未来医学时代——人工智能诊疗

王锡山

未来医学时代
——人工智能诊疗

王锡山

王锡山 教授，主任医师，博士生导师。现任国家癌症中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院结直肠外科主任。主要从事大肠癌等腹腔肿瘤基础及临床研究。主要学术兼职：中国抗癌协会大肠癌专业委员会候任主任委员、中国抗癌协会大肠癌青年委员会主任委员、中国医师协会结直肠肿瘤专业委员会主任委员，中国抗癌协会肿瘤转移专业委员会副主任委员、中国抗癌协会整合肿瘤学分会第一届委员会副主任委员，中华医学会肿瘤学分会结直肠医师专业学组副组长，兼任中华结直肠疾病电子杂志总编辑、《中国肿瘤临床与康复》副总编辑、《中华胃肠外科杂志》《中华实验外科杂志》《中国实用外科杂志》《肿瘤研究与临床杂志》《国际免疫学杂志》编委等职务。先后参与承担包括国家重点研发计划“精准医学研究”重点项目“结直肠癌诊疗规范及应用方案的精准化研究”、国家“十一五”科技支撑计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金等二十余项国家级省部级科研课题。发表医学论文300多篇，其中SCI收录40余篇，主编结直肠癌专著9部，主编出版卫生部音像教材20多部，多次获得省部级奖励。

人工智能的整体研究目标是创造出允许计算机和机器以智能方式运行的技术。人工智能研究包括推理、知识、规划、学习，自然语言处理（沟通）、感知以及移动和操纵对象的能力。人工智能应用航空、工业制造、航海、家庭服务以及管理，展示了很多优势。人工智能具有加速生物医学科学进展和改变医疗保健的巨大潜力，在医学，人类生物学和医疗保健方面发挥重要作用。在医学的发展中比较依赖其他学科发展。理念改变技术，技术也会改变理念。同样，智能医疗也必将改变未来的医疗模式。

人工智能； 医学； 诊断； 治疗； 智能医疗； 人机对话； 机器人

人工智能一词最早是由约翰麦卡锡在1956年的达特矛斯会议上提出的。人工智能（artif i cial intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，是在计算机科学、控制论、信息论、神经心理学、哲学、语言学等多种学科研究的基础上发展起来的一门综合性很强的交叉、前沿学科［1］。

一、人工智能概述

人工智能是计算机科学的一个分支，也被认为是21世纪三大尖端技术（基因工程、纳米科学、人工智能）之一。它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，人工智能学科研究的主要内容包括：知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计及专家系统等方面［2］。

人工智能分为弱人工智能、强人工智能及超级智能。弱人工智能只不过看起来像是智能的，但并不真正拥有智能，也不会有自主意识，只是帮助人类完成某些任务的工具或助理。强人工智能是基于心智的计算模型，以通用数字计算机为载体的AI程序可以像人类一样认知和思考，达到或者超过人类智能水平。强人工智能分为两类：（1）类人的人工智能，即机器的思考和推理像人的思维一样；（2）非类人的人工智能，即机器与人有完全不一样的知觉、意识及推理方式。超级智能是强人工智能的更高端版，英国牛津大学人类未来研究院的尼克•波斯特洛姆认为超级智能在几乎所有领域远远超过人类［3］。目前，主流科研集中在弱人工智能上，并在这一研究领域已经取得了可观的成就。而强人工智能的研究仍然在不断探索中。

人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，无论在理论和实践上都已自成一个体系。人工智能的发展和计算机科学技术的发展密不可分。除了计算机科学以外，人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。

