未來醫學時代
——人工智能診療

王錫山

未來醫學時代
——人工智能診療

王錫山

王錫山 教授，主任醫師，博士生導師。現任國家癌癥中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院結直腸外科主任。主要從事大腸癌等腹腔腫瘤基礎及臨床研究。主要學術兼職：中國抗癌協會大腸癌專業委員會候任主任委員、中國抗癌協會大腸癌青年委員會主任委員、中國醫師協會結直腸腫瘤專業委員會主任委員，中國抗癌協會腫瘤轉移專業委員會副主任委員、中國抗癌協會整合腫瘤學分會第一屆委員會副主任委員，中華醫學會腫瘤學分會結直腸醫師專業學組副組長，兼任中華結直腸疾病電子雜志總編輯、《中國腫瘤臨床與康復》副總編輯、《中華胃腸外科雜志》《中華實驗外科雜志》《中國實用外科雜志》《腫瘤研究與臨床雜志》《國際免疫學雜志》編委等職務。先后參與承擔包括國家重點研發計劃“精準醫學研究”重點項目“結直腸癌診療規范及應用方案的精準化研究”、國家“十一五”科技支撐計劃、國家自然科學基金、教育部博士點基金等二十余項國家級省部級科研課題。發表醫學論文300多篇，其中SCI收錄40余篇，主編結直腸癌專著9部，主編出版衛生部音像教材20多部，多次獲得省部級獎勵。

人工智能的整體研究目標是創造出允許計算機和機器以智能方式運行的技術。人工智能研究包括推理、知識、規劃、學習，自然語言處理（溝通）、感知以及移動和操縱對象的能力。人工智能應用航空、工業制造、航海、家庭服務以及管理，展示了很多優勢。人工智能具有加速生物醫學科學進展和改變醫療保健的巨大潛力，在醫學，人類生物學和醫療保健方面發揮重要作用。在醫學的發展中比較依賴其他學科發展。理念改變技術，技術也會改變理念。同樣，智能醫療也必將改變未來的醫療模式。

人工智能； 醫學； 診斷； 治療； 智能醫療； 人機對話； 機器人

人工智能一詞最早是由約翰麥卡錫在1956年的達特矛斯會議上提出的。人工智能（artif i cial intelligence，AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，是在計算機科學、控制論、信息論、神經心理學、哲學、語言學等多種學科研究的基礎上發展起來的一門綜合性很強的交叉、前沿學科［1］。

一、人工智能概述

人工智能是計算機科學的一個分支，也被認為是21世紀三大尖端技術（基因工程、納米科學、人工智能）之一。它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，人工智能學科研究的主要內容包括：知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動程序設計及專家系統等方面［2］。

人工智能分為弱人工智能、強人工智能及超級智能。弱人工智能只不過看起來像是智能的，但并不真正擁有智能，也不會有自主意識，只是幫助人類完成某些任務的工具或助理。強人工智能是基于心智的計算模型，以通用數字計算機為載體的AI程序可以像人類一樣認知和思考，達到或者超過人類智能水平。強人工智能分為兩類：（1）類人的人工智能，即機器的思考和推理像人的思維一樣；（2）非類人的人工智能，即機器與人有完全不一樣的知覺、意識及推理方式。超級智能是強人工智能的更高端版，英國牛津大學人類未來研究院的尼克?波斯特洛姆認為超級智能在幾乎所有領域遠遠超過人類［3］。目前，主流科研集中在弱人工智能上，并在這一研究領域已經取得了可觀的成就。而強人工智能的研究仍然在不斷探索中。

人工智能從誕生以來，理論和技術日益成熟，應用領域也不斷擴大，無論在理論和實踐上都已自成一個體系。人工智能的發展和計算機科學技術的發展密不可分。除了計算機科學以外，人工智能還涉及信息論、控制論、自動化、仿生學、生物學、心理學、數理邏輯、語言學、醫學和哲學等多門學科。

