在醫(yī)院的重癥監(jiān)控病房（簡稱ICU）當(dāng)中，病情嚴(yán)重的患者需要全天連接一組設(shè)備，從而隨時得到生命體征監(jiān)控與維持。這些先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備旨在幫助病人保持生存：靜脈輸液不斷向血管內(nèi)注射營養(yǎng)劑，機(jī)械式呼吸機(jī)將空氣推入肺部，粘貼在身體上的傳感器負(fù)責(zé)追蹤心率、血壓及其它生命體征，而床邊的監(jiān)測器則會波浪形線條繪制數(shù)據(jù)結(jié)果。當(dāng)機(jī)器記錄到超出正常參數(shù)的測量值時，則會立即發(fā)出蜂鳴與警報，從而提醒醫(yī)務(wù)人員注意可能出現(xiàn)的潛在問題。

雖然這樣的場景當(dāng)中充滿了高科技元素，但這些技術(shù)本身并沒有得到充分的利用。每一臺機(jī)器都在以彼此隔離的方式監(jiān)控病患的一部分信息，且各設(shè)備之間無法協(xié)同工作——即無法捕捉或者分析豐富的數(shù)據(jù)流。ICU團(tuán)隊(duì)中的核心護(hù)理醫(yī)生、護(hù)士、呼吸治療師、藥劑師以及其他專家們顯然不可能隨時對每位病患加以密切關(guān)注。

未來的ICU將更好地利用機(jī)器及其產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流。各監(jiān)控裝置不再孤立運(yùn)作，而是對信息加以匯總，從而向醫(yī)生全面展示患者的健康狀況。此外，這些信息還將流向人工智能（簡稱AI）系統(tǒng)，并由此類系統(tǒng)據(jù)此對設(shè)備設(shè)置進(jìn)行自動調(diào)整，最終確?；颊呤冀K處于最佳健康狀態(tài)。

在我們公司——位于新澤西州霍博肯的Autonomous Healthcare公司，我們正在為ICU設(shè)計并構(gòu)建首批人工智能系統(tǒng)。這些技術(shù)方案旨在提供細(xì)致且敏銳的護(hù)理服務(wù)，如同有專家長期守在病人床邊般仔細(xì)校準(zhǔn)治療方法。這類系統(tǒng)能夠顯著降低重癥監(jiān)護(hù)病房中工作人員的負(fù)擔(dān)，更重要的是，該技術(shù)還有望幫助患者更快離開ICU環(huán)境，從而降低醫(yī)療保健成本。我們最初將著眼點(diǎn)放在美國本土的醫(yī)院當(dāng)中，但隨著人口老齡化與慢性病患病率的增加，我們意識到此類技術(shù)在世界各地都能夠發(fā)揮重大作用。

由此帶來的收益很可能極為可觀。在美國，ICU是醫(yī)療保健體制內(nèi)最昂貴的組成部分。目前每天約有5萬5千名患者在ICU接受治療，而一般的日均費(fèi)用從3千美元到1萬美元不等。相關(guān)累計成本每年超過800億美元。

隨著嬰兒潮一代逐步成為老人，ICU的重要意義也得到進(jìn)一步凸顯。當(dāng)下，美國超過半數(shù)的ICU患者年齡高于65歲——預(yù)計這部分人口將由2014年的4600萬增長至2030年的7400萬。歐洲與亞洲呈現(xiàn)出的類似趨勢，已經(jīng)使其成為一個世界性的難題。為了滿足日益增長的急性臨床護(hù)理需求，ICU需要進(jìn)一步提升自身功能與容量。在這方面，除了培養(yǎng)更多重癥監(jiān)護(hù)專家之外，引入自動化手段也是一種重要的實(shí)現(xiàn)途徑。當(dāng)然，人工智能系統(tǒng)的存在并不是為了取代人類，而是作為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的一部分，幫助醫(yī)生與護(hù)士在最需要他們的時間與地點(diǎn)運(yùn)用自己的技能。

