官恒

（廣州工商學院 廣東省廣州市 510850）

智能醫(yī)療是以互聯(lián)網(wǎng)為依托，通過基礎設施的搭建及數(shù)據(jù)的收集，將人工智能技術及大數(shù)據(jù)服務應用于醫(yī)療行業(yè)中，提升醫(yī)療行業(yè)的診斷效率及服務質(zhì)量。人工智能的應用領域如圖 1 所示。具體來講，人工智能特別適用于醫(yī)學影像診斷、慢性病管理和生活方式指導，疾病排查和病理研究、藥物開發(fā)等領域，并在精準醫(yī)學方面幫助填補基因型與表現(xiàn)型的區(qū)別。

智能醫(yī)療的三層結構如圖 2 所示；其中應用層是人們最為熟悉的，也是患者和醫(yī)生接觸最為緊密的。技術層和基礎設施層則需要涉及相關專業(yè)知識。

1 計算機在醫(yī)療領域的發(fā)展

隨著新時代計算機技術的不斷發(fā)展，計算機在臨床醫(yī)療領域得到了更高的提升。計算機的優(yōu)點在臨床的輔助診斷、醫(yī)學院的輔助教學、醫(yī)學的基礎科學研究等方面逐漸嶄露頭角[5]。現(xiàn)代化的醫(yī)療系統(tǒng)和醫(yī)療數(shù)據(jù)庫，有效的收集、存儲了各項醫(yī)療數(shù)據(jù)；新型的醫(yī)療系統(tǒng)和醫(yī)療技術為患者提供更加專業(yè)的治療方案。

1.1 HIS系統(tǒng)

現(xiàn)代醫(yī)院普遍采用HIS(Hospital Information System)系統(tǒng)，HIS 系統(tǒng)將醫(yī)院的各個部門的日常管理清晰化，使得每一個流程像計算機CPU 的指令流水一樣有章可循，有效地提高了管理效率，降低了管理成本。將傳統(tǒng)的手寫病例電子化，形成電子病例檔案；患者在就診時就無須帶著各種各樣的病例文件來回奔波；將可以電子化的醫(yī)學影像實行電子文件式存儲，減少患者不必要的經(jīng)濟支出。

圖1：人工智能的應用領域

圖2：智能醫(yī)療的三層結構

醫(yī)生可以通過計算機與移動互聯(lián)網(wǎng)快速的獲得病人的病情，更加快速的對病人的治療方案提出優(yōu)化建議。

1.2 大數(shù)據(jù)健康碼、行程碼

在新冠肺炎疫情的防控中，計算機技術亦表現(xiàn)了巨大的能量；研究人員利用算法與數(shù)據(jù)分析，在短時間內(nèi)迅速構建一個可以覆蓋全國的“信息網(wǎng)”（大數(shù)據(jù)行程碼），有效的保障了人民的生命安全，有效避免了疫情的“反彈”傳播[1]。

2 人工智能的應用領域與醫(yī)療的相關概述

2.1 模式識別

模式識別是指對于某些客體進行定量的或結構的描述。由研究人員研究出一種自動生成技術，由計算機自動地將待識別的模式分配到各個模式類中。例如：在醫(yī)療領域，主治醫(yī)生結合計算機對人體細胞顯微圖像進行分析，可確定被檢查的內(nèi)臟器官是否發(fā)生病變。

2.2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是利用計算機構成存儲量極大的知識庫，把各類專家豐富的知識經(jīng)驗、各類臨床科室積累的患者病例，以數(shù)據(jù)庫的形式存放在一個龐大的“知識庫”內(nèi)，通過編寫專用的軟件，根據(jù)用戶輸入查詢的要求，向用戶做出所要求的解答。Internet 的服務能力日益倍增，遠程醫(yī)療、虛擬醫(yī)療也可以得到飛躍式的進步。

2.3 機器人與醫(yī)學

機器人的出現(xiàn)也是人工智能領域的一項重要應用。隨著達芬奇手術機器人在全球的推廣應用機器人，醫(yī)用機器人也作為一個獨立的分支，開始步入人們的視線。在此領域中，伴隨著人工智能技術、語音視覺識別技術的不斷深化應用，醫(yī)用機器人也開始滲透到臨床應用的方面之中。

3 智能醫(yī)療之達芬奇手術機器人

達芬奇手術機器人是一種高級智能機器人手術平臺，它是由外科醫(yī)生控制臺、床旁機械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成，是一種先進的腹腔鏡系統(tǒng)。達芬奇手術機器人的設計理念是通過使用微創(chuàng)的手術方法，實施復雜的臨床外科手術，為泌尿外科和胸外科手術帶來了巨大的飛躍[3]。

