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1、人工智能人工智能人工智能人工智能 医疗中的应用医疗中的应用医疗中的应用医疗中的应用目录目录概述概述医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 达芬奇机器人达芬奇机器人展望展望4123人工智能与医疗人工智能与医疗概述概述 AIAI的三个主要分支研究领域的三个主要分支研究领域智能机器人智能机器人 就人类对就人类对外界某一特定外界某一特定环境中的客体、环境中的客体、过程和现象的过程和现象的识别功能进行识别功能进行自动模拟的科自动模拟的科学技术。学技术。在某领域在某领域内具有专家水内具有专家水平，模拟专家平，模拟专家的思维活动，的思维活动，推理判断，求推理判断，求解专门问题的解专门问题的计算机程序系计算机程序系
2、统。统。ESPRIR 医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 概念概念 运用专家系统的设计原理与方法，运用专家系统的设计原理与方法，模拟医学专家诊断、治疗疾病的思维模拟医学专家诊断、治疗疾病的思维过程编制的计算机程序，它可以帮助过程编制的计算机程序，它可以帮助医生医生解决复杂的医学问题，作为医生解决复杂的医学问题，作为医生诊断、治疗的辅助工具诊断、治疗的辅助工具。50年代年代60/70年代年代80/90年代年代现在现在 History History1966 Ledley CAD1976 Shortliffe MYCIN1982 Miller Internist-1991 Barnett 解释软件1
3、954 美国钱家其 放射治疗1959 美国Ledley 数学模型 医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 历史回顾历史回顾医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin 咨询子系统 静态数据库 非精确推理 简介简介 组成组成 工作原理工作原理MycinMycin 控制 策略 医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin简介简介由Stanford大学1972年开始研制，74年基本完成并投入实际运用的对细菌感染疾病的诊断和治疗提供咨询的计算机咨询专家系统。典型的产生式系统，由规则库、综合数据库和控制系统三个部分组成；基于规则的推理采用逆向方式。MYCIN系统试图用产生式规则的形式体现专家的判断知识，以模仿
4、专家的推理过程。医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin组成组成01 02 03 04 05 06 07 08 Year咨询开始咨询开始咨询结束咨询结束 信息流及信息流控制流程图信息流及信息流控制流程图咨询子系统咨询子系统解释子系统解释子系统INTERLISP语言语言包含包含200条关于细菌血症的规则条关于细菌血症的规则识别大概识别大概50种细菌种细菌扩展、改进后可以诊疗脑膜炎扩展、改进后可以诊疗脑膜炎医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin咨询子系统咨询子系统Mycin系统上下文系统上下文CURCULS 正在从中分离细菌的培养物正在从中分离细菌的培养物CURDRGS 目前从培养物中分
5、离出的细菌目前从培养物中分离出的细菌OPDRGS 在最近治疗过程中病人已服用的抗生素药物在最近治疗过程中病人已服用的抗生素药物OPERS 病人正在接受的治疗病人正在接受的治疗PERSON 病人状况病人状况POSSTHER 正在考虑的处方正在考虑的处方PRIORCULS 以前取得的培养物以前取得的培养物PRIORDRGS 病人以前服过的抗生素病人以前服过的抗生素PRIORORGS 以前分离的细菌以前分离的细菌PROPPTNAME AGE SEXREGIMENPROPCULSITEPRODGRG IDENT医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin咨询子系统咨询子系统上下文树上下文树临床参数：值