一部分重癥患者需要佩戴機(jī)械式呼吸機(jī)［1］。這些機(jī)器能夠?qū)⒖諝馔迫敕尾?，但其?jié)奏可能與自然呼吸模式并不同步，這將導(dǎo)致患者與呼吸機(jī)間“產(chǎn)生對抗”。智能控制系統(tǒng)可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時讀取氣流通量［2］并識別不同類型的呼吸機(jī)異步［3］狀況。在這種完全自主的系統(tǒng)當(dāng)中，自適應(yīng)控制器［4］會不斷調(diào)整呼吸機(jī)的氣流，使其與患者之間保持同步。作為實(shí)現(xiàn)全面自主運(yùn)作的第一步，可以利用類似的系統(tǒng)作為ICU中的決策支持工具，從而為呼吸治療師提供設(shè)備調(diào)整建議。

在目前的ICU當(dāng)中，由于顯示器每隔幾秒就會刷新一次，因此來自床邊監(jiān)視器的數(shù)據(jù)往往無法得到全程關(guān)注。雖然一部分先進(jìn)的ICU已經(jīng)在嘗試對這些測量值加以歸檔，但醫(yī)護(hù)人員仍然很難挖掘這些數(shù)據(jù)以獲得臨床見解。

人類醫(yī)生通常既沒有時間，也沒有工具以掌握這些快速積累起來的數(shù)據(jù)。然而，人工智能系統(tǒng)卻能夠做到這一點(diǎn)。此外，其還可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取措施，例如調(diào)整關(guān)鍵ICU任務(wù)中涉及的機(jī)器。在Autonomous Healthcare公司，我們首先關(guān)注用于管理患者通氣與液體的人工智能系統(tǒng)。當(dāng)患者處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)或者患有肺衰竭（一種常見的ICU病癥）時，機(jī)械呼吸機(jī)即會發(fā)揮作用。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊后w管理將可保證患者的循環(huán)系統(tǒng)始終擁有適當(dāng)?shù)难毫魍浚瑥亩蛊渌薪M織與器官皆獲得充足的氧氣供應(yīng)。

事實(shí)上，我們的方法來自一個看似無關(guān)的領(lǐng)域：航空航天領(lǐng)域。我們兩個——Haddad與Gholami——原本都是航空航天領(lǐng)域的控制工程師。我們第一次見面是在喬治亞理工學(xué)院的航空航天工程學(xué)院，Haddad當(dāng)時是院里的動力系統(tǒng)與控制學(xué)教授，Gholami則是博士研究員。2000年之后Bailey也加入了我們的團(tuán)隊(duì)，當(dāng)時他在埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院擔(dān)任麻醉學(xué)副教授。Haddad與Bailey最初著手研究控制方法，希望能夠在手術(shù)室當(dāng)中以自動化方式實(shí)現(xiàn)麻醉劑量供應(yīng)與分娩處理。相關(guān)的臨床研究測試在亞特蘭大埃默里大學(xué)醫(yī)院以及喬治亞州蓋恩斯維爾的東北喬治亞醫(yī)療中心進(jìn)行。在此之后，我們將目光投向更為復(fù)雜且廣泛的ICU控制方向。2013年，Haddad與Gholami成立了Autonomous Healthcare公司，旨在將我們的人工智能系統(tǒng)商業(yè)化。Gholami擔(dān)任公司的CEO，Haddad出任首席科學(xué)顧問，Bailey則為首席醫(yī)療官。

那么，航空航天科學(xué)與醫(yī)學(xué)之間到底存在哪些共通點(diǎn)？具體來講，二者都涉及大量數(shù)據(jù)，必須快速處理這些數(shù)據(jù)以便在生命面臨威脅時做出決策； 此外，兩者都要求同時執(zhí)行多種任務(wù)并保持平穩(wěn)的運(yùn)作狀態(tài)。更具體地講，我們已經(jīng)看到反饋控制技術(shù)在重癥監(jiān)控醫(yī)學(xué)中的作用。這些技術(shù)利用算法與反饋通過感測、計算以及驅(qū)動等修改工程系統(tǒng)的行為。事實(shí)上，此類技術(shù)在飛行控制與空中交通管制等重要安全系統(tǒng)中可謂無處不在。

然而，飛機(jī)與醫(yī)院病患之間存在著重大差異。飛機(jī)的設(shè)計與控制基于完善的力學(xué)與空氣動力學(xué)理論，而人體則屬于極為復(fù)雜的生物系統(tǒng)——事實(shí)上，時至今日我們?nèi)匀粵]有完全理解這些系統(tǒng)的運(yùn)作方式與相互作用。

