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 FPGA+深度學(xué)習(xí)技術(shù)助力智慧醫(yī)療
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發(fā)表于 2016-06-20 12:17:27  只看樓主 


在醫(yī)改大政策風(fēng)向標(biāo)的背后，是資本逐鹿試水，商業(yè)試錯(cuò)。互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療成為構(gòu)建新時(shí)代下智慧醫(yī)療的生態(tài)圈。但是，醫(yī)療信息化就等于真正的智慧醫(yī)療嗎?或者說只是智慧醫(yī)療的基礎(chǔ)?若論更加務(wù)實(shí)的智慧醫(yī)療則是在信息化基礎(chǔ)上的幫助診療，本文主要論述了FPGA+深度學(xué)習(xí)技術(shù)如何助力智慧醫(yī)療落地。

醫(yī)療信息化≠真正智慧醫(yī)療

“十三五”強(qiáng)調(diào)要促進(jìn)健康中國的建設(shè)，其中智慧醫(yī)療被提上日程，智慧醫(yī)療成為深化醫(yī)改、推進(jìn)健康中國建設(shè)的重要技術(shù)手段。智慧醫(yī)療在百度的解釋是通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺，利用最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動(dòng)，逐步達(dá)到信息化。作為建設(shè)智慧城市的一部分，智慧醫(yī)療對緩解看病難這一社會(huì)問題具有積極的推動(dòng)作用，但是，如果把智慧醫(yī)療僅僅定義為醫(yī)療信息化，未免有些狹隘。

不可置否，目前醫(yī)療產(chǎn)業(yè)面臨的大醫(yī)院人滿為患，社區(qū)醫(yī)院無人問津，病人就診手續(xù)繁瑣、看病難等等問題，都是由于醫(yī)療信息不暢，醫(yī)療資源兩極化等原因?qū)е碌�。近年來，醫(yī)療改革在醫(yī)療信息化的浪潮中取得了巨大成就，可以使患者用較短的等療時(shí)間、支付基本的醫(yī)療費(fèi)用，就可以享受安全、便利、優(yōu)質(zhì)的診療服務(wù)。比如目前部分醫(yī)院支持在線預(yù)約專家、微信掛號及在線支付等功能，以及未來電子病歷及健康檔案的落地，確實(shí)在一定程度上減少了病人的等診時(shí)間及看病成本，但這并不是智慧醫(yī)療的全部。

對于幫助診療方面，目前國內(nèi)僅局限于不到10%的文字和數(shù)據(jù)類的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利用，對于大量的非結(jié)構(gòu)化醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)缺乏認(rèn)知分析。由海歸博士團(tuán)隊(duì)聯(lián)手成立的杭州健培科技有限公司，從2014年開始與國內(nèi)外著名的研究機(jī)構(gòu)和高等院校展開合作，致力于醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)分析技術(shù)(MIBA)的研發(fā)及應(yīng)用，并通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立人工智能診斷系統(tǒng)，幫助醫(yī)生診斷各種疾病，推動(dòng)我國醫(yī)療創(chuàng)新領(lǐng)域理念從“方便診療”走向“幫助診療”，以此改變我國醫(yī)療衛(wèi)生資源分配不平衡、看病難、看病貴等問題。這也是智慧醫(yī)療的關(guān)鍵重要組成部分。

杭州健培科技有限公司CEO程國華表示，目前國內(nèi)智慧醫(yī)療看到的只是醫(yī)療信息化這一基礎(chǔ)層面。針對一個(gè)醫(yī)院的信息化，軟件工程師基本可以全部搞定，但是真正做到智慧醫(yī)療，僅僅做醫(yī)療信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，智慧醫(yī)療最重要的是洞察大量非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)背后的價(jià)值，以幫助醫(yī)生在最短的時(shí)間內(nèi)做出最精確的診斷。

深度學(xué)習(xí)與醫(yī)學(xué)影像診斷

當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)+推動(dòng)了醫(yī)療行業(yè)大數(shù)據(jù)爆炸，據(jù)權(quán)威調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，醫(yī)療行業(yè)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)占整個(gè)數(shù)據(jù)量的90%左右，醫(yī)療行業(yè)的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括醫(yī)療PACS系統(tǒng)產(chǎn)生的醫(yī)學(xué)影像，比如DR，CR,MRI等，如果能夠深挖這些海量影像數(shù)據(jù)背后的價(jià)值，將對精準(zhǔn)醫(yī)療研究、個(gè)體化治療、疾病治療與療效評價(jià)、重大疾病的風(fēng)險(xiǎn)評估等具有重要的意義。目前，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以解讀醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，這在國外已經(jīng)有不少落地性案例，比如，倫敦帝國理工大學(xué)今年就宣布運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)為基礎(chǔ)的腦部影像圖像分析工具，以協(xié)助醫(yī)生診斷大腦出現(xiàn)的損傷情況。但國內(nèi)在醫(yī)學(xué)圖像分析領(lǐng)域的應(yīng)用案例還是一片空白。