二、人工智能的應用

（一）人工智能在非醫學領域的應用

1992年5月，IBM公司制造的“深藍”計算機戰勝了俄羅斯國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫。2016年3月，谷歌公司的人工智能AlphaGo機器人用一周時間與世界圍棋頂級棋手李世石激戰5場，以4：1的絕對優勢取勝。人工智能在人機對弈取得的成就震撼了整個科技界。2006年以來，深度學習作為人工智能中的機器學習的一門分支，在語音識別、圖像識別乃至自然語言處理方面的取得了較大進展，例如微軟亞洲研究院運用深度神經網絡開發的商用全自動同聲傳譯系統、Yann LeCun及其團隊在2012年運用卷積神經網絡在ImageNet圖像識別大賽中取得最好成績［4］。2015年，美國伊利諾伊大學的研究小組將一些世界上最好的人工智能系統和人類智商進行比較，試驗表明人工智能的智力目前已經達到了4歲兒童的水平。由麻省理工大學的研究人員開發的人工智能系統Concept Net也參與了和人類智商進行比較的研究，它在詞匯和相似性方面占有絕對優勢，但在推理和理解方面則差強人意。盡管如此，人工智能的突破速度已經達到了非常快速的速度。目前，人們與智能手機近半數的交互將通過蘋果Siri、微軟Cortana和谷歌Google Now等語音助手完成，有專家認為，人工智能在學習能力和自然語言能力上的改善會導致它們在今后幾年里擁有跟人類一樣的思維，也有人預測在未來的幾十年后，人工智能將進軍農業、教育、新聞出版業、金融業、機械加工業、服務業及醫療保健業等行業，隨著人工智能的快速發展，很多職業將面臨巨大挑戰，未來職業變遷速度也將加快，也許未來很多職業將面臨縮減甚至消失。

（二）人工智能在醫學領域的應用

1.醫學專家系統

專家系統是人工智能技術在醫療診斷領域中的一個最富有代表性和最重要的應用，專家系統是在某個領域內具有專家水平的智能推理系統。醫學診斷專家系統（medical expert system，MES）就是運用專家系統的設計原理與方法，吸收了大量的知識和經驗，模擬醫學專家診斷疾病的思維活動及推理判斷，得出與人類專家一樣的結論。它可以幫助醫生解決復雜的醫學問題，可以作為醫生診斷的輔助工具。1976年美國斯坦福大學的肖特列夫(Shortlif i e)等人成功研制的醫學專家系統MYCIN，用于診斷和治療細菌感染疾病的咨詢系統。隨后相繼出現用于青光眼、貧血、艾滋病、皮膚癌、乳腺癌、肺癌、肝病等的醫學專家系統［5］。

2.人工神經網絡技術

人工神經網絡（artif i cial neural networks，ANNs）是最近幾年發展起來的一項新技術，是一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。這種網絡依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的，并具備學習、自組織、泛化及訓練的能力［6］。人工神經網絡可以起到專家系統的作用，特別在分類、診斷以及基于分類的智能控制和優化求解方面，神經網絡專家系統比傳統的專家系統（指上述用概率統計法，數學模型建立的專家系統）有更優越的性能［7］。“沃森通路”是一套幫助沃森學習醫生如何診療的人機互動程序，在“沃森通路”的輔助下，醫學工作人員可檢查沃森舉出的病癥和推論是否合理，然后將更多的信息和見解輸入沃森系統。同時，紀念斯隆——凱特琳癌癥中心、WellPoint公司及IBM合作開發了基于沃森技術的交互式腫瘤診治技術，該技術通過持續基于ANN技術的深度學習，幫助腫瘤醫生獲得患者最新治療信息，數據庫信息包羅萬象，包括300多份醫學期刊、200余種教科書，以及美國國立綜合癌癥網絡定期更新發布的臨床指南等，醫生通過這些海量數據訓練內置ANN程序的沃森，讓其給出最佳診治建議，如對大量醫療數據進行整理總結，通過圖像識別能力對病理切片及MRI圖像進行診斷等。