下面回到機(jī)械式呼吸機(jī)的管理方面。存在直接創(chuàng)傷、肺部感染、心力衰竭或者膿毒癥等炎癥綜合征的ICU患者可能需要呼吸機(jī)的支持，利用其將空氣壓入肺部以實(shí)現(xiàn)被動式換氣呼吸。該設(shè)備會不斷運(yùn)作以替代或者幫助患者完成自主呼吸。

然而，人與機(jī)器之間的互動往往非常微妙。人體擁有自己的自動呼吸控制機(jī)制，其中神經(jīng)系統(tǒng)觸發(fā)膈肌收縮并向下拉伸肺部，從而開始吸入空氣。呼吸機(jī)必須具備同樣的固有驅(qū)動方法，即以自然的方式同步患者的吸氣與呼氣過程，并盡可能與患者自主呼吸時的氣流量相匹配。

為了讓患者及時利用機(jī)械式呼吸機(jī)進(jìn)行呼吸輔助，Autonomous Healthcare公司的Syncrom－E系統(tǒng)能夠?qū)饬鬟M(jìn)行分析。

遺憾的是，患者的需求與機(jī)器的輸送能力之間往往存在著嚴(yán)重的不匹配問題——這可能導(dǎo)致患者與呼吸機(jī)間“產(chǎn)生對抗?！迸e例來說，患者可能天然需要更長的時間進(jìn)行吸氣，但呼吸機(jī)卻過早地轉(zhuǎn)換至呼氣階段。機(jī)械式呼吸機(jī)以及其它類型呼吸機(jī)普遍存在這種同步問題，且其直接關(guān)系到ICU內(nèi)病患的駐留時長甚至是死亡風(fēng)險。此外，專家們還沒有徹底弄清這種異步狀況會產(chǎn)生哪些更具體的不利影響； 但可以肯定的是，當(dāng)機(jī)器將空氣硬性推入肺部時，未同步的患者顯然會感到不適，而肌肉性反應(yīng)將會帶來額外的體能消耗。在美國的ICU當(dāng)中，存在嚴(yán)重呼吸機(jī)不同步問題的患者比例估計在12％至43％之間。

解決這個問題的第一步，當(dāng)然是要進(jìn)行呼吸頻率檢測。經(jīng)驗(yàn)豐富的呼吸治療師能夠持續(xù)觀察呼吸機(jī)顯示屏上的壓力指數(shù)與流量波形，從而識別出不同類型的異步問題。但在ICU當(dāng)中，一名呼吸治療師往往需要監(jiān)管10名甚至更多患者，因此其顯然無法隨時陪伴在每一位患者身邊。

在我們公司，我們設(shè)計出一套機(jī)器學(xué)習(xí)框架，能夠復(fù)制人類在檢測各類異步問題中的專業(yè)知識。為了訓(xùn)練這套系統(tǒng)，我們利用呼吸機(jī)患者的波形數(shù)據(jù)集，其中每個波形都由一組臨床專家進(jìn)行評估。我們的算法學(xué)習(xí)了多種不同的異步特征——例如特定時間點(diǎn)中氣流信號內(nèi)體現(xiàn)出的特定傾角等。在我們對算法效能的首次評估當(dāng)中，我們專注所謂的循環(huán)異步，這也是最具挑戰(zhàn)性的異步問題類型。呼吸機(jī)的呼氣已經(jīng)開始與患者自身的呼氣動作不匹配，而我們的算法能夠在對新數(shù)據(jù)集內(nèi)循環(huán)異步進(jìn)行檢測時表現(xiàn)出極高的準(zhǔn)確性，且相關(guān)結(jié)論與人類專家的判斷保持高度一致。

我們目前正在東北喬治亞醫(yī)療中心的ICU測試這套算法，從而實(shí)時檢測真實(shí)患者的呼吸異步問題。該技術(shù)已經(jīng)被納入臨床決策支持系統(tǒng)，用以幫助呼吸治療師更快更準(zhǔn)確地評估患者需求。這套框架還能夠?yàn)檠芯咳藛T提供工具，用以更好地理解產(chǎn)生呼吸異步問題的根本原因及其給患者造成的影響。我們的長期目標(biāo)是設(shè)計出新的機(jī)械式呼吸機(jī)，確保根據(jù)每位患者的需求自動調(diào)整自身設(shè)置。