二、人工智能的应用

（一）人工智能在非医学领域的应用

1992年5月，IBM公司制造的“深蓝”计算机战胜了俄罗斯国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。2016年3月，谷歌公司的人工智能AlphaGo机器人用一周时间与世界围棋顶级棋手李世石激战5场，以4：1的绝对优势取胜。人工智能在人机对弈取得的成就震撼了整个科技界。2006年以来，深度学习作为人工智能中的机器学习的一门分支，在语音识别、图像识别乃至自然语言处理方面的取得了较大进展，例如微软亚洲研究院运用深度神经网络开发的商用全自动同声传译系统、Yann LeCun及其团队在2012年运用卷积神经网络在ImageNet图像识别大赛中取得最好成绩［4］。2015年，美国伊利诺伊大学的研究小组将一些世界上最好的人工智能系统和人类智商进行比较，试验表明人工智能的智力目前已经达到了4岁儿童的水平。由麻省理工大学的研究人员开发的人工智能系统Concept Net也参与了和人类智商进行比较的研究，它在词汇和相似性方面占有绝对优势，但在推理和理解方面则差强人意。尽管如此，人工智能的突破速度已经达到了非常快速的速度。目前，人们与智能手机近半数的交互将通过苹果Siri、微软Cortana和谷歌Google Now等语音助手完成，有专家认为，人工智能在学习能力和自然语言能力上的改善会导致它们在今后几年里拥有跟人类一样的思维，也有人预测在未来的几十年后，人工智能将进军农业、教育、新闻出版业、金融业、机械加工业、服务业及医疗保健业等行业，随着人工智能的快速发展，很多职业将面临巨大挑战，未来职业变迁速度也将加快，也许未来很多职业将面临缩减甚至消失。

（二）人工智能在医学领域的应用

1.医学专家系统

专家系统是人工智能技术在医疗诊断领域中的一个最富有代表性和最重要的应用，专家系统是在某个领域内具有专家水平的智能推理系统。医学诊断专家系统（medical expert system，MES）就是运用专家系统的设计原理与方法，吸收了大量的知识和经验，模拟医学专家诊断疾病的思维活动及推理判断，得出与人类专家一样的结论。它可以帮助医生解决复杂的医学问题，可以作为医生诊断的辅助工具。1976年美国斯坦福大学的肖特列夫(Shortlif i e)等人成功研制的医学专家系统MYCIN，用于诊断和治疗细菌感染疾病的咨询系统。随后相继出现用于青光眼、贫血、艾滋病、皮肤癌、乳腺癌、肺癌、肝病等的医学专家系统［5］。

2.人工神经网络技术

人工神经网络（artif i cial neural networks，ANNs）是最近几年发展起来的一项新技术，是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的，并具备学习、自组织、泛化及训练的能力［6］。人工神经网络可以起到专家系统的作用，特别在分类、诊断以及基于分类的智能控制和优化求解方面，神经网络专家系统比传统的专家系统（指上述用概率统计法，数学模型建立的专家系统）有更优越的性能［7］。“沃森通路”是一套帮助沃森学习医生如何诊疗的人机互动程序，在“沃森通路”的辅助下，医学工作人员可检查沃森举出的病症和推论是否合理，然后将更多的信息和见解输入沃森系统。同时，纪念斯隆——凯特琳癌症中心、WellPoint公司及IBM合作开发了基于沃森技术的交互式肿瘤诊治技术，该技术通过持续基于ANN技术的深度学习，帮助肿瘤医生获得患者最新治疗信息，数据库信息包罗万象，包括300多份医学期刊、200余种教科书，以及美国国立综合癌症网络定期更新发布的临床指南等，医生通过这些海量数据训练内置ANN程序的沃森，让其给出最佳诊治建议，如对大量医疗数据进行整理总结，通过图像识别能力对病理切片及MRI图像进行诊断等。

