计算机人工神经网络在医学领域的应用现状与展望

计算机人工神经网络是一门应用广泛，涉及多学科交叉、综合的前沿学科。人工神经网络是在对人脑神经网络的基本研究的基础上，采用数理方法和信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象，并建立的某种简化模型。突破了传统的以线性处理为基础的数字电子计算机的局限，标志着人们智能信息处理能力和模拟人脑智能行为能力的一大飞跃。近20年来，神经网络的软件模拟得到了广泛研究和应用，发展速度惊人。

由于人体与疾病的复杂性，不可预测性，非常适合人工神经网络的应用。目前的研究几乎涉及从基础医学到临床医学的所有方面，主要应用于生物信号的检测与自动分析，医学专家系统等。
在麻醉与危重医学相关领域的研究涉及到多生理变量的分析与预测，从临床数据中发现一些尚未发现或尚无确切证据的关系与现象，信号处理，干扰信号的自动区分检测，各种临床状况的预测，单独或结合其他人工智能技术进行麻醉闭环控制等。

在围术期和重症监护与治疗阶段，需要获取大量的信息，将可能在信号处理、基于动态数据驱动的辅助决策专家系统、数据挖掘、各种临床状况的预测、智能化床旁监护、远程医疗与教学、医疗机器人等各方面广泛运用到人工神经网络技术和其他人工智能技术。

一、概述

人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）是人工智能(Artificial Intelligence, AI)学科的重要分支。经过50多年的发展，已成为一门应用广泛，涉及神经生理学、认识科学、数理科学、心理学、信息科学、计算机科学、微电子学等多学科交叉、综合的前沿学科。

现代计算机的计算构成单元的速度为纳秒级，人脑中单个神经细胞的反应时间为毫秒级，计算机的运算能力为人脑的几百万倍。可是，迄今为止，计算机在解决一些人可以轻而易举完成的简单任务时，例如视觉、听觉、嗅觉，或如人脸识别、骑自行车、打球等涉及联想或经验的问题时却十分迟钝。也不具备人脑的记忆与联想能力，学习与认知能力，信息的逻辑和非逻辑加工能力，信息综合判断能力，快速的高度复杂信息处理速度等。

造成这种问题的根本原因在于，计算机与人脑采取的信息处理机制完全不同。迄今为止的各代计算机都是基于冯*纽曼工作原理：其信息存储与处理是分开的；处理的信息必须是形式化信息，即用二进制编码定义；而信息处理的方式必须是串行的。这就决定了它只擅长于数值和逻辑运算。而构成脑组织的基本单元是神经元，每个神经元有数以千计的通道同其他神经元广泛相互连接,形成复杂的生物神经网络。生物神经网络以神经元为基本信息处理单元, 对信息进行分布式存储与加工, 这种信息加工与存储相结合的群体协同工作方式使得人脑呈现出目前计算机无法模拟的神奇智能。

人工神经网络就是在对人脑神经网络的基本研究的基础上，采用数理方法和信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象，并建立的某种简化模型。一个人工神经网络是由大量神经元节点互连而成的复杂网络,用以模拟人类进行知识的表示与存储以及利用知识进行推理的行为。一个基于人工神经网络的智能系统是通过学习获取知识后建立的,它通过对大量实例的反复学习,由内部自适应机制使神经网络的互连结构及各连接权值稳定分布，这就表示了经过学习获得的知识。

人工神经网络是一种非线性的处理单元。只有当神经元对所有的输入信号的综合处理结果超过某一门限值后才输出一个信号。因此神经网络是一种具有高度非线性的超大规模连续时间动力学系统。它突破了传统的以线性处理为基础的数字电子计算机的局限，标志着人们智能信息处理能力和模拟人脑智能行为能力的一大飞跃。

近20年来，神经网络的软件模拟得到了广泛研究和应用，发展速度惊人。1987年在圣地亚哥召开了首届国际神经网络大会，国际神经网络联合会(INNS)宣告成立。这标志着世界范围内掀起神经网络开发研究热潮的开始。

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二、医学领域应用现状与前景

由于人体与疾病的复杂性，不可预测性，在生物信号与信息的表现形式、变化规律（自身变化与医学干预后变化），对其检测与信号表达，获取的数据及信息的分析、决策等诸多方面均存在大量复杂的非线性关系，非常适合人工神经网络的应用。目前的研究几乎涉及从基础医学到临床医学的所有方面，主要应用于生物信号的检测与自动分析，医学专家系统等。

1、信号处理：
在生物医学信号的检测和分析处理中主要集中对心电、脑电、肌电、胃肠电等信号的识别，脑电信号的分析，听觉诱发电位信号的提取，医学图像的识别和数据压缩处理等。