提到ICU的場景，很多朋友的腦海中可能浮現(xiàn)的是患者床邊懸掛著塑料袋，液體不斷通過靜脈滴注進(jìn)入體內(nèi)。沒錯，大約四分之三的患者在ICU住院期間都確實(shí)需要接受這種藥劑注射。

然而，對注射藥劑的具體量進(jìn)行校準(zhǔn)一直未能以科學(xué)的方式進(jìn)行。事實(shí)上，追蹤患者的液體注射情況一直是項(xiàng)艱難的任務(wù)：沒有哪種現(xiàn)有醫(yī)療傳感器能夠直接監(jiān)測液體量，因此醫(yī)生只能依賴于間接性指標(biāo)，例如血壓與尿量等。而患者實(shí)際需要的液體注射量，取決于他們所罹患的疾病與當(dāng)前服用的藥物等因素。

大部分ICU病患都需要利用輸液泵與靜脈輸液［1］等方式將液體滴入靜脈。其間，保證輸入液體量的準(zhǔn)確可謂至關(guān)重要：如果循環(huán)系統(tǒng)中的液量過低或者過高，則可能引發(fā)嚴(yán)重的并發(fā)癥。智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r追蹤相關(guān)指標(biāo)［2］，例如動脈血壓及心臟泵血量； 而后，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)輸入至生理模型［3］，該模型用于表示液體如何穿過身體中的血管與組織。在這套完全自主的系統(tǒng)當(dāng)中，自適應(yīng)控制器［4］可以連續(xù)調(diào)節(jié)液體輸入量以保持患者穩(wěn)定。在起步階段，ICU醫(yī)生可以首先將這項(xiàng)技術(shù)引入提供建議的決策支持系統(tǒng)。

對于膿毒癥患者而言，獲得正確的液體注入量則更為重要。膿毒癥是一種以全身炎癥為特征且可能危及生命的綜合癥。在此類患者中，往往普遍存在血管擴(kuò)張、血壓降低，且體液自最細(xì)小的血管——即毛細(xì)血管處泄漏等問題。在這種情況下，血液能夠?yàn)槠鞴偬峁┑难鯏y帶量將有所降低，因此可能導(dǎo)致器官衰竭甚至患者死亡。醫(yī)生需要分配藥物以增強(qiáng)血壓，并將額外的液體泵入患者的循環(huán)系統(tǒng)之內(nèi)以對抗敗血癥。

其中最重要的就是注入足夠但又不致于過量的液體——過量會引發(fā)多種并發(fā)癥，包括肺水腫、肺部積液，甚至干擾正常呼吸。研究表明，液體注入量超標(biāo)有可能帶來更長的機(jī)械式呼吸機(jī)使用周期、更長的住院時間甚至是更高的死亡率。

因此，醫(yī)生的目標(biāo)是將患者的體液維持在一定水平——這一水平基于普通患者的整體模型。當(dāng)醫(yī)生們巡查ICU時，他們會通過檢查血液中的混合氣體并監(jiān)測血壓／尿量來確定患者是否處于穩(wěn)定的水平。很明顯，這種對注入液體添加時間／添加量的判斷是非常主觀的，且很難總結(jié)出普遍適用的最佳實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。

人工智能系統(tǒng)在這方面可以作得更好。其不再根據(jù)患者普遍情況制定目標(biāo)并做出決策，而是實(shí)時分析個別患者的各項(xiàng)生理指標(biāo)，并根據(jù)其具體需求不斷進(jìn)行注射液分配。

在Autonomous Healthcare公司，我們開發(fā)出一套全自動系統(tǒng)，其能夠間接測量患者的體液水平（例如血壓以及每次心跳泵出血液量的變化），而后將數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜的生理模型當(dāng)中。我們的系統(tǒng)利用這些測量值以評估液體在人體血管與組織之間的移動方式，并在出現(xiàn)新測量值時不斷調(diào)整參數(shù)。我們還擁有專門的自適應(yīng)控制器，可根據(jù)后續(xù)的流量輸入對設(shè)置做出調(diào)整。

