1、现 代 医 学 仪 器 与 应 用 2 0 0 7 年 第 1 9 卷 第 5 期1 前 言人 工 智 能 ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e , A I ) 是 当 前科 学 技 术 发 展 中 的 一 门 前 沿 科 学 , 它 是 由 M c -C a r t h y 等 在 1 9 5 6 年 发 起 的 关 于 机 器 模 拟 智 能的 学 术 讨 论 会 上 提 出 的 1 。 自 此 , 对 于 A I 的 研究 取 得 了 许 多 重 要 的 成 果 , 在 众 多 领 域 ( 如 机 器人 、 自 然 语 言 理 解 、
2、 专 家 系 统 、 图 像 识 别 、 地 质勘 探 、 石 油 化 工 、 军 事 、 医 疗 诊 断 等 ) 获 得 了 广 泛应 用 。 人 工 智 能 技 术 即 是 利 用 机 器 模 仿 人 类 的智 能 的 技 术 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 , 人 工 智 能技 术 在 医 疗 诊 断 中 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 越 来 越重 要 。2 人 工 智 能 技 术 在 临 床 医 疗 诊 断 应 用 中 的 进展人 工 智 能 技 术 在 医 疗 诊 断 中 的 应 用 是 在2 0 世 纪 5 0 年 代 后 期 才 开 始 出 现 的 , 如 用 在
3、一些 常 规 的 医 学 疾 病 诊 断 上 。 但 由 于 研 究 任 务 的复 杂 性 , 从 而 缩 小 了 医 疗 专 家 系 统 的 研 究 范围 。 此 外 , 经 典 的 人 工 智 能 理 论 还 存 在 着 某 些争 论 点 。在 人 工 智 能 的 应 用 中 , 存 在 着 一 个 最 基 本的 问 题 是 建 模 的 不 确 定 性 。 这 个 问 题 一 直 困 扰着 人 工 智 能 的 发 展 , 后 来 经 典 概 率 和 D e m P -s t e r S c h a f e r s 的 迹 象 理 论 被 应 用 到 这 个 领 域 ,以 及 后 来 的 贝
4、 叶 斯 网 络 成 为 最 受 欢 迎 的 工 具 ,它 取 代 了 利 用 符 号 的 不 确 定 性 跟 踪 不 确 定 性的 起 源 的 研 究 。 直 到 2 0 世 纪 8 0 年 代 中 期 ,P e a r l 的 形 式 论 才 使 得 贝 叶 斯 网 络 在 计 算 机 上成 为 易 处 理 。 从 那 时 起 , 人 工 智 能 才 在 临 床 诊断 问 题 上 得 到 了 实 施 。 当 今 2 1 世 纪 , 人 工 智 能技 术 的 医 学 虚 拟 应 用 不 仅 要 对 特 定 病 人 进 行模 拟 , 而 且 要 对 整 个 治 疗 过 程 中 可 能 出 现
5、的 反应 和 问 题 有 一 精 确 的 预 测 和 提 出 相 应 的 对 策 。这 就 是 2 1 世 纪 医 学 虚 拟 现 实 的 最 后 目 标 2 , 3 。但 是 , 大 部 分 系 统 并 不 直 接 利 用 人 工 智 能获 得 图 像 , 而 是 依 赖 由 观 察 者 建 立 的 主 观 观 察物 所 决 定 。 后 来 随 着 成 像 模 态 增 加 导 致 医 学 信息 超 载 等 问 题 的 出 现 , 自 动 化 技 术 才 逐 步 应 用到 医 学 影 像 领 域 中 。 由 于 自 动 化 技 术 能 帮 助 提高 诊 断 、 解 剖 整 形 、 功 能 图
