本案例獲得CHIMA 2020醫(yī)院新興技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用典型案例“醫(yī)學(xué)人工智能創(chuàng)新應(yīng)用”方向二等獎。

腫瘤是危害人民健康的重大疾病，放射治療是腫瘤治療的重要手段，約70%的腫瘤患者在癌癥治療中需要放射治療。目前我國每百萬人口加速器數(shù)量約2.2臺，遠遠落后于發(fā)達國家，因此我國放療總體上處于供給嚴重不足的狀態(tài)。不僅如此，我國還存在放療中心發(fā)展不均衡的問題：一方面，具有豐富治療經(jīng)驗的大型放療中心每臺加速器日均治療100例以上患者；另一方面，部分基層放療中心每臺加速器日均治療患者人數(shù)甚至不足10例。這其中固然有不同放療中心設(shè)備差距的因素，但更重要的原因是不同放療中心醫(yī)生水平的差距。相比于高端加速器，高水平放療醫(yī)師更為稀缺。并且，放療醫(yī)師培養(yǎng)周期長、需大量培訓(xùn)資源，這導(dǎo)致在可預(yù)見的將來高水平放療醫(yī)師將持續(xù)稀缺。

靶區(qū)勾畫是放療醫(yī)師的核心工作，準確的靶區(qū)勾畫是腫瘤精準放療的基礎(chǔ)，也是放療醫(yī)師水平的體現(xiàn)。利用計算機技術(shù)，將高水平放療醫(yī)師的靶區(qū)勾畫能力進行提取、抽象、學(xué)習(xí)、復(fù)制、應(yīng)用，這將從供給側(cè)極大的提高我國放療的整體質(zhì)量和效率，是我國腫瘤放療事業(yè)發(fā)展的重大需求。

本項目利用自主研發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，學(xué)習(xí)頭部醫(yī)院大專家的腫瘤治療數(shù)據(jù)，形成標準腫瘤臨床靶區(qū)勾畫水平的網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用于一線城市三甲醫(yī)院、市縣級醫(yī)院和民營放療中心，提高治療效率，實現(xiàn)治療水平的均質(zhì)化，提高患者的五年生存率，從而提高醫(yī)院的治療吞吐量（大三甲醫(yī)院）和留住患者（市縣級醫(yī)院、民營放療中心），最終提高人民健康水平，具有極高的社會價值和商業(yè)價值。

圖1 人工智能腫瘤靶區(qū)勾畫

放療行業(yè)的主要痛點是放療中心多，但治療水平參差不齊，腫瘤醫(yī)生和物理師缺口大，靶區(qū)勾畫對預(yù)后極其重要，但缺少統(tǒng)一標準，各放療機構(gòu)和醫(yī)生只認頭部醫(yī)院的標準，靶區(qū)勾畫使用頻次高，但費時費力。

為了解決以上痛點，我們研發(fā)了人工智能腫瘤靶區(qū)勾畫系統(tǒng)，能夠縮短靶區(qū)勾畫和治療方案制定過程的時間，不改變醫(yī)生工作流程，對大三甲醫(yī)院可以提升效率、有效緩解現(xiàn)有醫(yī)療資源供需缺口；對其他二、三線市、縣醫(yī)院和民營放療中心，可以提升勾畫水平，真正實現(xiàn)大病不出縣，同時產(chǎn)生巨大的商業(yè)機會。

在服務(wù)方式上，既可以按醫(yī)院科室為中心的網(wǎng)絡(luò)部署和使用方式，讓腫瘤醫(yī)生和物理師像上網(wǎng)一樣的方式做腫瘤靶區(qū)勾畫和劑量設(shè)計，同時，通過混合云架構(gòu)設(shè)計，已經(jīng)支持互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的遠程勾畫方式，患者在當(dāng)?shù)鼐涂梢韵硎艿酱笕揍t(yī)院的勾畫和治療水平。

圖2 基于混合云的遠程勾畫系統(tǒng)

我們依托自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)和醫(yī)學(xué)影像分析核心技術(shù)，智能化分析醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)，全自動分割臨床靶區(qū)CTV，同時能自動勾畫危機器官。具體來講，我們采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）技術(shù)，用最新的雙通路網(wǎng)絡(luò)DPN替換U-NET編碼器部件；針對不同器官像素分布不均衡，提出了自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)等方法，對網(wǎng)絡(luò)進行了改進。很好的解決了網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，能處理靶區(qū)和危及器官分割中的類間不平衡問題。我們所提出的網(wǎng)絡(luò)模型如下圖所示：

圖3 自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法網(wǎng)絡(luò)模型

產(chǎn)品已支持全身主要癌種，包括術(shù)后宮頸癌CTV、根治性宮頸癌CTV、保乳術(shù)后乳腺癌CTV、全切術(shù)后乳腺癌CTV、結(jié)直腸癌CTV、鼻咽癌GTV、鼻咽癌CTV，近距離治療的勾畫，同時支持全身近百個危及器官OARs的勾畫，能滿足腫瘤醫(yī)生和物理師的絕大部分耗時工作，同時在業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)的臨床實測產(chǎn)品。支持的全身主要癌種如下圖所示：