三、人工智能應用在醫療領域的優勢及不足

（一）人工智能的優勢

1.輔助醫生診療

人工智能是計算機學科的一個分支，對于繁重的重復勞動、計算及大量記憶來說，計算機要比人腦更能勝任，而且能夠比人腦做得更快、更好。特別是在記憶大量的病歷資料、醫學文獻、教科書、臨床指南、藥物說明書、影像圖片及病理切片等方面，人工智能機器人要更勝一籌，但醫生要掌握這些知識，可能需要幾年甚至幾十年的時間，而且要堅持不斷學習，而人工智能系統只需要輸入大量醫學信息并不斷更新就可以了。例如，谷歌、谷歌大腦與Verily公司聯合開發了一款能用來診斷乳腺癌的人工智能，通過將病理切片處理成數碼圖像的方式，提供大量腫瘤組織和正常組織的病理切片，供這款人工智能學習，并與一位資深病理學家進行比較，共同分析130張切片，病理學家花了整整30個小時，依然以73.3%的準確率完敗準確率達88.5%的人工智能。在同樣的數量上，人工智能以高效率及高質量戰勝了人腦。因此，也許在將來的臨床工作中，對于一些繁重的工作，如病理診斷、化驗單診斷或影像學診斷，人工智能完全可以起到輔助醫生診斷的作用甚至替代醫生進行獨立診斷。

2.規范、統一醫療行為

也有專家指出：“人工智能可能改變如今中國醫生過分個性化的醫療決定，讓醫療行為更為規范、統一，從而解決地區醫療差異、不平衡問題，有利于分級診療的推進”。在現實生活中也常遇到這樣一些情況，同樣的病理片子，不同病理專家給出不同診斷；同樣的影像片子，不同影像專家可能給出不同的判斷；同一例患者在不同醫院，經不同醫生診斷給出不同的治療方案，誰診斷的更準確?誰治療的更正確? 我們可能各執一詞，畢竟個體化治療時代，沒有最好的治療只有最佳的治療［8］。但對于因醫生個人技術及水平問題導致誤診、漏診、誤治等情況，完全可以通過人工智能來彌補。經驗不足的醫生或許能從人工智能系統得到學習及提高。人工智能應用于醫療充分體現其原則性及規范性。

3.潛在社會效益

人工智能（AI）具有加速生物學和醫學科學進展以及改變醫療保健的巨大潛力。可以提供高質量的醫療保健，為個體提供更有效，更簡單及低成本的醫療評價體系［9］。AI系統可以用于解析幾種新類型的數據：如基因組學，蛋白質組學和代謝組學；電子健康記錄及數字傳感器監測健康跡象，最終實現對于疾病和特定患者進行個性化精準治療的目的。AI系統的聚類分析技術鑒別相似疾病或潛在缺陷的疾病，模式識別技術可以將疾病狀態與最佳治療相匹配。人工智能應用在醫療領域將提高疾病診治與預防的效益。

