医疗人工智能的历史发展与构成要素

摘要

近来人工智能(Artificial Intelligence，AI)在医疗领域的应用成为健康产业的一个技术发展和商业热点，其背后蕴含着巨大的想象空间和产业价值。AI作为一个全新的技术如何在医疗这个具高度复杂性的领域落地，仍面临许多挑战。本篇将在总结医疗人工智能现状的基础上，介绍国内外在医疗人工智能领域的应用探索和商业实践创新，供关心这一领域的专家和从业人员参考。

一、医疗人工智能的发展历程与构成要素

人工智能(Artificial Intelligence，AI)是计算机科学的一个分支，是通过对人的意识和思维过程进行模拟并系统应用的一门新兴科学。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。1956年夏季在美国达特茅斯(Dartmouth)大学举行的首次人工智能研讨会，McCarthy第一次提出“人工智能”的概念，标志着人工智能学科的诞生。

医疗人工智能即人工智能在医疗领域的应用，涉及医疗行业各个环节，其终极目标是人工智能代替人来为患者诊断、治疗，目前主要发展方向包括辅助诊断、医学影像识别、药品研发、健康管理、基因测序等。

1.1 医疗人工智能的发展历程

早期的医疗人工智能探索

最早在医疗领域进行人工智能探索的尝试出现在上世纪70年代。1972年，由利兹大学研发的AAPHelp是资料记载当中医疗领域最早出现的人工智能系统。这个系统主要是用于腹部剧痛的辅助诊断以及手术的相关需求。

在随后的整个七十年代，又产生了不少新的成果。INTERNISTI于1974年由匹兹堡大学研发问世，主要用于内科复杂疾病的辅助诊断。MYCIN于1976年由斯坦福大学研发，能对感染性疾病患者进行诊断，开出抗生素处方。在其内部共有500条规则，只要按顺序依次回答其提问，系统就能自动判断出患者所感染细菌的类别，为其开出相应处方。此外，还有罗格斯大学开发的CASNET/Glaucoma，MIT开发的PIP、ABEL，斯坦福大学开发的ONCOCIN等。到上世纪80年代，已经有一些商业化应用系统的出现，比如QMR（Quick Medical Reference），还有哈佛医学院开发的DXplain，主要是依据临床表现提供诊断方案。

总的来说，医疗人工智能方面过早期的大多数探索都并不成功。不过，这样的现状只能说明医疗的高度复杂性，并没有阻止人类在医疗领域探索人工智能的尝试。

近期国外在医疗人工智能领域的发展

目前，医疗人工智能领域最知名的就是IBM Watson，并且Watson已经取得了不俗的成绩。例如在肿瘤治疗方面， Watson能够在几秒之内筛选数十年癌症治疗历史中的150万份患者记录，并为医生提供可供选择的循证治疗方案。目前癌症治疗领域排名前三的医院都在运行Watson，并且Watson已经正式进入中国。

除了IBM之外，谷歌、微软等科技巨头也在医疗人工智能领域取得了积极进展。2016年2月，谷歌DeepMind公布成立DeepMind Health部门，将与英国国家健康体系（NHS）合作，帮助他们辅助决策，提高效率缩短时间。DeepMind还参与NHS一项利用深度学习开展头颈癌患者放疗疗法设计的研究。DeepMind还与Moorfields眼科医院的合作将人工智能技术应用于及早发现和治疗威胁视力的眼部疾病。

微软于2016年宣布将AI用于医疗健康的计划Hanover，帮助寻找最有效的药物和治疗方案，并且与俄勒冈卫生科学大学Knight癌症研究所合作，共同进行药物研发和个性化治疗。

苹果公司一方面计划自主开发人工智能芯片，另一方面则屡次收购人工智能公司。在2010年收购Siri之后，苹果公司近年来还在语音技术方面进行了几笔收购，其中包括VocalIQ和Novauris Technologies。

我国的医疗人工智能发展历史与现状

我国人工智能领域的开发研究始于20世纪80年代初，起步虽然较发达国家晚，但是发展速度迅猛。1978年北京中医医院关幼波教授与计算机科学领域的专家合作开发了“关幼波肝病诊疗程序”，第1次将医学专家系统应用到我国传统中医领域。此后我国有代表性的人工智能产品有“林如高骨伤计算机诊疗系统”、“中国中医治疗专家系统”、具有咨询和辅助诊断性质的“中医计算机辅助诊疗系统”等。进入21世纪以来，我国的医疗人工智能则在更多领域取得长足发展。

2016年10月，百度以“开启智能医疗新时代”为主题，正式对外发布百度人工智能在医疗领域内的最新成果——百度医疗大脑，对标谷歌和IBM的同类产品。作为百度大脑在医疗领域的具体应用，百度医疗大脑是通过海量医疗数据、专业文献的采集与分析，模拟医生问诊流程，依据用户的症状，给出诊疗最终建议。

腾讯则依托微信丰富的数据量和数据维度，探索发展医疗人工智能。如腾讯与中山肿瘤南山医院的合作，在广东汕头地区开展食道癌早期筛查系统的试点。腾讯通过人工智能图片处理，帮助开展食道癌前期筛查，在提升医疗机构医疗能力的同时，显著降低了人工投入。此外，腾讯的人工智能实验室还将和卓建、医联两家公司合作，开发面向未来的复诊系统。

阿里则在医疗智能诊断领域重点布局。2017年7月，阿里健康发布医疗AI“Doctor You”，“Doctor You”AI系统包括临床医学科研诊断平台、医疗辅助检测引擎、医师能力培训系统等。此外阿里健康还与多地政府、医院、科研院校等外部机构合作，开发打造包括糖尿病、肺癌预测、心理智能、眼底筛查在内的20种常见、多发疾病的智能诊断引擎。