6、与可信度-1,1 规则形式：内部与外部逆向推理：跟踪参数医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin咨询子系统咨询子系统REGIMEN目标规则目标规则前提参数前提参数规则规则前提参数前提参数已知参数已知参数医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin静态数据库静态数据库123规则特性规则特性参数属性参数属性函数函数上下文特性及其他上下文特性及其他4规则特性规则特性医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin静态数据库静态数据库1PREMISE 规则的前提部分；ACTION 规则的操作部分；CATEGORY 规则按上下文类进行分类，每条规则只能用于某几个上下文类，这样可以便于调用；SELFREF
7、 规则是否是自我引用，如是自我引用则为1，反之则为0。参数特性参数特性医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin静态数据库静态数据库2Mycin系统上下文系统上下文CURCULS 正在从中分离细菌的培养物正在从中分离细菌的培养物CURDRGS 目前从培养物中分离出的细菌目前从培养物中分离出的细菌OPDRGS 在最近治疗过程中病人已服用的抗生素药物在最近治疗过程中病人已服用的抗生素药物OPERS 病人正在接受的治疗病人正在接受的治疗PERSON 病人状况病人状况POSSTHER 正在考虑的处方正在考虑的处方PRIORCULS 以前取得的培养物以前取得的培养物PRIORDRGS 病人以前服过的抗
8、生素病人以前服过的抗生素PRIORORGS 以前分离的细菌以前分离的细菌PROPPTNAME AGE SEXREGIMENPROPCULSITEPRODGRG IDENT参数特性参数特性医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin静态数据库静态数据库2对每个参数的一组属性对每个参数的一组属性MEMBEROF-相应的参数组的名称(例如PROP-CUL)VALUTYPE-参数的类型(单值、是非值、多值)EXPECT-所期望的参数取值范围当MYCIN需要一个单值或“是非”值参数时询问用户的问句，例如 (Enter the identity(genus)of*)医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Myc
9、in静态数据库静态数据库3用于前提部分的简单函数用于前提部分的简单函数用于操作部分的函数用于操作部分的函数专门函数专门函数最常用的是CONCLUDECONCLUDE把病人数据三元组连同可信度存入动态数据库对动态数据库中的关于病人的数值求值，并回答一个真值a)KNOWN b)SAME c)DEFIS d)LESSEQ查找静态数据库中的知识表，建立可被规则的前提利用的临时数据结构。函数函数医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin静态数据库静态数据库4每种上下文有10种特性储存在静态数据库。每当一个上下文被例示时，就要用到这些特性。这些特性也用于检验一个规则是否可用于合适的上下文表和图表，它们可
10、被规则所引用。细菌类别表、无菌部位表、非无菌部位表上下文特性上下文特性其他静态数据其他静态数据ASSOCWITHASSOCWITH医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin非精确推理非精确推理CFh，e=MBh,e-MDh,e=x,表示由于观察到证据表示由于观察到证据e，对假设对假设h的相信程度增加了的相信程度增加了x=y,表示由于观察到证据表示由于观察到证据e，对假设对假设h的相信程度减少了的相信程度减少了y由于MB、MD 0,1，所以CF -1,1 CF0，表示系统相信的假设成立；CF0，表示反对这个假设的证据更多一些，系统相信假设不成立。证据组合证据组合case1医疗诊断专家系统医疗诊
11、断专家系统 Mycin非精确推理非精确推理同时给定两个观察s1和s2对一个假设的相信和不相信程度的量度计算公式：0 ，若若MDh,s1&s2=1MBh,s1&s2=MBh,s1+MBh,s2*(1-MBh,s1，其它其它第二个观察所能增加的相信程度的最大值按只有第二个观察时对h的相信程度进行调节证据组合证据组合case2医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin非精确推理非精确推理假设的合取和析取的可信度也可以从MB和MD的组合来计算：MBh1&h2,e=min(MBh1,e,MBh2,e)MBh1orh2,e=max(MBh1,e,MBh2,e)证据组合证据组合case3MBh,s=MBh