圖4 已支持全身危及器官和主要癌種

同時，針對醫(yī)院常見的多院區(qū)管理，放療科室數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重，放射治療流程復(fù)雜的情況，本項目已經(jīng)實現(xiàn)了私有云的勾畫系統(tǒng)設(shè)計，利用私有云web訪問協(xié)議，可實現(xiàn)互聯(lián)的多院區(qū)同科室內(nèi)任意地方、任意時間、任意工作人員的日常勾畫需求，并可以和既有流程無縫集成，極大的方便科室信息化和智慧化建設(shè)要求。

’圖5 人工智能靶區(qū)勾畫產(chǎn)品亮點

因合作需要，雙方成立聯(lián)合實驗室，團隊軟件工程師和深度學(xué)習(xí)算法工程師駐場開發(fā)，技術(shù)融入臨床，和醫(yī)生進行隨時隨地的產(chǎn)品深度打磨，做到產(chǎn)品業(yè)界第一的水平。

作為業(yè)界第一款臨床靶區(qū)勾畫產(chǎn)品，利用深度學(xué)習(xí)算法和全棧醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)，能將靶區(qū)勾畫時間從2小時縮短到3分鐘，效率提升40倍，同時由于采用最高水準的勾畫訓(xùn)練樣本，臨床靶區(qū)醫(yī)生接受程度能達到90%以上。

圖6 我們的技術(shù)和其他其他深度學(xué)習(xí)準確度的比較優(yōu)勢

目前已在包括北京協(xié)和醫(yī)院、河南腫瘤醫(yī)院、北大深圳醫(yī)院、江蘇省中醫(yī)院、解放軍307醫(yī)院等在內(nèi)全國數(shù)十家醫(yī)院裝機部署、收集數(shù)據(jù)，深受用戶好評，在美國加州希望之城癌癥中心等醫(yī)療機構(gòu)裝機試用，效果良好。在腫瘤治療行業(yè)上下游領(lǐng)域，我們同瓦里安（美國）、醫(yī)科達（瑞典）、國內(nèi)的大醫(yī)集團都有深度合作，針對顱內(nèi)腫瘤SRT自動勾畫，AI劑量預(yù)測等方面加快研發(fā)布局，為實現(xiàn)信息化、智慧化放療科室建設(shè)提供支撐。

北京協(xié)和醫(yī)院放療科每年接診癌癥患者超過6000例。我們項目和產(chǎn)品與國內(nèi)治療婦科癌癥最好的北京協(xié)和醫(yī)院合作，訓(xùn)練、驗證、測試樣本超過2000例病人，保證了算法、臨床評價的行業(yè)認可度和最高水平。合作模式是深度綁定、駐場打磨產(chǎn)品。

目前協(xié)和東院區(qū)、西院區(qū)都部署我們的產(chǎn)品，每周宮頸癌病人量超過100例，同時，盆腔危機器官勾畫近百例都使用我們的產(chǎn)品。醫(yī)院試用情況已經(jīng)表明，有超過20倍的效率提升，同時保證了結(jié)果一致性，已經(jīng)具備了良好的商業(yè)化前景。

圖7 北京協(xié)和醫(yī)院的私有云訪問AI靶區(qū)勾畫應(yīng)用

同時，通過大三甲醫(yī)院數(shù)據(jù)和頭部醫(yī)院專家審核的資源，可以快速研發(fā)新產(chǎn)品，隨著數(shù)據(jù)量的積累，實現(xiàn)算法精度的不斷完善和提高，形成競爭優(yōu)勢和行業(yè)品牌。

本項目屬于醫(yī)工結(jié)合項目，由國內(nèi)著名醫(yī)療機構(gòu)醫(yī)科院北京協(xié)和醫(yī)院和北京醫(yī)智影科技有限公司聯(lián)合打造，利用自主研發(fā)的核心技術(shù)，做醫(yī)學(xué)成果轉(zhuǎn)化，解決腫瘤放射治療中最痛的痛點，既能提高治療工作效率，又能提高治療水平，實現(xiàn)腫瘤治療的均質(zhì)化，已經(jīng)有全國數(shù)十家醫(yī)院的臨床實測和好評；同時，結(jié)合云計算技術(shù)，實現(xiàn)了遠程勾畫的互聯(lián)網(wǎng)診療模式，為真正實現(xiàn)大病不出縣，享受均質(zhì)化治療服務(wù)提供了解決方案。最后，本項目的思路，實現(xiàn)途徑，所用的數(shù)據(jù)和技術(shù)，除了在放射治療領(lǐng)域應(yīng)用之外，還容易復(fù)制和推廣到進準外科的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航等領(lǐng)域，為緩解醫(yī)療資源緊張，改善治療水平提供了范本案例。

項目和產(chǎn)品一經(jīng)推出即受到行業(yè)和資本市場的關(guān)注，目前已實現(xiàn)全國數(shù)十家醫(yī)院裝機部署，已有國有資本、行業(yè)戰(zhàn)投和社會資本的數(shù)千萬投資，具有極高的社會價值和商業(yè)價值。

綜上，已有的進展和臨床落地效果標明，本項目屬于典型的醫(yī)院新興技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用案例，為提高我國腫瘤治療水平和患者預(yù)后水平，為實現(xiàn)醫(yī)院科室信息化和智慧化建設(shè)提供了良好的樣例。