（二）人工智能不足

1.不能完全替代人腦

隨著科學進步，人工智能理論和技術日益成熟，但仍然不能像人類一樣去思考及推理，人類大腦是由數十億個神經細胞組成的器官，完全模擬大腦是很困難的事情。因此，雖然人工智能在醫學領域的應用越來越廣泛，但是人工智能終究代替不了所有醫生。（1）首先，人工智能只是運用人類已有的知識，對于未知的東西沒有處理分析能力，因此人工智能的醫療水平不能超越現有的最高醫療水平；（2）另外，人工智能系統目前缺乏創造能力，“機器學習”的數學基礎是“統計學”、“信息論”和“控制論”。這類“機器學習”對“經驗”的依賴性很強，是基于邏輯的智能。但人類除了會從經驗中學習之外，還會創造，這在某些情形下被稱為靈感、直覺、頓悟和形象思維的智能；（3）對于臨床上一些復雜的操作或手術，人工智能系統更替代不了醫生，因為手術或操作過程是非常復雜和千變萬化的，需要現場的分析及判斷，不像影像及病理，手術和操作是沒有固定答案的；（4）人工智能系統不是人類，也沒有人類的思維及情感，其所作出的診斷及提出的治療策略是來源于大數據，來源于經驗，給出的可能是客觀的，最優化的建議，但在臨床中，醫生會與患者及家屬有情感上的溝通和交流，會根據患者具體情況給出婉轉的解釋或適合的治療選擇，這一點人工智能是達不到的。這也體現人工智能醫療缺少靈活性，不能因時、因地、因人、因情而區別對待。

2.社會倫理問題

隨著人類智能在人類醫學領域的廣泛滲入，也必將引發很多社會倫理問題。規范、監管通常落后于創新。設想當人工智能與醫生出現診斷及治療分歧時，在醫療糾紛的處理上是以什么為標準？在人工智能治療失敗時，患者會向誰問責？人工智能的出現會不會加劇醫患矛盾，降低患者對醫生的信任度？醫生過度依賴人工智能，醫療水平提高是否會受到影響？也許還有很多社會、倫理問題隨著人工智能的出現而出現，但創新仍會繼續，只有不斷創新，人類社會才能不斷進步。

綜上，人工智能將是未來人類醫療的一個發展方向及趨勢，在醫療領域能否取代醫生我們將拭目以待，但我相信，人工智能將會很好的輔佐醫生，將在某些方面緩解醫療壓力、提高醫療服務質量、促進醫學不斷地發展及進步。因此，我們要用寬容的態度去看待它、用歡迎的態度接受它、用積極地態度完善它、用科學的態度提高它、用理性的態度去使用它，使之成為醫學進步與發展的幫手而非“敵人”。

[ 1 ] 張遠望.人工智能與應用 [J]. 中國科技縱橫, 2015, (20):22.

[ 2 ] 孔祥溢, 王任直.人工智能及在醫療領域的應用 [J]. 醫學信息學雜志, 2016, 37(11):1-5.

[ 3 ] 尼克·波斯特洛姆. 超級智能:路線圖、危險性與應對策略[M].張體偉, 張玉青, 譯.北京:中信出版社, 2015.

[ 4 ] 陳自富.強人工智能和超級智能:技術合理性及其批判 [J]. 科學與管理, 2016, 36(5):25-33.

[ 5 ] 盧培佩, 胡建安.計算機專家系統在疾病診療中應用和發展 [J].實用預防醫學, 2011, 18(6):1167-1171.

[ 6 ] 蔡航.基于神經網絡的醫療診斷專家系統 [J]. 數理醫藥學雜志, 2002, (4):294.

[ 7 ] 吳孟雄, 劉志文.人工智能在醫學領域的應用進展 [C]. //第九屆全國醫藥信息學大會, CMIA′02論文集.2002:605-607.

[ 8 ] 劉正, 王貴玉, 王錫山, 等.行醫原則與多學科診療模式的思考 [J]. 中華結直腸疾病電子雜志, 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）

（本文編輯：楊明）

10.3877/cma.j.issn.2095-3224.2017.04.019

國家自然科學基金面上項目（No.81572930）；中國醫學科學院腫瘤醫院學科帶頭人獎勵基金（No. RC2016003）；國家重點研發計劃精準醫學研究專項（No.2016YFC0905300）；中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程項目（No.2016-I2M-1-001）

100021 北京，國家癌癥中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院結直腸外科

王錫山，Email：wxshan1208@126.com

王錫山.未來醫學時代——人工智能診療[J/CD].中華結直腸疾病電子雜志, 2017, 6(4): 349-352.