6、的 再 现 性 ( 重 复 能 力 )等 , 加 之 人 们 固 有 的 视 觉 系 统 对 信 息 的 不 准 确性 和 不 确 定 性 处 理 的 缺 陷 , 从 而 有 必 要 从 多 模式 识 别 分 类 器 中 提 取 和 融 合 数 据 , 进 而 使 得 通过 迭 代 随 机 的 标 有 特 征 的 方 案 或 贝 叶 斯 分 类器 在 医 学 影 像 中 得 以 实 现 4 。3 人 工 智 能 技 术 在 临 床 医 疗 诊 断 中 的 应 用第 一 个 人 工 智 能 的 医 疗 专 家 系 统 早 在 5 0年 代 就 出 现 了 , 当 时 为 了 模 拟 病 人 的
7、病 症 和 疾病 之 间 的 关 系 , 主 要 是 医 学 领 域 知 识 被 融 合 到人 工 智 能 技 术在 临 床 医 疗 诊 断 中 的 应 用 及 发 展曾 照 芳1安 琳2( 1 . 重 庆 医 科 大 学 医 学 检 验 系 , 重 庆 4 0 0 0 1 6 2 . 总 装 备 部 重 庆 军 事 代 表 局 门 诊 部 , 重 庆 4 0 0 0 1 2 ) 摘 要 本 文 对 人 工 智 能 技 术 在 临 床 医 疗 诊 断 应 用 中 的 发 展 情 况 作 了 回 顾 , 并 且 对 新 崛起 的 人 工 智 能 神 经 网 络 技 术 在 医 学 诊 断 系 统
8、 中 的 应 用 作 了 概 述 。 阐 明 了 制 约 医 学 影 像 专 家 系 统发 展 的 主 要 原 因 是 高 级 视 觉 系 统 本 身 的 缺 陷 。 最 后 对 人 工 智 能 技 术 在 医 学 影 像 诊 断 系 统 中 的 发展 前 景 作 了 展 望 。 关 键 词 人 工 智 能 ; 医 学 诊 断 ; 专 家 系 统R E V I E W S综 述2 2现 代 医 学 仪 器 与 应 用 2 0 0 7 年 第 1 9 卷 第 5 期专 家 系 统 中 。 系 统 是 通 过 启 发 式 推 理 对 所 获 得的 数 据 ( 数 据 常 常 是 一 些 噪 声 并
9、 且 是 不 完 整 的先 验 知 识 ) 进 行 推 理 的 。医 学 专 家 系 统 ( m e d i c a l e x p e r t s y s t e m ,M E S ) 是 人 工 智 能 技 术 应 用 在 医 疗 诊 断 领 域 中的 一 个 重 要 分 支 5 。 在 功 能 上 , 它 是 一 个 在 某 个领 域 内 具 有 专 家 水 平 解 题 能 力 的 程 序 系 统 。 医学 诊 断 专 家 系 统 就 是 运 用 专 家 系 统 的 设 计 原理 与 方 法 , 模 拟 医 学 专 家 诊 断 疾 病 的 思 维 过程 , 它 可 以 帮 助 医 生 解
10、 决 复 杂 的 医 学 问 题 , 可以 作 为 医 生 诊 断 的 辅 助 工 具 , 可 以 继 承 和 发 扬医 学 专 家 的 宝 贵 理 论 及 丰 富 的 临 床 经 验 。3 . 1 人 工 智 能 技 术 在 神 经 网 络 技 术 中 的应 用2 0 世 纪 7 0 年 代 末 , 人 工 智 能 技 术 在 医 学诊 断 中 的 应 用 开 始 进 入 黄 金 时 代 , 但 也 遇 到 了几 个 难 题 : 一 是 知 识 获 取 难 ; 二 是 推 理 速 度 慢 ;三 是 自 学 习 和 自 适 应 能 力 差 。 正 在 人 们 寻 求 解决 难 题 的 办 法
11、时 , 在 神 经 生 理 和 解 剖 学 研 究 成果 及 V L S I 技 术 发 展 的 基 础 上 , 随 着 H o p f 以 网络 模 型 的 形 式 问 世 , A I 工 作 者 开 始 把 目 光 从 研究 人 脑 思 维 转 向 沉 默 了 1 0 年 的 、 以 研 究 人 脑连 接 机 制 为 特 点 的 人 工 神 经 网 络 ( A N N ) 1 。由 于 人 工 神 经 网 络 能 够 解 决 知 识 获 取 途径 中 出 现 的 “ 瓶 颈 ” 现 象 、 知 识 “ 组 合 爆 炸 ” 问题 , 以 及 提 高 知 识 的 推 理 能 力 和 自 组 织