12、，s*max(0，CFs,e)证据s完全可信时对h的相信程度使我们相信证据s的观察医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin非精确推理非精确推理问题：问题：(1)如何把人类所用的术语转换成可信度的数值。例如“这是很可能的”这样的语句所相应的可信度应是多大?(2)如何对不同的人所使用的尺度进行标准化。(3)如何反馈到数据库以改变规则的可信度的精确性。以规则为基础的系统以规则为基础的系统非精确推理系统非精确推理系统+医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统 Mycin控制策略控制策略目标引导的逆向推理PATIENTREGIMEN规则规则092前提参数前提参数TREATFOR前提参数前提参数已知参数已知参
13、数前提参数前提参数COVERPOR规则规则规则规则规则规则规则规则前提参数前提参数前提参数前提参数“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作。有人才能做的智能工作。”在医学领域，它的在医学领域，它的出现使得某些连资深专家都难以胜任的手术变出现使得某些连资深专家都难以胜任的手术变得精准而简单，这是计算机科技与生命科学碰得精准而简单，这是计算机科技与生命科学碰撞出的火花，任何人都不曾想象机器人进入医撞出的火花，任何人都不曾想象机器人进入医学领域后是如此神气学领域后是如此神气。达芬奇机器人达芬奇机器人达芬奇机器人达芬奇机器人直供大型商超它身高1
14、8m，拥有“三头四臂”，身价超过2000万。所谓三头四臂，是指它拥有3个操作平台及4只机器手臂。具体来讲，它主要由3个平台组成：外科医生控制台；外科医生控制台；患者平车；患者平车；摄像系统平车摄像系统平车。系系统结统结构及构及特特点点：外科医生控制台外科医生控制台控制台控制台 1.主控制器主控制器3.配置面板配置面板2.立体观察器立体观察器 4.脚踏开关脚踏开关为外科医生提供了在患者体内控制器械和内窥镜的手段。通过食指和拇指的并拢或分开，操作员就能启动并控制器械做一样的动作。通过配置面板调节，能为操作员提供符合要求的更加细致的图像。为操作员提供了一个图形接口，能集成左/右视频信道给出连续的三维
15、图像。能够调整焦距、转换机械臂以及提供电刀开关患者患者车平平这这一部分是一部分是达达芬奇机器人的操作部位，芬奇机器人的操作部位，为为机械臂和机械臂和内内窥窥镜镜臂提供支撑，和病人直接接臂提供支撑，和病人直接接触触，需要无菌。，需要无菌。与与之配套之配套的的双极双极平平钳钳，双关双关节节，能，能够够在在360+180范范围围内内自由活自由活动动。60%直供大型商超是一个高大的视频车，它负责将手术视野放大、成像，在手术室内的多个屏幕上做“现场直播叫”。这一部分内装有图像处理系统，在手术过程中由一名无需在无菌区的人员操作。摄摄像系像系统车统车平：平：批发 达芬奇机器人达芬奇机器人通过精密的设计通过精
16、密的设计，达芬奇机器人能够替代人手在人体狭小空间内完成各种动作，而且没有颤抖，操作更安全。3个看似独立的平台在为个看似独立的平台在为病人实施手术时虽然各病人实施手术时虽然各有分工，各司其职，却有分工，各司其职，却相辅相成、紧密关联。相辅相成、紧密关联。简单地说，达芬奇机器简单地说，达芬奇机器人就是通过现代化的各人就是通过现代化的各种技术手段，包括计算种技术手段，包括计算机技术、视频显微技术、机技术、视频显微技术、远程通讯技术及现代医远程通讯技术及现代医学技术等，将看似复杂学技术等，将看似复杂的手术在精准的操作的手术在精准的操作F顺顺利的完成。虽然它的利的完成。虽然它的4条条机械手臂很庞大，却可
17、机械手臂很庞大，却可将患者体内绿豆大小的将患者体内绿豆大小的胆结石精确地取出。胆结石精确地取出。优势优势 达芬奇机器人作达芬奇机器人作为先进科技的代为先进科技的代表，具有许多明表，具有许多明显的优势。显的优势。清晰精确清晰精确借助高清摄像头和三维影像成像系统，在多个摄像机的视野中，操纵者可以更清新的看到手术部位的具体情况，以此做出明确的判断，提高了手术的成功率和精细程度。安全安全稳定定理性的达芬奇机器人会根据操纵者的命令分毫不差的执行工作，机器人借助计算机系统能将生理震颤减小到最低，使得在进行血管复杂、空间狭小的手术时，机器人的机械手会精准的到达操纵者所要去的地方，并且角度灵活，优势明显。微微