我們技術(shù)方案的一大優(yōu)勢，在于其關(guān)注控制工程師們所謂的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性——這意味著任何對于正常狀態(tài)的振動都只會導(dǎo)致輕微且短暫的變化。目前已經(jīng)有大量工程應(yīng)用采用可確保閉環(huán)穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)——例如在飛機(jī)遭遇強(qiáng)大的湍流時，自動駕駛系統(tǒng)會進(jìn)行補(bǔ)償以盡可能降低振動幅度。然而，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備的控制系統(tǒng)都沒有這樣的保障能力。如果醫(yī)生判斷膿毒癥患者的體液水平正急劇下降，他們可能會一次性注入大量液體，并引發(fā)過度補(bǔ)償問題。

為了防止ICU患者從輸液泵中獲得的注射液量過多／過少，Autonomous Healthcare公司的CLARC系統(tǒng)能夠從循環(huán)系統(tǒng)中獲取讀數(shù)信息。

我們已經(jīng)與獸醫(yī)麻醉師與心血管生理學(xué)家Willaim Muir合作測試了這套自動化液體管理系統(tǒng)。面對正遭受出血折磨的小狗，我們利用這套系統(tǒng)調(diào)節(jié)液體的輸注操作。我們的系統(tǒng)成功令小狗保持在穩(wěn)定狀態(tài)——其每次心跳所泵送的血液量始終較為恒定。

當(dāng)然，我們還需要進(jìn)行更多測試，以獲得針對人類病患采用全自動液體管理系統(tǒng)的監(jiān)管批準(zhǔn)。與我們在呼吸機(jī)管理方面進(jìn)行的嘗試一樣，我們可以首先從為ICU建立決策支持系統(tǒng)起步。這種“人類在環(huán)”系統(tǒng)將向臨床醫(yī)生提供信息與建議，而后由臨床醫(yī)生據(jù)此對輪流泵設(shè)置做出調(diào)整。

除了呼吸與液體管理之外，與患者護(hù)理相關(guān)的其它重要自動化方向還包括疼痛管理與鎮(zhèn)靜等。在未來的ICU中，我們設(shè)想大部分此類臨床操作都可由人工智能系統(tǒng)監(jiān)控、協(xié)調(diào)與控制，由人工智能系統(tǒng)評估每位患者的生理狀態(tài)并實(shí)時調(diào)整其中的設(shè)備設(shè)置。

然而，要實(shí)現(xiàn)這一愿景，單單提供可靠的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們還必須解決醫(yī)院體系中存在的諸多監(jiān)管障礙與體制性約束。

很明顯，監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要認(rèn)真審查任何新型自主醫(yī)療系統(tǒng)。我們建議監(jiān)管機(jī)構(gòu)采用汽車與航空航天工業(yè)中常用的兩種測試框架。首先是計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，其通過計算機(jī)模擬測試算法。當(dāng)然，這些測試的前提在于模擬環(huán)境以高保真生理模型為基礎(chǔ)。目前，其在某些應(yīng)用層面已經(jīng)成為可能——例如，美國食品與藥物管理局最近批準(zhǔn)利用計算機(jī)模擬試驗(yàn)作為動物試驗(yàn)的替代方案，進(jìn)而開發(fā)出用于糖尿病患者的人工胰腺。

第二套實(shí)用性框架是利用“硬件在環(huán)”測試，其中硬件代表需要關(guān)注的對象——包括噴氣式發(fā)動機(jī)乃至人體循環(huán)系統(tǒng)。此后，大家可以在硬件平臺上測試相關(guān)設(shè)備，例如自動化液體注射泵，其能夠生成與真實(shí)臨床監(jiān)護(hù)儀上相同的數(shù)據(jù)類型。這些硬件在環(huán)測試可以證明設(shè)備在模擬與現(xiàn)實(shí)場景下?lián)碛型瑯恿己玫谋憩F(xiàn)。一旦這些技術(shù)被證明適用于危重病人，那么接下來即可真正在病患護(hù)理中進(jìn)行實(shí)地測試。

要將這些技術(shù)引入醫(yī)院，最后一步在于贏得醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可與信任。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是個普遍保守的環(huán)境，當(dāng)然這種保守也有著充分的理由。沒人愿意做出可能對患者健康產(chǎn)生威脅的變化。而我們的方法在于分階段驗(yàn)證自身技術(shù)：我們首先實(shí)現(xiàn)決策支持系統(tǒng)商業(yè)化，用以展示其功效與收益； 而后逐步轉(zhuǎn)向真正的自主系統(tǒng)。隨著人工智能水平的提升，我們相信ICU完全能夠展現(xiàn)出更智能、更安全也更健康的新面貌。