我國檢驗醫(yī)學(xué)發(fā)展已經(jīng)有近百年的歷史,我們經(jīng)歷過手工檢驗的最初時代,也經(jīng)歷甚至見證了從半自動化分析到全自動化分析的飛速發(fā)展階段,參與或?qū)嵺`了全實驗室自動化和實驗室信息化的新時代,下一個檢驗醫(yī)學(xué)發(fā)展的熱點和飛躍或許在人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術(shù)的應(yīng)用,我們是否會趕上這一進程,投入到這一進程中呢?
國際臨床化學(xué)委員會(IFCC)主席Maurizio Ferrari先生在一篇《How to imagine the future of laboratory medicine》的報告中指出,未來檢驗醫(yī)學(xué)發(fā)展會依賴電子計算機和信息技術(shù),從電子高速路的創(chuàng)建和創(chuàng)新,到人工智能檢驗結(jié)果的判讀,特別是自動細胞識別等新技術(shù)的應(yīng)用,可在未來的檢驗醫(yī)學(xué)發(fā)展和構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。中華醫(yī)學(xué)會檢驗分會主任委員潘柏申教授也在第13屆全國檢驗醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上指出,檢驗醫(yī)學(xué)的未來發(fā)展契機包括標準化、自動化和智能化,大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的密切結(jié)合。智能化及以人工智能作為平臺,建立臨床化學(xué)與免疫學(xué)、血液學(xué)及體液學(xué)檢驗領(lǐng)域的自動判斷和審核,還可在細胞形態(tài)學(xué)的自動化識別,實驗室物流系統(tǒng),遠程控制與增強現(xiàn)實,自動采血機器人研發(fā)與應(yīng)用等方面,將有更深入的研究與發(fā)展,具有廣闊的發(fā)展空間。
1、體液細胞智能化檢驗設(shè)備
形態(tài)學(xué)識別與智能化檢驗設(shè)備最為廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域,它涵蓋了血液和體液的諸多樣本的形態(tài)學(xué)檢驗內(nèi)容。
在尿液有形成分分析中的應(yīng)用:數(shù)字圖像(digital imaging)分析原理研發(fā)的尿液有形成分分析儀,通過數(shù)字圖像成像技術(shù)提取顆粒的多種形態(tài)特征參數(shù),建立識別模型和算法。在檢測未知顆粒時,首先提取顆粒特征參數(shù),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫已知數(shù)據(jù)進行計算和比對,判斷結(jié)果,識別、顯示和報告結(jié)果。此類儀器也是應(yīng)用較為廣泛的一種尿液形態(tài)學(xué)分析設(shè)備,國內(nèi)已制定了YY/T 0996-2015《尿液有形成分分析儀(數(shù)字成像自動識別)》國家醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)標準,為規(guī)范設(shè)備研發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量和性能評價提供了參考方法。而許多尿液有形成分分析儀已經(jīng)與尿干化學(xué)分析儀進行連接,形成尿液分析的流水線系統(tǒng)。
計算機輔助精液分析系統(tǒng)的應(yīng)用:可跟蹤單個精子細胞的活動,分析精子大小和形態(tài),可對精液中的精子密度進行定量測定,還可以對精子活力、活力分級、活動率等參數(shù)進行分析,系統(tǒng)檢查項目至少滿足WHO有關(guān)人類精子檢測的基本要求,而獨特的精子運動參數(shù)也是該類設(shè)備的分析亮點。