18、创手手术它的最小创口只需要1cm，目前所使用的第二代机器人系统已经配备了5mm的操作器械，患者术后疼痛减轻、恢复快、住院时间短，输血概率降低。也使得术后感染的风险几乎降到零，这也受到很多患者的青睐。一类是手术复杂、一类是手术复杂、难度高、危险性大，难度高、危险性大，不能使用常规手术不能使用常规手术方法，或是年纪偏方法，或是年纪偏大不能耐受常规手大不能耐受常规手术创伤的病人。术创伤的病人。另一另一类是是对手手术有特殊要求的病有特殊要求的病人人目前我国机器人手术更多应用于两类人群目前我国机器人手术更多应用于两类人群：达芬奇机器人在达芬奇机器人在临床中的床中的应用用达芬奇机器人在心脏外科中达芬奇机器
19、人在心脏外科中的应用的应用：机器人心脏医生最擅长的是各种先天性心脏病、瓣膜病、房颤、冠心病、心包疾病、纵膈肿瘤等疾病的外科治疗。至今为止，已有上百位心脏病人接受过高科技机器人的治疗，几乎所有人都顺利恢复，没有并发症的发生。在在肾切除手切除手术中的中的应用：用：肾部分切除术的关键是切除时对肾实质出血的控制及镜下缝合，对术者的分离及缝合技术要求较高。借助达芬奇机器人，可以更精确稳定的实施手术。在切除的过程中，达芬奇机器人可以很快的更换适合的止血器械，使得出血量减少，缝合牢固，术后出血的情况明显降低。达芬奇机器人在临床的应用越来越广泛，很多科事都陆续借助到机器人帮助，为广大患者带来了福音，可被广泛应
20、用于临床多个科室(如肝胆、泌尿、妇科，心胸、胃肠外科等)的多种外科手术。缺陷缺陷无触觉安装操作复杂费用昂贵今后的趋势今后的趋势进一步加强人机交互，提供矢量力的反馈功能，近期正在研发中的新一代机器人系统将通过特定的软件和设备配合，使医生在操作时具有综合、实时和持续的感觉反馈。此外借助更加真实的超清晰三维影像系统及人机交互平台，手术视野将更加真实。建立虚拟手术系统，下一代的达芬奇系统将把x线三维成像技术整合到该系统中，为在手术台边进行辅助操作的助手提供一套三维成像的控制台，有利于手术医师间的沟通配合。新一代机械臂的直径5 mm的内窥镜，手术器械将具有模块化的末端操作器，且具有900的末端运动范围，
21、进一步提高灵活性和适应性。另外，下一代的内窥镜手术器械将提供定向治疗功能，包括激光、射频、冷冻、高能量汇聚的超声和热消融等先进技术，以实现进一步微创治疗。借助通信网络工程的远程手术一方面便于医疗资源的合理应用，使手术医师足不出户便可完成千里之外的手术，提高医疗资源利用率；同时便于上级医师对不同地区下级医师的工作指导与学习。1完善感觉反馈2加强图形图像处理3进一步微创化4远程手术医学专家系统存在的问题医学专家系统存在的问题计算机工程技术人员和临床专家之间知识脱节，增加了专家系统的开发难度在开发过程中，有将复杂当前应用较多的是单个专家系统，其问题求解方法单一，系统简单化、机械化的倾向。软件的发展落
22、后于硬件，缺乏一种令人满意的通用专家系统开发平台或计算机语言开发出的专家系统实用性较差，存在一些低层次重复开发和缺乏客观的、科学的、重复性好的验证系统存在的问题存在的问题注意以下几个方面的注意以下几个方面的发展展：123知识表示和推理机制知识的复杂性和模糊性，将不断对知识知识表示和推理机制知识的复杂性和模糊性，将不断对知识表示和推理机制提出新的要求，如何避免出现知识库的繁杂表示和推理机制提出新的要求，如何避免出现知识库的繁杂和推理的低效将会显的越来越突出。和推理的低效将会显的越来越突出。采用多媒体技术将图形、图像、声音等信息的特征提取和高级临采用多媒体技术将图形、图像、声音等信息的特征提取和高
23、级临床知识相结合，改变专家系统单一文字形式的知识表示，并借助床知识相结合，改变专家系统单一文字形式的知识表示，并借助于医学辅助手段来拓宽知识推理的范围。于医学辅助手段来拓宽知识推理的范围。用户界面用户界面是是专家系统与外界的接口专家系统与外界的接口，主要用于系统和外界之间的主要用于系统和外界之间的通讯与信息交换。医生在使用专家系统过程中，需要大量的人机通讯与信息交换。医生在使用专家系统过程中，需要大量的人机对话来输入病人的症状，因此必须精心设计用户界面。对话来输入病人的症状，因此必须精心设计用户界面。特点：特点：特点：特点：未来的医学未来的医学专家系家系统发展展趋势医学专家系统应以解决一些特殊的问题为目的。这些特殊的问题在计算机视觉和人工智能方面没有被研究过。人类对可视图案的认识不同于常规的推理。并且代表明确的领域知识常常在视觉认识过程中下意识地忽略了被用到的那些因素。医学专家系统的模型可能会是以多种智能技术为基础，以并行处理方式、自学能力、记忆功能、预测事件发展能力为目的。随着计算机技术、人工智能技术、遗传算法、人工神经网络技术等一些非线性技术的发展和成熟，使我们开发出新的医学专家系统成为现实。Your Business Company slogan in here