12、 、 自 学习 能 力 等 , 从 而 加 速 了 神 经 网 络 在 医 学 专 家 系统 中 的 应 用 和 发 展 。 例 如 , 在 医 学 图 像 和 声 音识 别 方 面 , 日 本 三 菱 机 电 的 L S I 研 究 所 研 制 的“ 人 工 网 膜 基 片 ” , 能 快 速 、 准 确 地 识 别 数 量 极大 的 医 学 图 像 信 息 , 其 速 度 比 传 统 的 图 像 和 文字 识 别 系 统 快 数 万 倍 ; 在 医 学 诊 断 方 面 , 由S a i t o 等 人 研 制 的 基 于 P D P 网 络 的 医 疗 诊 治 系统 , 在 只 有 3 0
13、 0 例 训 练 样 本 的 情 况 下 , 其 诊 断准 确 率 与 传 统 的 专 家 系 统 完 全 一 致 ; S t e v e n 等研 制 的 基 于 D P 网 络 肌 电 信 号 识 别 系 统 , 准 确性 也 明 显 优 于 实 域 分 析 方 案 ; 我 国 的 王 存 冉 等人 研 制 的 基 于 逆 传 播 的 A N N 中 医 诊 治 系 统 、阎 建 国 等 人 研 制 的 基 于 R B F 网 络 的 新 生 儿 血糖 代 谢 系 统 等 , 在 疾 病 的 诊 治 过 程 中 均 取 得 了良 好 的 结 果 。随 着 A N N 的 兴 起 和 发 展
14、 , 有 些 学 者 提 出 :A N N 能 否 取 代 A I ? 笔 者 认 为 , A N N 只 是 A I 的一 个 分 支 。 众 所 周 知 , 传 统 的 A I 是 通 过 逻 辑 符号 模 拟 人 脑 逻 辑 思 维 来 实 现 其 智 能 的 , 而 A N N是 通 过 学 习 或 训 练 来 实 现 其 智 能 的 。科 学 已 经 证 明 , 人 的 大 脑 分 左 右 两 个 半球 , 左 半 球 主 要 串 联 地 进 行 基 于 符 号 的 逻 辑 思维 ; 右 半 球 主 要 并 联 地 进 行 记 忆 联 想 的 形 象 思维 。 A I 和 A N N
15、 正 好 分 别 执 行 大 脑 左 半 球 和 右半 球 的 功 能 , 两 者 各 施 其 责 , 不 可 替 代 。 如 果 把A I 和 A N N 结 合 起 来 进 行 研 究 , 必 将 会 使 医 学专 家 系 统 趋 于 更 加 完 善 和 成 熟 。3 . 2 基 于 人 工 智 能 神 经 网 络 技 术 的 专 家系 统 模 式类 似 传 统 的 基 于 逻 辑 心 理 专 家 系 统 模 式 ,新 型 的 基 于 神 经 网 络 的 知 识 处 理 系 统 由 神 经网 络 、 3 / D 变 换 器 、 D / S 变 换 器 和 解 释 机 构 等 组成 。 建
16、造 知 识 库 时 , 首 先 根 据 应 用 来 选 择 和 确定 神 经 网 络 结 构 , 再 选 择 学 习 算 法 , 对 于 求 解问 题 有 关 的 样 本 进 行 学 习 , 以 调 整 系 统 的 连 接权 值 , 完 成 知 识 自 动 获 取 和 分 布 式 的 存 储 , 构建 系 统 的 知 识 库 。3 . 3 基 于 人 工 智 能 神 经 网 络 技 术 模 型 的专 家 系 统 的 应 用基 于 大 脑 神 经 网 络 模 型 的 专 家 系 统 的 典综 述R E V I E W S2 3现 代 医 学 仪 器 与 应 用 2 0 0 7 年 第 1 9 卷
17、 第 5 期型 应 用 是 中 医 专 家 诊 断 系 统 。 传 统 的 中 医 专 家系 统 在 问 题 求 解 时 , 当 输 入 的 环 境 信 息 不 十 分明 确 , 导 致 系 统 性 能 降 低 , 这 必 然 也 会 降 低 诊断 的 准 确 性 。 而 基 于 神 经 系 统 结 构 和 功 能 模 拟基 础 上 的 神 经 网 络 , 可 以 通 过 对 实 例 的 不 断 学习 , 自 动 获 取 知 识 , 并 将 知 识 分 布 存 储 于 神 经网 络 中 ; 通 过 学 习 而 不 断 提 高 神 经 网 络 中 所 存储 知 识 的 数 量 和 质 量 , 并