2、医学专家系统
医学专家系统就是运用专家系统的设计原理与方法, 模拟医学专家诊断、治疗疾病的思维过程编制的计算机程序, 它可以帮助医生解决复杂的医学问题, 作为医生诊断、治疗的辅助工具。 “传统”的专家系统，通过把专家的经验和知识以规则的形式存入计算机中，建立知识库，用逻辑推理的方式进行医疗诊断。但一些疑难病症的复杂形式使其很难用一些规则来描述，甚至难以用简单的语言来表达；专家们常常难以精确分析自己的智能诊断过程。另一方面，基于规则的专家系统，随着数据库规模的增大，可能导致组合爆炸，推理效率很低。由于人工神经网络能够解决知识获取途径中出现的“瓶颈”现象、知识“组合爆炸”问题以及提高知识的推理能力和自组织、自学习能力等等, 从而加速了神经网络在医学专家系统中的应用和发展。
Sordo比较了采用不同网络结构和学习算法的神经网络在诊断胎儿唐氏综合征(Down’s Syndrome) 上的成绩。正确分类率为84 %, 超过了现今所用的统计方法的60 %～70 % 的分类率。
台湾DEU科技（德亚科技）开发的计算机辅助检测系统Rapid ScreenTM RS-2000为全世界最先通过美国ＦＤＡ认证的早期肺癌辅助诊测系统。该产品采用人工智能神经网络ANN，自动标识数字胸片中可疑结节区。经台湾和美国的临床实验，可使放射专家检测T1期肺癌的能力明显提高(潜在提升约15 %以上)。
DeGroff等使用电子听诊器和人工神经网络制造了一种仪器，它可正确地区分儿童生理性和病理性杂音。用电子听诊器记录的儿童心音，输入能识别复杂参数的ANN，分析的敏感性和特异性均达100%。

3、其他：
生物信息学中的研究中可应用于基因组序列分析、蛋白质的结构预测和分类、网络智能查询等方面。
药学领域广泛应用于定量药物设计、药物分析、药动/药效学等方面。例如：用于预测药物效应。Veng-Pederson用神经网络预测阿芬太尼对兔心率的影响，对用药后180-300分钟的药物效应取得了较好的预测结果（平均相对预测准确度达78%）。分析群体药动学数据，以获知群体药动学特征和不同人口统计因子对药物行为的影响，对临床用药具有指导意义。

4、麻醉与危重医学相关领域的研究
手术室和ICU内是病人信息富集的地方，而且大量的信息处在动态变化中，随着医学技术的飞速进步，所能获取的信息越来越多，医护人员面临着“信息轰炸”。神经网络技术可以很好地帮助我们应对这些问题。例如：
1）可以用于分析多个生理变量之间的关系，帮助研究其内在的关系，或预测一些变量之间的关系：Perchiazzi在肺损伤和正常的猪容量控制机械通气中，用ANN估计肺顺应性的变化，不需要中断呼吸，与标准方法相比误差很小。
2）结合数据挖掘技术，可能从海量数据库例如电子病历系统中，发现一些尚未发现或尚无确切证据的关系与现象：Buchman 研究了神经网络和多元线形回归两种方法，用病人的基本资料、药物治疗差异和生理指标的变化预测在ICU延迟（>7天）。
3）信号处理：Ortolani等利用EEG的13个参数输入ANN，自行设计的麻醉深度指数NED0-100作为输出，比较NED与BIS之间有很好的相关性；
4）干扰信号的自动区分检测：Jeleazcov C等利用BP神经网络区分麻醉中和后检测到的EEG信号中的假信号，是传统EEG噪音检测方法的1.39-1.89倍。
5）各种临床状况的预测：Laffey用ANN预测肌肉松弛药的残留，发现明显优于医生的评估，还有用于预测propfol剂量个体差异的，预测术后恶心、呕吐，预测全麻后PACU停留时间，预测ICU死亡率等较多的研究。
6）单独或结合其他人工智能技术进行麻醉闭环控制：Huang等在全凭异丙酚静脉麻醉中，利用听觉诱发电位确定麻醉深度，结合异丙酚靶控输注效应室浓度训练ANN区分有反应和无反应者，对ANN判断的麻醉水平再用基于心率、血压的模糊逻辑控制调整，结合应对意外干扰的安全机制。
随着ANN新的理论、技术、方法的不断涌现，其模仿人智能的程度不断提升，已经在诸如专家系统、植入系统（embedded systems）、数据挖掘、多智能体系统、财金工程、生物信息学、无线通讯、制造业等领域得到了很多商业化的应用。在医学特别是麻醉、危重医学的应用研究尚不多，商业化应用更是鲜见。但在围术期和重症监护与治疗阶段，需要获取大量的信息，既有纯数据、又有生物信号、图像、文字等，既有数字化确定的信息，又有不确定和模糊的表诉，既有静态的，又有动态的，既有具有共性的征象，又有个体差异，客观上为新技术的应用提供了宽阔的舞台。将可以在信号处理、基于动态数据驱动的辅助决策专家系统、数据挖掘、各种临床状况的预测、智能化床旁监护、远程医疗与教学、医疗机器人等各方面运用人工神经网络技术和其他人工智能技术，帮助忙碌的医护人员更有效、安全、经济地为病人服务。

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