在糞便自動化分析中的應(yīng)用: 通過對標本進行取樣、制片和拍攝數(shù)字圖像,最終采用圖像法對糞便中的細胞、結(jié)晶、蟲卵等成分進行數(shù)字化識別判斷,還能對糞便的一般性狀及常用的化學(xué)檢查項目如潛血、轉(zhuǎn)鐵蛋白、鈣衛(wèi)蛋白進行測定,如果添加輪狀病毒、腺病毒和諾如病毒抗體進行測定,則可用于腹瀉疾病的篩查。糞便顯微鏡形態(tài)學(xué)檢驗已經(jīng)初步開啟了自動化時代和人工智能應(yīng)用時代,走在世界相同檢驗領(lǐng)域的前列。
在陰道分泌物和宮頸細胞學(xué)檢驗中的應(yīng)用:儀器將標本處理后注入特定的分析檢測板內(nèi),通過數(shù)字圖像系統(tǒng)對標本中出現(xiàn)的有形成分進行數(shù)字拍攝和智能識別,從而達到對細胞、霉菌、滴蟲等常見成分進行篩查檢測。在宮頸細胞學(xué)涂片檢驗的人工智能輔助篩查方面也有一定進展,例如可分析細胞涂片中是否存在病變細胞,可以篩除陰性細胞涂片樣本,再將疑似陽性的涂片提交醫(yī)生再次審核判斷,可幫助醫(yī)生節(jié)省大約90%以上的閱片時間,提高診斷效率。
2、血細胞分析的智能化
目前我們所熟識的某品牌數(shù)字血細胞分析設(shè)備已經(jīng)在血涂片和體液涂片細胞識別方面已經(jīng)取得了一定的成功,國內(nèi)也有類似的產(chǎn)品在研發(fā)和應(yīng)用。設(shè)備的分析程序為在已染色的血涂片上,先用10倍物鏡頭掃描血片的單細胞層并定位白細胞,再轉(zhuǎn)換為50倍特殊油鏡頭掃描確定單層紅細胞層,進行紅細胞形態(tài)分析和血小板數(shù)量評估,繼續(xù)轉(zhuǎn)換為100倍油鏡頭后掃描分析定位的白細胞,對白細胞進行分類及異常有核細胞識別與初篩。設(shè)備可對紅細胞形態(tài)進行分類處理,將紅細胞劃分為血紅蛋白含量(顏色)異常、內(nèi)含物異常、大小不同異常和形態(tài)不同異常等數(shù)十種形態(tài);白細胞可給出正常白細胞分類,還可進行外周血的異常細胞初篩、原始幼稚細胞初篩、血小板聚集、有核紅細胞識別等。儀器還可以完成對腦脊液,漿膜腔積液、肺泡灌洗液等樣本的分析,目前已經(jīng)可以連接到血細胞分析儀的流水線系統(tǒng)中,使血常規(guī)計數(shù)結(jié)果與形態(tài)學(xué)檢測或復(fù)檢成為一體,甚至可以實施通過網(wǎng)絡(luò)進行形態(tài)學(xué)圖像遠程會診。
另一款新型血細胞分析系統(tǒng)是以數(shù)字化、形態(tài)學(xué)和人工智能原理進行細胞分析的檢測系統(tǒng),它需要30 μL全血通過噴涂制備血涂片,后進行染色,再行拍攝及數(shù)字化細胞,最后進行數(shù)字化細胞分類、計數(shù)、計算與鑒別等步驟,即可完成血常規(guī)中CBC+Diff+Ret的所有檢測數(shù)據(jù)。這種儀器不再采用傳統(tǒng)的物理、化學(xué)、熒光等染色技術(shù)、也不需要鞘流技術(shù),甚至不需要復(fù)雜的液體試劑。他它既可給出細胞數(shù)量,也能給出細胞的形態(tài)學(xué)報告和分析結(jié)果,其血涂片標本可以保留更長的時間以便回顧性分析和研究,具有獨特的優(yōu)勢。
3、人工智能在微生物檢驗領(lǐng)域的應(yīng)用
目前已經(jīng)有了用于分枝桿菌檢驗的顯微掃描拍攝系統(tǒng),該系統(tǒng)采用人工智能的檢測算法來掃描熒光涂片的高分辨率數(shù)字影像,自動對其中的懷疑熒光體進行評分,從而根據(jù)國際防癆與肺疾病聯(lián)合會標準,判斷每個視野和涂片的陽陰性,和總體抗酸桿菌密度狀態(tài)等,智能化的篩檢出分枝桿菌,最結(jié)果應(yīng)由有經(jīng)驗的檢驗者審核確認。儀器可對大量陰性標本和視野篩檢過濾,加快了檢測速度,降低了勞動強度。
據(jù)了解,全球首個微生物質(zhì)譜云中心已在中國建立。該項目經(jīng)過3萬株菌的蛋白質(zhì)組生物信息分析,開創(chuàng)了非線性相似性度量的人工智能算法,建立了超過370屬2200種7900株的微生物蛋白指紋圖譜數(shù)據(jù)庫及全球首個微生物質(zhì)譜云中心,實現(xiàn)了2200種微生物在培養(yǎng)后5 min內(nèi)快速鑒定的飛行時間質(zhì)譜系統(tǒng)。目前該數(shù)據(jù)庫已經(jīng)拓展至8100株,臨床驗證數(shù)量超過15萬株。該成果已在包括北京協(xié)和醫(yī)院在內(nèi)的40余家醫(yī)院及科研單位開展應(yīng)用并獲得一致好評。這也是在微生物檢驗領(lǐng)域應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能技術(shù)所獲得的一項重要成果。