1.2 医疗人工智能的三个阶段

从技术发展的历程看，人工智能分为计算智能、感知智能、认知智能三个阶段。第一阶段机器开始像人类一样会计算，传递信息。第二阶段机器开始看懂和听懂，做出判断，采取一些行动。第三阶段机器能够像人一样思考，主动采取行动。


图表1 医疗人工智能发展的三个阶段

图表来源：奇璞研究

从数据有效性和商业模式的发展来看，医疗人工智能应用也可以分为三个阶段：第一阶段为数据整合阶段。目前已存在深度学习等先进算法，但由于医疗数据标准化低，共享机制弱，导致人工智能在医疗行业的应用领域和效果受限。在共享机制尚未成熟前，拥有医疗大数据的公司具备竞争优势与议价能力。第二阶段是“数据共享+感知智能”阶段。当医疗数据融合到一定程度后，将会在辅助诊疗、图像识别等各领域出现辅助性的商用产品。在这个阶段，数据和算法优势都成为重要壁垒，有效数据将促进算法的实施得到进一步优化。第三阶段是“认知智能+健康大数据”阶段。在此阶段，人工智能整体上从感知智能向认知智能发展，健康大数据的获取成本也将降低，人类将步入个性化医疗时代。该阶段将出现替代人类医生的人工智能应用。



图表2 按照数据和算法角度，医疗人工智能的发展阶段

图表来源：奇璞研究

1.3 医疗人工智能构成的三个要素

人工智能的核心是算法，基础条件是数据及计算能力，因此，可以认为医疗与人工智能结合的关键要素是“算法+有效数据+计算能力”。

先进算法是实现医疗人工智能的核心，能够提升数据使用效率。随着先进算法的不断开发，人工智能从计算智能迈向感知智能，未来将会向认知智能迈进。先进算法能够提升从信息到“知识”的转化效率，提升智能化程度。

有效的医疗大数据是人工智能应用的基础。医疗数据的有效性包括三个方面：电子化程度、标准化程度以及共享机制。电子化程度强调数据和病历的供给量；标准化程度强调数据之间的可比性和通用型；共享机制强调数据获取渠道的便利性和合法性。只有满足上述三个方面的条件，医疗大数据才能得到有效搜集和应用，进而为人工智能打下基础。

计算能力是医疗人工智能的另一基础条件。未来随着量子计算以及速度更快的芯片的产生，将进一步推动人工智能应用的发展。


图表3 医疗人工智能的三大要素

图表来源：奇璞研究

二、医疗人工智能的商业应用与模式创新

由于医疗人工智能的发展必须以有效的医疗大数据为基础，所以在医疗领域，凡是具备获取有效数据的领域，人工智能均有用武之地，比如在基因测序、辅助诊断、药品研发的方面，医疗人工智能均有不错的发展。

这里首先介绍医疗人工智能领域的代表公司——IBM的Watson，它主要的商业模式是通过在某一类疾病的数据和算法优势，扩展相关领域人工智能的商业模式。

2.1 IBM Watson：深度聚焦肿瘤领域人工智能技术

IBM Watson是自2007年开始，由IBM公司的首席研究员DavidFerrucci所领导的DeepQA小组开发的人工智能系统，目前是医疗人工智能领域的龙头。Watson在医疗领域的商业战略分为三个方面：一是深度聚焦肿瘤领域，并向其他领域扩展；二是通过收购获取数据资源；三是通过合作扩展使用场景，输出生态能力。

Watson在2011年便开始了肿瘤领域的机器学习，充分训练后，形成Watson for Oncology产品。该产品可以辅助肿瘤医生快速了解相似病历，完成初步诊断，缩短诊断时间。接下来，Watson开始提供识别基于证据的辅助治疗方案。通过将患者文件中的属性数据与临床知识、外部数据相结合，Watson提供肿瘤解决治疗方案供医生参考。目前Watson对不同癌症种类的诊断准确率能达到70%-90%之间。

在合作模式上，一方面，Watson会给提供医疗数据的机构基于训练案例数的经济补偿。另一方面，Watson也会直接和医院签订销售合同，由医院支付系统采购费用。目前Watson已经广泛应用于多家癌症治疗机构。2016年8月，Watson进入中国，在国内有21家医院计划使用Watson肿瘤解决方案。


表格1 Watson与医疗机构之间的合作

数据来源：公开资料整理，奇璞研究

除了肿瘤领域，Watson也在其他医疗领域推进相关产品，如临床试验匹配项目。



表格2 Watson的功能扩展

数据来源：公开资料整理，奇璞研究

IBM通过资本收购，进一步积累“医疗大数据”。2015年4月IBM成立WatsonHealth部门，旨在向医疗行业提供数据分析服务，越来越大的收购金额也反映了IBM对于医疗数据的坚定投入的决心，逐步构筑其数据竞争壁垒。


表格3 IBM Health的收购

数据来源：公开资料整理，奇璞研究


Watson还通过业务合作，不断丰富应用场景。Watson一方面与各领域重要参与者合作，实现Watson人工智能分析能力的场景化输出，探索商用的方式。

例如，Watson与美国第二大零售药店CVS合作，预测用户患有疾病的风险，为用户制定健康问题解决方案。另一方面通过与各合作方的对接，搜集医疗健康领域的各类数据，完善自身的分析学习能力。例如，与苹果合作，将Watson应用软件整合至HealthKit 和ResearchKit工具系统，允许应用开发者收集个人健康医疗数据，和在临床试验中使用这类数据；与美敦力合作，处理来自美敦力可穿戴医疗设备及其他情景化来源的数据，并提供个性化的糖尿病管理服务。

图表4 Watson的商业模式图表 来源：奇璞研究