三、人工智能应用在医疗领域的优势及不足

（一）人工智能的优势

1.辅助医生诊疗

人工智能是计算机学科的一个分支，对于繁重的重复劳动、计算及大量记忆来说，计算机要比人脑更能胜任，而且能够比人脑做得更快、更好。特别是在记忆大量的病历资料、医学文献、教科书、临床指南、药物说明书、影像图片及病理切片等方面，人工智能机器人要更胜一筹，但医生要掌握这些知识，可能需要几年甚至几十年的时间，而且要坚持不断学习，而人工智能系统只需要输入大量医学信息并不断更新就可以了。例如，谷歌、谷歌大脑与Verily公司联合开发了一款能用来诊断乳腺癌的人工智能，通过将病理切片处理成数码图像的方式，提供大量肿瘤组织和正常组织的病理切片，供这款人工智能学习，并与一位资深病理学家进行比较，共同分析130张切片，病理学家花了整整30个小时，依然以73.3%的准确率完败准确率达88.5%的人工智能。在同样的数量上，人工智能以高效率及高质量战胜了人脑。因此，也许在将来的临床工作中，对于一些繁重的工作，如病理诊断、化验单诊断或影像学诊断，人工智能完全可以起到辅助医生诊断的作用甚至替代医生进行独立诊断。

2.规范、统一医疗行为

也有专家指出：“人工智能可能改变如今中国医生过分个性化的医疗决定，让医疗行为更为规范、统一，从而解决地区医疗差异、不平衡问题，有利于分级诊疗的推进”。在现实生活中也常遇到这样一些情况，同样的病理片子，不同病理专家给出不同诊断；同样的影像片子，不同影像专家可能给出不同的判断；同一例患者在不同医院，经不同医生诊断给出不同的治疗方案，谁诊断的更准确?谁治疗的更正确? 我们可能各执一词，毕竟个体化治疗时代，没有最好的治疗只有最佳的治疗［8］。但对于因医生个人技术及水平问题导致误诊、漏诊、误治等情况，完全可以通过人工智能来弥补。经验不足的医生或许能从人工智能系统得到学习及提高。人工智能应用于医疗充分体现其原则性及规范性。

3.潜在社会效益

人工智能（AI）具有加速生物学和医学科学进展以及改变医疗保健的巨大潜力。可以提供高质量的医疗保健，为个体提供更有效，更简单及低成本的医疗评价体系［9］。AI系统可以用于解析几种新类型的数据：如基因组学，蛋白质组学和代谢组学；电子健康记录及数字传感器监测健康迹象，最终实现对于疾病和特定患者进行个性化精准治疗的目的。AI系统的聚类分析技术鉴别相似疾病或潜在缺陷的疾病，模式识别技术可以将疾病状态与最佳治疗相匹配。人工智能应用在医疗领域将提高疾病诊治与预防的效益。

（二）人工智能不足

1.不能完全替代人脑

随着科学进步，人工智能理论和技术日益成熟，但仍然不能像人类一样去思考及推理，人类大脑是由数十亿个神经细胞组成的器官，完全模拟大脑是很困难的事情。因此，虽然人工智能在医学领域的应用越来越广泛，但是人工智能终究代替不了所有医生。（1）首先，人工智能只是运用人类已有的知识，对于未知的东西没有处理分析能力，因此人工智能的医疗水平不能超越现有的最高医疗水平；（2）另外，人工智能系统目前缺乏创造能力，“机器学习”的数学基础是“统计学”、“信息论”和“控制论”。这类“机器学习”对“经验”的依赖性很强，是基于逻辑的智能。但人类除了会从经验中学习之外，还会创造，这在某些情形下被称为灵感、直觉、顿悟和形象思维的智能；（3）对于临床上一些复杂的操作或手术，人工智能系统更替代不了医生，因为手术或操作过程是非常复杂和千变万化的，需要现场的分析及判断，不像影像及病理，手术和操作是没有固定答案的；（4）人工智能系统不是人类，也没有人类的思维及情感，其所作出的诊断及提出的治疗策略是来源于大数据，来源于经验，给出的可能是客观的，最优化的建议，但在临床中，医生会与患者及家属有情感上的沟通和交流，会根据患者具体情况给出婉转的解释或适合的治疗选择，这一点人工智能是达不到的。这也体现人工智能医疗缺少灵活性，不能因时、因地、因人、因情而区别对待。