4、人工智能在染色體分析中的應(yīng)用
對制備好的染色體涂片進行掃描拍攝,再通過圖像采集模塊采集一定數(shù)量的染色體核型圖,進行數(shù)字處理和優(yōu)化后,通過染色體核型分析系統(tǒng)進行分析。智能化的軟件可對人體46條染色體圖像進行自動分割,包括將交叉、粘連、重疊的染色體進行自動或手工輔助分割,將相同標號的染色體匯集配對。系統(tǒng)可識別染色體數(shù)量、畸變、染色體數(shù)目增多/減少和三倍體等突變,對染色體結(jié)構(gòu)畸變,染色體缺失、易位、倒位、插入、重復(fù)等常見異常也可初步識別判斷。
5、檢驗結(jié)果自動審核與智能化
自動審核是人工智能與檢驗醫(yī)學(xué)的完美結(jié)合,是分析后檢驗程序標準化、自動化、智能化的飛躍,如今已受到越來越多臨床實驗室的關(guān)注,已經(jīng)有了一些在臨床生化和免疫學(xué)檢驗,血液學(xué)檢驗等領(lǐng)域的應(yīng)用實踐。在強大的LIS和HIS系統(tǒng)支持下,經(jīng)過精心設(shè)定的自動審核系統(tǒng),集中了檢驗工作者和臨床醫(yī)師的智慧,將絕大部分能夠通過審核的樣本進行自動審核,觸犯規(guī)則的則不通過審核,改由人工審核。隨著醫(yī)療水平與檢驗自動化程度的不斷提升,醫(yī)學(xué)檢驗已進入前所未有的大數(shù)據(jù)應(yīng)用時代。臨床檢驗報告自動審核專家系統(tǒng)可有效提高檢驗報告的準確性,大大提升檢驗報告審核的速度。由北京協(xié)和醫(yī)院檢驗科牽頭的《臨床實驗室定量檢驗結(jié)果的自動審核程序建立與驗證》國家行業(yè)標準正在審核中。
6、自動采血機器人
一種稱為Veebot的自動采血機器人已經(jīng)在美國出現(xiàn),國內(nèi)也有廠家處于研發(fā)之中。患者將手臂伸進拱體中,充氣的袖套會收縮,將手臂固定住,壓縮血流,讓血管更容易顯現(xiàn),機器人用紅外線相機探測照射手肘內(nèi)側(cè),配合超聲波與機器視覺技術(shù)定位靜脈位置,自動分析所拍攝的影像,檢查血管構(gòu)造與內(nèi)部血液流量,找出最適合采血的血管和位置后,機器人會校準針頭,選擇最佳角度,迅速將針頭穿刺進入血管,通過真空采血管的負壓抽取足夠量的血液標本,整個流程約1 min。采血機器人主要應(yīng)用了智能交互技術(shù)、智能生物識別技術(shù),以及智能導(dǎo)航控制技術(shù),變?nèi)斯{經(jīng)驗盲目穿刺為精準可視化穿刺,實現(xiàn)了自動化、標準化、精準化,把醫(yī)護人員從高頻、高難、高危的工作中解脫出來。
7、人工智能在標本自動傳輸物流系統(tǒng)中的應(yīng)用
標本的自動傳輸在許多醫(yī)院已經(jīng)成為現(xiàn)實,檢驗科實驗室可以通過軌道或氣動管道傳輸系統(tǒng)、智能化的物流管理系統(tǒng),從醫(yī)院各個病區(qū)、門診或急診、采血窗口迅速、及時獲取標本。最快的氣動管道傳輸系統(tǒng),傳輸速度可達600 m/min。臨床醫(yī)師也可以通過HIS及時了解采血時間、送檢時間、檢驗科接收時間、檢測時間、簽發(fā)時間等信息。在一些醫(yī)院還有了實驗室自動送檢運輸機器人,它會按預(yù)定的路線將窗口接收的標本運送到不同的工作區(qū)或不同的操作工位,未來將會有無人機將標本跨建筑、跨樓層送檢。智能化的標本自動傳輸物流系統(tǒng)也是現(xiàn)代化醫(yī)院所必不可少的配置。
8、人工智能技術(shù)在檢驗醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用設(shè)想與展望
