騰訊提出器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 全自動輔助頭頸放療規(guī)劃

騰訊醫(yī)療AI實驗室又有新研究。這次跟美國加州大學(xué)合作，在國際權(quán)威期刊《Medical Physics》發(fā)表最新研究成果：《器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：深度學(xué)習(xí)用于快速和全自動整體頭頸危及器官靶區(qū)勾畫》。

該研究成果能讓AI在頭頸等重要器官的放射治療規(guī)劃中，發(fā)揮精準規(guī)劃作用，最大限度將放射劑量集中在靶區(qū)內(nèi)，而周圍正常組織或器官少受或免受不必要的傷害。

比起單純依靠人類醫(yī)生，可以提升診療規(guī)劃效率，降低勾勒時長，還能提升勾畫準確率。

可以說是患者福音，醫(yī)生益友。

基于深度學(xué)習(xí)的放療靶區(qū)自動勾畫

這個研究是這樣的：

每年有超過六十萬人被診斷患有頭頸部癌癥，其中許多人選擇接受放射治療。

但頭頸部重要器官比較集中，解剖關(guān)系復(fù)雜，如果在治療前未仔細隔離，放療時周圍組織可能會嚴重受損。

在頭頸癌放療過程中，醫(yī)生根據(jù)患者CT圖像手動描繪放療靶區(qū)和危及器官（Organ at Risk，OaR），目的是最大限度將放射劑量集中在靶區(qū)內(nèi)，而周圍正常組織或器官少受或免受不必要的傷害。

然而勾勒過程非常耗時，降低診療效率的同時，更是耽誤了患者的治療時間。

若能讓AI幫助分割過程，輔助放療規(guī)劃，肯定能協(xié)助醫(yī)生、幫助患者。

于是圍繞該問題，騰訊醫(yī)療AI實驗室和加州大學(xué)提出一種深度學(xué)習(xí)模型——器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AnatomyNet）。

該模型可以快速地對整張CT的所有切片進行全自動化器官分割（Segmentation），在小于1秒鐘的時間內(nèi)完成一整幅頭頸CT的危及器官勾畫，大幅度提升放療靶區(qū)勾畫效率。

器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是頭頸CT圖像的所有切片。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以一次性產(chǎn)生所有危及器官的預(yù)測結(jié)果。

具體構(gòu)建上，器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于常用的三維U網(wǎng)絡(luò)（U-net）架構(gòu)，但是騰訊AI實驗室在三個重要的方面對其進行了擴展：

1）一種新的在整幅CT圖像上進行自動分割的編碼方式，而不是在局部圖像塊上，或者一部分CT圖像切片上分割；

2）在編碼層中，加入三維Squeeze-and-Excitation殘差結(jié)構(gòu)來進行更好的特征表示學(xué)習(xí)；

3）一種新的結(jié)合Dice損失和Focal損失的損失函數(shù)，用來更好地訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在深度學(xué)習(xí)的器官分割中，使用這些技巧解決兩個主要的挑戰(zhàn)：a）小器官的分割（比如，視神經(jīng)和視交叉）。這些小器官僅僅只有幾個切片。b）對于一些器官結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)標注不一致以及標注缺失給訓(xùn)練造成一些問題。

△器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)危及器官分割結(jié)果

如上圖所示，其中綠色為醫(yī)生標注，紅色為器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果，黃色表示標注和預(yù)測重合，結(jié)果顯示高度一致。

從下面的動態(tài)圖上，可以更清晰看到器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和醫(yī)生標注的連續(xù)過程，其中左邊顯示的是醫(yī)生標注，右邊顯示的是器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果。

從結(jié)果上說：和之前MICCAI競賽中最好的方法相比，器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均提升了3.3%的Dice指標。

器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)僅僅使用0.12秒就可以完全完成一整幅CT圖像（178×512×512）的分割。

該速度極大地縮短了之前方法所用的時間（20分鐘以上）。

除此之外，該模型可以處理一整幅包含所有切片的CT圖像，以及一次性勾畫所有的危及器官，不需要很復(fù)雜的預(yù)處理以及后處理。

這證明，深度學(xué)習(xí)可以提升器官分割準確率，簡化自動分割器官的流程。

國際權(quán)威期刊刊發(fā)

騰訊醫(yī)療AI實驗室和加州大學(xué)的聯(lián)合研究成果，首刊于《Medical Physics》，這是是美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家學(xué)會（The American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的官方期刊。

該研究成果在期刊上發(fā)表后，目前已經(jīng)被多個機構(gòu)引用。

美國德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心（MD Anderson Cancer Center）對騰訊醫(yī)療AI實驗室的“器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”表示關(guān)注，并把該研究成果作為中心一項大規(guī)模研究的重要部分。

該中心在美國乃至全球皆享譽盛名，多次被評為美國最佳癌癥研究機構(gòu)，也是公認的全球最好的腫瘤醫(yī)院。

此外，論文一經(jīng)發(fā)布，很快被加拿大瑞爾森大學(xué)、中國中科院等多家機構(gòu)學(xué)者在其研究報告中被提及和引用，作為最新的研究突破獲得國內(nèi)外認可。

一旦更多研究機構(gòu)和人力參與其中，規(guī)模化落地速度可能也會加快，實乃人類福音。

騰訊醫(yī)療AI實驗室

最后，簡單介紹下騰訊醫(yī)療AI實驗室。

這是騰訊專為醫(yī)療領(lǐng)域打造的AI實驗室，創(chuàng)建于2017年年底，目前在硅谷、北京、深圳設(shè)立了三個分支。

其作為騰訊醫(yī)療健康領(lǐng)域眾重要技術(shù)驅(qū)動，騰訊AI實驗室主要以學(xué)術(shù)研究層面發(fā)力，希望在AI醫(yī)學(xué)前沿領(lǐng)域取得突破。

實驗室的主要研究方向是基于自然語言理解、醫(yī)學(xué)知識圖譜、深度學(xué)習(xí)、醫(yī)療影像、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、多模態(tài)分析等基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)建醫(yī)學(xué)知識引擎、醫(yī)療推理引擎、臨床輔助診斷引擎、問診對話引擎等智能平臺。

更早之前，騰訊醫(yī)療AI實驗室已推出帕金森病運動功能智能評估系統(tǒng)，其他主要產(chǎn)品還包括臨床輔助決策支持系統(tǒng)，面向腦卒中、急性冠脈綜合癥等高危易誤診疾病提供臨床輔助決策支持，以及心電圖智能分析軟件，利用AI技術(shù)實現(xiàn)心電圖監(jiān)測結(jié)果的自動判讀和預(yù)警等。

今年7月，騰訊醫(yī)療AI實驗室還有3篇論文分別被KDD 2018、SIGIR 2018、COLING 2018三個國際頂尖學(xué)術(shù)會議收錄，論文的主要研究方向為醫(yī)療知識圖譜中實體關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。