對此，健培科技在國內(nèi)率先利用自主研發(fā)的“兩朵云”產(chǎn)品進(jìn)入醫(yī)療影像分析領(lǐng)域，即HealthView駐地云和HealthView診斷云。HealthView駐地云能有效的對醫(yī)院的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)整合和優(yōu)化配置，進(jìn)而為診斷云提供了數(shù)據(jù)倉庫。而診斷云側(cè)重于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析和挖掘，將影像數(shù)據(jù)的重要臨床實(shí)用價(jià)值發(fā)揮出來。比如長久困擾放.

射科的肺癌早期和乳腺癌早期篩查誤診率居高不下的問題，通過計(jì)算機(jī)智能診斷的精確性，能夠極大的降低人為閱片的誤診率，通過計(jì)算機(jī)的高性能和不間斷運(yùn)行，也能有效減輕放射科醫(yī)生的工作負(fù)荷，從而改善整個(gè)放射科的工作效率和質(zhì)量，最終提升患者就醫(yī)體驗(yàn)。

從技術(shù)創(chuàng)新角度而言，程國華說，“傳統(tǒng)的基于Hadoop的大數(shù)據(jù)處理平臺，有很多弊端，而且性價(jià)比也不高。隨著醫(yī)院云平臺需求的深入，原來的架構(gòu)已不能承載。目前Spark架構(gòu)是最先進(jìn)的，雖然Spark概念已提出幾年，但是在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用還是全新的。對于醫(yī)療影像大數(shù)據(jù)應(yīng)用來講，它不僅能將性能提升至幾十倍甚至上百倍，同時(shí)可以降低存儲(chǔ)需求�！被�Spark架構(gòu)駐地云可以幫助醫(yī)院進(jìn)行存儲(chǔ)、分享及傳輸醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，還可以即時(shí)的交互，在此基礎(chǔ)上嫁接診斷云，整個(gè)醫(yī)院將變成智能化。

HealthView診斷云在駐地云的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新人工智能算法，實(shí)現(xiàn)海量相似病例檢索和醫(yī)學(xué)影像智能診斷，極大地幫助醫(yī)生進(jìn)行定位病癥、分析病情和指導(dǎo)手術(shù)，屬于“臨床決策系統(tǒng)”的一部分，也是醫(yī)學(xué)科技發(fā)展的前沿方向。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合云計(jì)算平臺對醫(yī)學(xué)影像做分析，可以大大提高醫(yī)生的診斷率。據(jù)了解，放射科醫(yī)生診斷效率可以從原先的半小時(shí)一個(gè)病人到1分鐘一個(gè)病人，精準(zhǔn)度從70%到85%到90%的一個(gè)逐一變化來提高整個(gè)醫(yī)院的診斷效率與準(zhǔn)確度。這種幫助診療在一定程度上大大縮短了病人的等療時(shí)間，而且可以得到最精確的診斷。因此，幫助診療是智慧醫(yī)療很重要的一部分。

目前健培科技聯(lián)合建立的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，首先是通過對肺部影像的分析來診斷各種疾病，程國華表示，醫(yī)生根據(jù)傳統(tǒng)的醫(yī)療影像，雖然可以判定疾病類型，但是由于肺部形狀不規(guī)則，發(fā)病部位往往十分復(fù)雜，因此對診治造成困難，難以量化分析，而且醫(yī)生也難提供個(gè)性化治療方案。但是基于深度學(xué)習(xí)的人工智能診斷，可以快速給出診斷意見，并且診斷率達(dá)78%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的臨床診斷準(zhǔn)確率。程國華強(qiáng)調(diào)，未來健培科技將會(huì)陸續(xù)對幾十種疾病進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

GPU耗能和數(shù)據(jù)流傳輸怎破?

醫(yī)療影像大數(shù)據(jù)與一般的數(shù)據(jù)不同，一般的大數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)量大，但單個(gè)文件不大。而醫(yī)療影像大數(shù)據(jù)是單個(gè)文件超大。在進(jìn)行云計(jì)算時(shí)，GPU資源消耗會(huì)特別大，而且耗能耗電會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。云計(jì)算平臺是深度學(xué)習(xí)技術(shù)的基礎(chǔ)平臺，因此，解決GPU耗能問題將是對醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行智能化分析的關(guān)鍵。