在2017年全國“兩會”上,國務(wù)院總理李克強發(fā)表了政府工作報告,指出要加快培育壯大包括人工智能在內(nèi)的新興產(chǎn)業(yè),“人工智能”也首次被寫入了政府工作報告。在這個“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代,人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷滲入醫(yī)療領(lǐng)域和大健康領(lǐng)域,筆者認為,一個醫(yī)院的現(xiàn)代化不僅僅體現(xiàn)在醫(yī)療技術(shù)能力強、設(shè)備先進、管理有效這個層面上,還應(yīng)體現(xiàn)在信息化和智能化應(yīng)用方面。筆者從用戶的角度對人工智能在醫(yī)院檢驗科中的應(yīng)用做了以下設(shè)想。
1. 自動化質(zhì)量控制運行程序及智能化判斷:這些輔助設(shè)備和程序應(yīng)該配合自動化分析設(shè)備聯(lián)合使用,實現(xiàn)自動化運行、判斷、存儲數(shù)據(jù)、靶值累積、提示報警等功能。
2. 人工智能輔助診斷:自動報告審核系統(tǒng)能夠?qū)⒒颊咧委煼桨福ㄌ貏e是化療和放射治療)、藥物影響因素、標本采集條件、檢驗項目的不確定度等結(jié)果的發(fā)展變化與患者具體診斷治療情況結(jié)合進行大數(shù)據(jù)的綜合分析,并給出其發(fā)展變化趨勢及預(yù)后等信息。還可提供該項目在疾病診斷中的敏感性和特異性,及相關(guān)檢驗檢查的追加選擇建議等。
3. 個體化檢驗診斷提示:對個體化的檢驗結(jié)果進行分析,對相關(guān)的各種影響因素進行判斷與鑒別,結(jié)合大數(shù)據(jù)對個體檢驗數(shù)據(jù)的變化提供干預(yù)預(yù)警和報警等。建立個體化檢驗指標的參考區(qū)間,隨時觀察個體檢驗指標的變化趨勢。
4.大數(shù)據(jù)與臨床研究: 與臨床結(jié)合,與多種檢驗、檢查數(shù)據(jù)結(jié)合,進行大數(shù)據(jù)研究與分析,可以發(fā)現(xiàn)某些檢驗數(shù)據(jù)與疾病的發(fā)生、發(fā)展、診斷和變化之間的聯(lián)系。通過大數(shù)據(jù)分析可以深度挖掘研究數(shù)據(jù),可能獲得意想不到的結(jié)果。
5.繼續(xù)提高形態(tài)學(xué)人工智能設(shè)備識別能力,不斷提高智能化設(shè)備對各種標本的形態(tài)學(xué)識別能力和正確鑒別能力,繼續(xù)擴大數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫,改進算法,增加特征參數(shù),深入學(xué)習(xí)訓(xùn)練,添加特殊染色,添加其他輔助專業(yè)技術(shù)等,進行不斷改進與提升。而骨髓檢查也許是形態(tài)學(xué)檢驗中最難以完成的任務(wù),是否可以配合流式細胞術(shù)、特殊染色分析、組化分析、基因分析、遺傳學(xué)檢查等多種技術(shù)的綜合智能分析,給出更科學(xué)的診斷報告。
9、結(jié)束語
醫(yī)學(xué)檢驗在計算機技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代,在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、云存儲、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷與醫(yī)療、大健康行業(yè)互相滲透的環(huán)境下,以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的人工智能模型的建立,將對疾病防控、癌癥篩查、病種分布、遺傳圖譜、基因檢測、人體數(shù)據(jù)分析等帶來有價值的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。在精準醫(yī)療愈發(fā)受到重視的今天,這些都成為了其中不可缺少的要素,這是實現(xiàn)人工智能應(yīng)用的重要體現(xiàn)和方向,或許也是未來人工智能+檢驗醫(yī)學(xué)要走的方向。
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