3.1 手術機器人的工作原理

控制臺是手術室無菌區(qū)外的主刀醫(yī)生操作的兩個主控制器和腳踏板，可以控制機器人和三維高清內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。控制臺可以使機器人末端的手術器械與主刀醫(yī)生的雙手進行同步的手術動作，實現(xiàn)醫(yī)用立體目鏡的效果。床旁機械臂系統(tǒng)是達芬奇手術機器人的操作部件，它是由助手醫(yī)生在無菌區(qū)內(nèi)操作；助手醫(yī)生負責更換器械和內(nèi)窺鏡，協(xié)助主刀醫(yī)生完成微創(chuàng)手術。為確?；颊叩氖中g安全，助手醫(yī)生要對于床旁機械臂系統(tǒng)的運動具有十分精準的控制能力。成像系統(tǒng)的內(nèi)部裝有達芬奇手術機器人的核心芯片處理器以及圖像處理系統(tǒng)，它是由護士在無菌區(qū)外進行操作。達芬奇手術機器人的內(nèi)窺鏡為三維高清鏡頭，具有很高的分辨率，可以將微小的手術區(qū)域放大到十倍以上以供主刀醫(yī)生實施更加精準的手術操作；成像系統(tǒng)可以提供清晰的患者手術創(chuàng)面的立體圖像，使得微創(chuàng)手術的操作距離可以得到更加準確、有效的把握，提升了傳統(tǒng)腹腔鏡的手術操作精準度。

3.2 手術機器人臨床優(yōu)勢

達芬奇手術機器人借助計算機技術，輔以人工智能的方式，使得微創(chuàng)外科邁向了一個更高的平臺。手術操作更加精確，與二維視覺的腔鏡手術相比，三維視覺可以放大10-15 倍，手術的精確程度大大增加；手術部位的創(chuàng)傷切口變小，患者術后恢復時間更快。它的出現(xiàn)與臨床應用，使外科手術的精度超越了人手的極限，是一個非常優(yōu)秀的智能醫(yī)療科技產(chǎn)品。

4 智能醫(yī)療的應用

2020年年初，由于新型冠狀病毒疫情的爆發(fā)，國內(nèi)的醫(yī)療衛(wèi)生體系受到了巨大考驗。人工智能技術的加入極大地緩解了整個醫(yī)療體系的壓力，從疫情防控、病情診斷、患者治療、患者后期康復，貫穿了整個醫(yī)療體系。

4.1 AI人臉識別+體溫檢測系統(tǒng)

全國各地的許多醫(yī)院都引入了AI 人臉識別+體溫測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以快速對大流量的進入人群進行高精度的體溫測量。

AI 人臉識別+體溫檢測系統(tǒng)的特點：

（1）基于深度學習的嵌入式人臉識別算法，識別速度小于1s。

（2）內(nèi)置的測溫傳感模組，能快速測出人的面部的體表溫度。

圖3：識別過程

（3）利用技術（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡CNN）提取辨析人臉特征，最大化減輕了因人臉角度、光線、表情等不利因素對比對結果的影響。

（4）環(huán)境適應性強，穩(wěn)定性高，安裝在醫(yī)院入口處，白天黑夜均可識別。

（5）支持繼電器開關信號，門禁管理安全省心。

4.2 人臉識別算法流程

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）隸屬于人工智能方面里的深度學習網(wǎng)絡模塊，是人臉識別算法中的關鍵技術。CNN通常由三部分組成：神經(jīng)元（cell）、損失函數(shù)（Loss Function）、激活函數(shù)（Activation Function）。其中，神經(jīng)元（cell）可分為輸入層、隱含層、輸出層三類；損失函數(shù)（Loss Function）會在每次網(wǎng)絡訓練后衡量本次分類結果與真實類別之間的差距，并基于此優(yōu)化、更新網(wǎng)絡參數(shù)；激活函數(shù)（Activation Function）將線性的分類問題進行非線性轉化，使得神經(jīng)網(wǎng)絡可以更好的解決較為復雜的問題，通常由sigmoid、tanh 等函數(shù)構成。

攝像頭拍攝得到的人臉圖片，通常由若干個像素組成，圖片中的數(shù)字表示像素亮度，0 代表黑色，255 代表白色。因此，圖片在計算機中可以簡化為若干個數(shù)字組成的多維矩陣。在CNN 的輸入層中，輸入格式保留了圖片本身的結構。對于RGB 格式（彩色）的圖片，CNN 的輸入層是一個三維神經(jīng)元；RGB 中的每一個顏色通道都有一個矩陣。CNN的卷積層隸屬于隱含層之中，卷積層有一組過濾器組成，對于輸入的RGB 圖像（三維神經(jīng)元），卷積層的過濾器也應當是三維的，將各個重疊元素之間進行乘法運算，最后累加，得到結果。

5 人工智能與醫(yī)療領域的探究

近年來，人工智能(AI)技術在醫(yī)療領域的發(fā)展受到了越來越多的關注。人工智能在醫(yī)療領域的應用，可以從改善醫(yī)療服務質(zhì)量到提高醫(yī)療效率等多個方面發(fā)揮作用。