在談到此問題時(shí)，程國華表示，繪圖運(yùn)算在電影中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，但是，我們平時(shí)看到的維妙維真的動(dòng)畫，其實(shí)背后的GPU耗能很大。往往一部電影做完至少需要三年的時(shí)間，如大型動(dòng)畫電影《瘋狂動(dòng)物城》，整整做了七年，才呈現(xiàn)出我們現(xiàn)在看到的震撼畫面。動(dòng)畫不僅僅是呈現(xiàn)圖片那么簡單，它需要大量的渲染，因此其背后的運(yùn)算量十分耗能耗時(shí)。如果海量的非結(jié)構(gòu)化影像數(shù)據(jù)全部采用GPU作為計(jì)算單元，醫(yī)院將需要支付巨額的服務(wù)器和電力使用費(fèi)用，對機(jī)房的建設(shè)也有嚴(yán)格的要求，不利于產(chǎn)品的推廣、部署和使用。程國華解釋，健培科技自主研發(fā)的基于FPGA架構(gòu)的影像分析可以解決GPU運(yùn)算性能功耗高的問題，FPGA架構(gòu)特點(diǎn)是在低功耗的情況下完成高強(qiáng)度的計(jì)算任務(wù)，有助于深度學(xué)習(xí)技術(shù)真正的應(yīng)用于臨床實(shí)踐。

另外，醫(yī)療影像數(shù)據(jù)有別于其他機(jī)器視覺應(yīng)用數(shù)據(jù)的一大特點(diǎn)是圖像的連續(xù)性，單張圖像不具備分析價(jià)值，只有連續(xù)的圖像序列才能對病灶進(jìn)行完整分析，比如一個(gè)病灶的CT影像常由多個(gè)切片構(gòu)成，只有通過三維重構(gòu)將所有的病灶切片

構(gòu)建成三維模型，計(jì)算機(jī)才能更好的進(jìn)行分析診斷。健培科技自主研發(fā)的三維圖像深度學(xué)習(xí)計(jì)算引擎在醫(yī)療行業(yè)屬于首創(chuàng)，與傳統(tǒng)的圖像深度卷積網(wǎng)不同，三維的卷積網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和并行計(jì)算方面都面臨巨大挑戰(zhàn)，并且沒有現(xiàn)存的框架和庫可以使用，健培科技通過大量的實(shí)驗(yàn)和探索，研制出了計(jì)算性能(訓(xùn)練和測試時(shí)間消耗)和精確度都得到醫(yī)院客戶認(rèn)可的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基中有五項(xiàng)獲得發(fā)明專利。

政產(chǎn)學(xué)研用融合推動(dòng)智慧醫(yī)療

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，給醫(yī)療產(chǎn)業(yè)帶來廣闊的發(fā)展契機(jī)，但是，無論是醫(yī)療信息化的建設(shè)還是幫助醫(yī)療，必須以政產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的模式共同推動(dòng)，否則，任何一方孤軍奮戰(zhàn)都是一意孤行，無法真正的推動(dòng)智慧醫(yī)療落地。

程國華表示，在國家醫(yī)改政策的大背景下，政產(chǎn)學(xué)研用缺一不可，醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目必須聯(lián)合當(dāng)?shù)卣�、衛(wèi)計(jì)委、研究院、企業(yè)、醫(yī)院主體等共同推動(dòng)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。今年5月份，健培科技與哈爾濱南崗區(qū)簽訂項(xiàng)目戰(zhàn)略合作協(xié)議，健培科技投資7億落戶到哈爾濱南崗區(qū)的醫(yī)療大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，是政產(chǎn)學(xué)研用相融合模式的典范。健培科技聯(lián)合哈爾濱市政府、衛(wèi)計(jì)委、哈醫(yī)大、三甲醫(yī)院的戰(zhàn)略合作，共同推動(dòng)哈爾濱市醫(yī)療大數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，使醫(yī)療資源整合共享，最大限度的發(fā)揮醫(yī)療大數(shù)據(jù)的價(jià)值和優(yōu)勢，盡快將最新技術(shù)成果用之于民。

據(jù)了解，本醫(yī)療大數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目主要致力于醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)，建立人工智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器輔助醫(yī)生對疾病進(jìn)行診斷，主要是以幫助診療的方式來推動(dòng)國內(nèi)智慧醫(yī)療建設(shè)。

另外，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)的智能診斷，對影像質(zhì)量要求十分高，因此醫(yī)學(xué)影像必須嚴(yán)格符合一定的拍片標(biāo)準(zhǔn)，才能更好進(jìn)行分析與智能運(yùn)算，但是醫(yī)療影像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化沒有那么簡單，必須聯(lián)合政府、醫(yī)療、專家及協(xié)會(huì)共同研究與制定。據(jù)悉，健培科技正在積極聯(lián)合北京、上海大醫(yī)院以及部隊(duì)第三零九醫(yī)院等其他幾家地方醫(yī)院來推動(dòng)影像質(zhì)量與拍片標(biāo)準(zhǔn)化工作，過程雖然不易，真正落地或許也要3-5年時(shí)間，但這是未來的大趨勢。
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