18、 体 现 在 神 经 网 络 中 神经 元 之 间 连 接 权 值 的 调 整 过 程 中 。 系 统 将 根 据神 经 网 络 当 前 所 接 收 到 的 实 例 问 题 的 相 似 性而 确 定 输 出 。 当 环 境 信 息 不 十 分 完 全 时 , 仍 然可 以 通 过 计 算 而 得 出 一 个 比 较 令 人 满 意 的 解答 。 因 而 所 构 造 的 中 医 专 家 诊 断 系 统 不 仅 可 以在 一 定 程 度 上 克 服 知 识 获 取 “ 瓶 颈 ” 的 问 题 , 而且 也 将 提 高 系 统 的 强 壮 性 。3 . 4 人 工 智 能 技 术 在 医 学 影 像
19、 诊 断 中 的应 用尽 管 人 工 智 能 技 术 应 用 到 了 临 床 领 域 中的 各 个 方 面 ( 组 织 病 理 学 、 传 染 病 学 、 内 科 学 、 精神 病 学 等 ) , 但 在 医 学 影 像 领 域 中 , 几 乎 没 有 一个 专 家 系 统 得 到 了 实 现 。 在 大 部 分 情 况 下 , 放射 学 方 面 的 专 家 系 统 主 要 依 赖 于 临 床 医 生 建立 起 来 的 主 观 印 象 , 例 如 , 中 心 骨 组 织 异 常 性诊 断 的 放 射 学 影 像 解 释 系 统 ( R I I S ) 、 超 声 心 动图 诊 断 的 D I
20、A V A L 系 统 、 官 能 性 语 言 障 碍 诊 断“ 医 生 ” ( S D D ) 等 等 , 所 有 这 些 诊 断 系 统 的 性 能依 赖 于 用 户 。 近 年 来 出 现 了 一 种 新 型 医 用 成 像技 术 微 波 激 励 热 声 C T 6 , 其 优 势 在 美 国 已引 起 了 多 方 面 的 高 度 重 视 和 支 持 。 在 短 短 的 时间 内 , 它 就 得 到 了 美 国 军 队 医 用 研 究 和 物 资 装备 司 令 部 、 国 家 基 金 委 、 国 家 健 康 学 会 和 得 克萨 斯 州 高 等 教 育 协 调 委 员 会 等 部 门 的
21、 拨 款 支持 7 , 8 。制 约 影 像 专 家 系 统 发 展 的 难 点 在 于 高 级视 觉 系 统 本 身 的 原 因 , 如 从 医 学 扫 描 器 上 获 得的 数 据 可 能 是 噪 声 或 者 是 模 糊 的 , 而 代 表 解 剖结 构 上 的 或 功 能 上 的 分 区 常 常 是 复 杂 的 和 不确 定 的 , 当 处 理 这 些 被 称 作 为 证 据 的 不 确 定 的非 精 确 信 息 时 , 大 大 增 加 了 专 家 系 统 设 计 的 复杂 性 。 此 外 , 每 一 种 成 像 模 态 和 每 一 种 病 理 学特 征 需 要 进 行 初 级 的 特
22、征 提 取 , 虽 然 标 准 的 计算 机 视 觉 技 术 可 能 被 使 用 ( 如 模 板 匹 配 、 H o u g h转 换 、 区 域 增 强 等 ) 。 加 之 某 一 种 型 号 扫 描 器 具有 单 一 性 与 被 检 者 的 多 样 性 之 间 的 矛 盾 , 所 有这 些 困 难 与 计 算 机 视 觉 有 关 的 计 算 代 价 一 起阻 碍 了 自 动 影 像 专 家 系 统 的 发 展 。目 前 , 医 学 影 像 专 家 系 统 所 需 要 的 软 硬件 技 术 比 较 容 易 达 到 , 因 此 使 得 它 实 现 起 来变 得 相 对 容 易 。 现 在 的
23、医 学 图 像 普 遍 是 以 数字 互 连 的 格 式 保 存 起 来 的 。 D I C O M 格 式 已 经成 为 一 种 国 际 标 准 了 , 绝 大 部 分 的 硬 件 和 软件 制 造 商 在 存 储 和 传 输 所 有 的 医 学 成 像 模 态图 像 时 已 经 被 认 可 , 网 络 设 施 和 互 联 网 也 允许 为 全 球 的 各 种 健 康 和 保 健 机 构 提 供 相 应 的医 学 影 像 数 据 库 共 享 和 技 术 联 合 开 发 。 目 前 ,随 着 微 电 子 技 术 和 计 算 机 技 术 的 快 速 发 展 ,过 去 很 多 制 约 医 学 专