首先，人工智能的應用可以分為兩大類：計算機輔助診斷和醫(yī)療機器人。計算機輔助診斷是利用人工智能技術來幫助醫(yī)生更準確、快速地診斷病情，可以提高診斷準確率，減少醫(yī)療誤差。例如，美國的谷歌公司開發(fā)了一種AI 技術，可以比醫(yī)生更準確地診斷心臟病。另一方面，醫(yī)療機器人能夠自動執(zhí)行一些醫(yī)療任務，比如遞送藥物、提供藥物治療等。

此外，人工智能技術還能夠用于智能醫(yī)療設備的研發(fā)。智能醫(yī)療設備既可以收集病人的健康數(shù)據(jù)，又可以將這些數(shù)據(jù)與醫(yī)療領域的數(shù)據(jù)庫進行比較，從而分析病人的病情，提出合理的治療方案。由此觀之，智能醫(yī)療設備可以提高醫(yī)療效率，降低醫(yī)患之間的溝通成本，也可以為病人帶來更好的醫(yī)療體驗。

在技術發(fā)展方面，人工智能技術有望在醫(yī)療領域取得更多的成就。例如，我們可以利用無人機來運送藥品搶救傷員。此外，人工智能技術還可以被用于智能藥物研發(fā)，使得藥物研發(fā)更加高效。相信在未來，人工智能技術還可以被用于進行基因治療，從而提高疾病的治愈率。隨著人工智能技術的發(fā)展，未來人工智能在醫(yī)療領域的應用將越來越廣泛。

6 智能醫(yī)療與醫(yī)用機器人

醫(yī)用機器人是人工智能技術在醫(yī)療領域的重要應用，它將感應、決策、行為和反饋編織成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，并分為導航控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)，視覺識別控制系統(tǒng)，操作控制系統(tǒng)。用于手術的醫(yī)用機器人，針對不同的組織器官軟硬條件，手術要求也各不相同，因此出現(xiàn)了專門的“單科手術機器人”。例如，骨科手術機器人，它能夠實現(xiàn)精確定位病灶部位，通過成像與影視導航，實時精確的切除病灶。在“置換骨植入物”手術中，對于手術機器人的定位精度、人機協(xié)調(diào)性、反饋靈敏性都提出了極高的要求[6]。在新冠肺炎疫情的防控中，醫(yī)用采樣機器人在大規(guī)模的核酸采樣和抽血中也得到了初步的采用。疫情時期的采樣工作，大多數(shù)都是人工采樣。人工采樣的工作量大,重復性強，醫(yī)生患者雙方的傳染風險都很高。采樣機器人以機器人視覺識別、定位合理的采樣部位，結合物理學的力反饋傳感器裝置，做到采樣過程的力度可控，在保證采樣的有效性的同時，能更有效的防止病毒的傳播和感染[4]。

此外，穿刺機器人可以通過精準的圖像定位，減少主觀因素的影響，降低勞動強度和患者射線輻射量，極大的提高手術效率和精確度，減少傷害的產(chǎn)生；而醫(yī)用放療手術機器人則擁有多角度、多關節(jié)的擺放能力，對應的擺放精度、靈活性和空間占有率都得到了大幅度的提高，從而保證了整個放療手術的有效性和快捷性。由于目前大量復雜手術的學習時間過長，成本過高[2]。對于一位實習醫(yī)生來講，若想成長為一個合格熟練的主刀手術醫(yī)生，需要進行大量的手術演練和手術實操培訓。醫(yī)用手術機器人可以大幅縮短手術學習的時間，提高實習醫(yī)生手術學習的效率，幫助醫(yī)生能夠更快的達到標準化的手術操作水平。

醫(yī)用機器人領域日新月異，每天全球都在傳來激動人心的臨床試驗應用進展。規(guī)范好醫(yī)用機器人的開發(fā)和使用控制，規(guī)避可能產(chǎn)生的風險點，是我們接下來需要不斷學習和思考的要求。

7 結語

計算機科學技術和人工智能技術與醫(yī)療領域，二者看似是“風馬牛不相及”的關系；但是從目前的科學進步以及科技發(fā)展來看，計算機人工智能可以為醫(yī)療領域帶來很多的幫助，它可以幫助我們有效的改善一些現(xiàn)有的醫(yī)療服務，使智能醫(yī)療變?yōu)榭赡?。本文從機器學習算法和智能醫(yī)療機器人入筆淺談，了解智能醫(yī)療對于現(xiàn)代醫(yī)療的改善與應用。然而，由于科技的快速發(fā)展，計算機和人工智能技術在醫(yī)療領域的應用也存有一定風險；因此，在發(fā)展智能醫(yī)療時，一定要遵循道德原則和法律規(guī)定，確保技術的安全性和有效性。相信在未來，在計算機人工智能技術的發(fā)展下，我們能夠實現(xiàn)更高質(zhì)量的醫(yī)療服務，更好的為病患治疾病，讓大家一起擁抱更好的明天。