2.社会伦理问题

随着人类智能在人类医学领域的广泛渗入，也必将引发很多社会伦理问题。规范、监管通常落后于创新。设想当人工智能与医生出现诊断及治疗分歧时，在医疗纠纷的处理上是以什么为标准？在人工智能治疗失败时，患者会向谁问责？人工智能的出现会不会加剧医患矛盾，降低患者对医生的信任度？医生过度依赖人工智能，医疗水平提高是否会受到影响？也许还有很多社会、伦理问题随着人工智能的出现而出现，但创新仍会继续，只有不断创新，人类社会才能不断进步。

综上，人工智能将是未来人类医疗的一个发展方向及趋势，在医疗领域能否取代医生我们将拭目以待，但我相信，人工智能将会很好的辅佐医生，将在某些方面缓解医疗压力、提高医疗服务质量、促进医学不断地发展及进步。因此，我们要用宽容的态度去看待它、用欢迎的态度接受它、用积极地态度完善它、用科学的态度提高它、用理性的态度去使用它，使之成为医学进步与发展的帮手而非“敌人”。

[ 1 ] 张远望.人工智能与应用 [J]. 中国科技纵横, 2015, (20):22.

[ 2 ] 孔祥溢, 王任直.人工智能及在医疗领域的应用 [J]. 医学信息学杂志, 2016, 37(11):1-5.

[ 3 ] 尼克·波斯特洛姆. 超级智能:路线图、危险性与应对策略[M].张体伟, 张玉青, 译.北京:中信出版社, 2015.

[ 4 ] 陈自富.强人工智能和超级智能:技术合理性及其批判 [J]. 科学与管理, 2016, 36(5):25-33.

[ 5 ] 卢培佩, 胡建安.计算机专家系统在疾病诊疗中应用和发展 [J].实用预防医学, 2011, 18(6):1167-1171.

[ 6 ] 蔡航.基于神经网络的医疗诊断专家系统 [J]. 数理医药学杂志, 2002, (4):294.

[ 7 ] 吴孟雄, 刘志文.人工智能在医学领域的应用进展 [C]. //第九届全国医药信息学大会, CMIA′02论文集.2002:605-607.

[ 8 ] 刘正, 王贵玉, 王锡山, 等.行医原则与多学科诊疗模式的思考 [J]. 中华结直肠疾病电子杂志, 2014, 3(1):52-54.

[ 9 ] Sancy A. Leachman, Glenn Merlino.Medicine:The fi nal frontier in cancer diagnosis [J]. Nature, 2017, 542, 36-38.

Medical era in the future-artif i cial intelligence diagnosis and treatment

Wang Xishan.Department of Colorectal Surgery, National Cancer Center/Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100021, China

Wang Xishan, Email: wxshan1208@126.com

The overall research goal of artif i cial intelligence (AI) is to create technology that allows computers and machines to function in an intelligent manner. AI researches include reasoning, knowledge, planning, learning, natural language processing (communication), perception and the ability to move and manipulate objects. Artif i cial intelligence show a lot of advantages in the application of aviation, industrial manufacturing, navigation, home services and management.AI has astounding potential to accelerate scientif i cdiscovery in biology and medicine, and to transform health care, which plays an important role in medicine, human biology, and health care.The development of medicine was dependenting on other disciplines. The concept will change technology, and the technology will change the concept. Similarly, intelligent medical care will also change the future of the medical model.

Artificial intelligence; Medical science; Diagnosis; Treatment; Intelligent medical; Man-machine dialogue; Robot

2017-05-03）

（本文编辑：杨明）

10.3877/cma.j.issn.2095-3224.2017.04.019

国家自然科学基金面上项目（No.81572930）；中国医学科学院肿瘤医院学科带头人奖励基金（No. RC2016003）；国家重点研发计划精准医学研究专项（No.2016YFC0905300）；中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目（No.2016-I2M-1-001）

100021 北京，国家癌症中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院结直肠外科

王锡山，Email：wxshan1208@126.com

王锡山.未来医学时代——人工智能诊疗[J/CD].中华结直肠疾病电子杂志, 2017, 6(4): 349-352.