等 AI 頂會?？梢哉f基于醫(yī)療影像 AI 的前沿技術(shù)與癌癥篩查這個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了「雙向奔赴」。
達摩院的 AI + 醫(yī)療影像重要研究，還包括但不限于：
2022 年 10 月，其醫(yī)療 AI 團隊初步驗證了 AI 與平掃 CT 結(jié)合的技術(shù)可行性，敏感性和特異性均超過專家醫(yī)生水平，有望用于早期食管癌檢查，相關(guān)論文發(fā)表在了 MICCAI 2022；同月基于深度學習對頭頸癌 42 個危及器官進行高效精準自動規(guī)劃，有效減少放射治療并發(fā)癥，研究登上 Nature Communications。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33178-z
2023 年 6 月，針對 CV 領(lǐng)域的 OOD 難題提出全新醫(yī)學圖像語義分割框架，讓 AI 更準確識別腫瘤中的疑難罕見案例，并已在胰腺和肝臟腫瘤上得到驗證。該研究被 CV 頂會 CVPR 2023 評為 Highlight 論文。同月基于增強 CT 的胰腺腫瘤鑒別診斷也有了新進展，成果在醫(yī)學圖像處理頂會 IPMI 2023 上發(fā)表。
2023 年 8 月，發(fā)布多癌影像分析通用模型 CancerUniT ，利用增強 CT 實現(xiàn) 8 種主流癌癥的輔助診斷，研究成果被 CV 頂會 ICCV 2023 收錄。同月發(fā)布的首個可以分割全身 143 個器官的連續(xù)深度學習框架也被 ICCV 2023 接收。
CancerUniT 檢測、分割和診斷 8 種癌癥腫瘤的示例。圖源：https://arxiv.org/pdf/2301.12291.pdf
不久后，達摩院免費開放 100 件 AI 專利許可，其中有 3 件是專門針對癌癥的精準治療和解決關(guān)鍵的醫(yī)療圖像配準問題（后來在 10 月份 MICCAI 2023 Learn2Reg 競賽上， 達摩院相關(guān)醫(yī)療圖像配準技術(shù)以比較明顯的優(yōu)勢，獲得所有兩個賽道的冠軍）。
2023 年 10 月，基于 CT 圖像的肝臟腫瘤篩查與診斷、胃癌篩查、肺結(jié)節(jié)自動檢測及良惡性鑒別、胰腺癌預后等幾項工作也在 MICCAI 2023 發(fā)表。
再加上胰腺癌早期檢測模型 PANDA，達摩院的醫(yī)療 AI 技術(shù)，成為了一個又一個 AI for Science 的范例。
不僅如此，在達摩院的設(shè)想中，AI 不僅可以輔助醫(yī)生進行多個癌癥疾病篩查，同時還可以進行心臟病、腰椎、骨骼等疾病篩查，希望能在一張平掃 CT 的基礎(chǔ)上同時檢測出 8 種腫瘤和 5 種慢性病，實現(xiàn)基于醫(yī)療 AI 的普惠篩查。
據(jù)了解，達摩院已與浙大一院、復旦腫瘤、北醫(yī)三院等多家三甲醫(yī)院建立了臨床科研合作關(guān)系，其醫(yī)療 AI 產(chǎn)品已成功對接落地 30+ 家醫(yī)療影像合作伙伴，累計落地醫(yī)療機構(gòu)數(shù)超過 1000 家，為全球 2000 萬人次提供了智能化醫(yī)療健康服務。
結(jié)語
有了 AI + 平掃 CT 技術(shù)，我們或許可以想象：在未來通過完成常規(guī)、有限的體檢項目，我們就能在 AI 加持輔助下獲得很多疾病的篩查結(jié)果。
此外，在 AI 技術(shù)進一步實用化以后，不僅是醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，人們的就診記錄、行為模式，甚至聲音等各種信息都可以作為數(shù)據(jù)進行模型的訓練，并用于檢測病癥，為病人提供精準治療的數(shù)據(jù)決策支持。
而這些能幫助人們獲得健康的科技，會有一部分來自于阿里達摩院。
達摩院自 2017 年成立以來，一直以探索未知，以人類愿景為驅(qū)動力為目標，面向未來開展基礎(chǔ)科學和創(chuàng)新性技術(shù)研究。位于科技趨勢重要位置的 AI for Science，是其努力方向的重中之重。隨著近年來一系列技術(shù)突破和應用的鋪開，很多原本存在于我們想象中的事正在逐步實現(xiàn)。
「任何一家公司生命周期都是有限的，但能留下來的，是阿里巴巴的技術(shù)、經(jīng)驗以及對社會的擔當。達摩院必須要解決社會問題，才能活得長?！拐珩R云在達摩院創(chuàng)立之初所期許的，達摩院要成為一家面向未來、以科技解決重大社會問題的企業(yè)研究機構(gòu)。
迎戰(zhàn)「癌王」，實現(xiàn)大規(guī)模癌癥早篩的 PANDA，只是一個開始。