24、家 系 统 发 展 的 因 素 也 相继 解 决 了 。因 此 , 近 来 人 们 在 医 学 中 应 用 计 算 机 视 觉技 术 变 得 有 兴 趣 了 , 应 用 到 医 学 影 像 学 方 面 的初 级 特 征 提 取 技 术 及 成 像 设 备 ( C T , M R I , P E T ,X 线 , 超 声 等 9 ) 得 到 了 广 泛 的 研 究 和 应 用 。 例如 , 在 乳 房 X 线 照 片 中 自 动 检 测 丛 生 的 小 钙 化点 的 线 性 滤 波 和 阈 值 匹 配 方 法 , 已 经 被 证 实 提高 了 放 射 学 专 家 的 诊 断 精 确 率 1 0
25、。 其 他 的 应 用 ,如 肺 部 肿 瘤 的 计 算 机 检 测 , 心 脏 大 小 的 计 算 分R E V I E W S综 述2 4现 代 医 学 仪 器 与 应 用 2 0 0 7 年 第 1 9 卷 第 5 期析 , 胸 部 放 射 片 上 腔 隙 性 疾 病 的 定 性 , 血 管 角质 瘤 影 像 的 自 动 跟 踪 , 纹 理 分 析 应 用 到 超 声 扫描 , X 射 线 照 相 术 和 C T 图 像 等 已 经 在 一 些 例子 中 较 成 功 地 得 到 了 证 明 。 C T 图 像 上 肺 气 肿的 计 算 机 检 测 准 确 率 已 经 达 到 了 9 7
26、. 3 % , 可 是对 复 杂 的 临 床 情 况 , 这 种 方 法 也 暴 露 出 了 它 们的 局 限 性 。 例 如 , 为 一 个 检 查 对 象 的 全 范 围 C T检 查 和 两 种 不 同 模 态 成 像 的 图 像 所 设 计 的 纹理 分 析 器 的 诊 断 准 确 率 下 降 到 了 7 0 % 。 为 了 克服 这 种 缺 陷 , 专 家 们 强 调 在 高 级 规 则 上 必 须 综合 临 床 知 识 。4 人 工 智 能 技 术 在 医 疗 诊 断 应 用 中 的 展 望随 着 现 代 科 学 技 术 的 发 展 , 未 来 的 医 学 专家 系 统 发 展 趋
27、 势 可 能 会 具 备 以 下 几 个 特 点 。 医 学 专 家 系 统 应 以 解 决 一 些 特 殊 的 问题 为 目 的 。 这 些 特 殊 的 问 题 在 计 算 机 视 觉 和 人工 智 能 方 面 没 有 被 研 究 过 。 人 类 对 可 视 图 案 的认 识 不 同 于 常 规 的 推 理 , 并 且 代 表 明 确 的 领 域知 识 常 常 在 视 觉 认 识 过 程 中 下 意 识 地 忽 略 了被 用 到 的 那 些 因 素 。 医 学 专 家 系 统 的 模 型 可 能 会 是 以 多 种智 能 技 术 为 基 础 , 以 并 行 处 理 方 式 、 自 学 能 力
28、 、记 忆 功 能 、 预 测 事 件 发 展 能 力 为 目 的 。 目 前 发展 起 来 的 遗 传 算 法 、 模 糊 算 法 、 粗 糙 集 理 论 等非 线 性 数 学 方 法 , 有 可 能 会 跟 人 工 神 经 网 络 技术 、 人 工 智 能 技 术 综 合 起 来 构 造 成 新 的 医 学 专家 系 统 模 型 。 这 些 技 术 必 将 会 推 动 医 学 专 家 系统 一 场 新 的 革 命 , 因 为 人 工 神 经 网 络 技 术 具 有强 大 的 自 适 应 、 自 处 理 、 自 学 习 、 记 忆 功 能 等 ,如 Y u j i 等 人 基 于 螺 旋 C
29、 T 图 像 的 冠 状 动 脉 钙化 点 的 诊 断 系 统 , 就 是 神 经 网 络 在 医 学 专 家 系统 中 应 用 的 一 个 很 好 例 子 。随 着 计 算 机 技 术 、 人 工 智 能 技 术 、 遗 传 算法 、 人 工 神 经 网 络 技 术 等 一 些 非 线 性 技 术 的 发展 和 成 熟 , 使 我 们 开 发 出 新 的 医 学 专 家 系 统 成为 现 实 。 我 们 相 信 , 未 来 的 智 能 医 学 诊 断 和 治疗 专 家 系 统 将 成 为 医 生 们 最 得 力 的 助 手 , 它 将为 各 种 疾 病 的 预 防 、 诊 断 和 治 疗 作
30、 出 更 大 的 贡献 。参 考 文 献 1 陈 真 诚 , 等 . 人 工 智 能 技 术 及 其 在 医 学 诊 断 中 的 应用 及 发 展 J . 生 物 医 学 工 程 杂 志 , 2 0 0 2 , 1 9 ( 3 ) :5 0 5 - 5 0 9 . 2 J a m e s D , W e s t w o o d . M e d i c i n e M e e t s V i r t u a R e a l i t y M . 2 0 0 1 . I O S P r e s s , 2 0 0 1 . 3 M e t i n A k a y , e t a l . I n f o
31、 r m a t i o n T e c h n o l o g i e s i nM e d i c i n e M . H o b o k e n : J o h n W i l e y 2 4( 5 ) : 2 0 1 - 2 0 6 . 5 邵 虹 . 小 型 微 型 计 算 机 系 统 M , 2 0 0 3 , 3 : 2 4 ( 3 ) . 6 吴 石 增 . 一 种 新 型 医 用 成 像 技 术 微 波 激 励 热声 C T J . 国 外 医 学 生 物 工 程 分 册 , 2 0 0 3 , 2 6 ( 2 ) . 7 K u G , W a n g L V . S c
32、a n n i n g m i c r o w a v e i n d u c e dt h e r m o a c o u s t i c t o m o g r a p h y : s i g n a l , r e s o 1 u t i o n , a n dc o n t r a s t J . M e d P h y s , 2 0 0 1 , 2 8 ( 1 ) : 4 - 1 0 . 8 X u M , K u G , W a n g L V . M i c r o w a v e i n d u c e d t h e r -m o a c o u s t i c t o m
33、 o g r a p h y u s i n g m u l t i s e c t o r s c a n i n g J . M e d P h y s , 2 0 0 1 , 2 8 ( 9 ) : 1 9 5 8 - 1 9 6 3 . 9 C h a b a t F , H a n s e l l D M . Y a n g G Z , C o m p u t e r i z e dd e c i s i o n s u p p o r t i n m e d i c a l i m a g e J . I E E E E n g i -n e e r i n g i n M e d
34、 i c i n e a n d B i o 1 o g y , 2 0 0 0 , 5 : 8 9 - 9 6 . 1 0 F r a n c o i s C , D a v i d M H , G u a n g Z Y . C o m p u t e r i z e dd e c i s i o n s u p p o r t i n m e d i c a l i m a g e J . I E E E E n g i -n e e r i n g i n M e d i c i n e a n d B i o 1 o g y , 2 0 0 0 , 5 : 8 9 - 8 9 .#$%&综 述R E V I E W S2 5
