人工智能拿癌癥有辦法嗎

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，其致力于執(zhí)行通常需要人腦才能完成的任務(wù)。人工智能領(lǐng)域的一個(gè)主要分支是機(jī)器學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)通過分析數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)并執(zhí)行任務(wù)，而不需要來自人類的特定編程指令——也就是說，計(jì)算機(jī)生成自己的決策算法。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠獨(dú)立地識(shí)別數(shù)百萬數(shù)據(jù)點(diǎn)中的模式，以便進(jìn)行分類和預(yù)測(cè)。

機(jī)器學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)上有極大潛力，特別是在醫(yī)學(xué)圖像的解讀方面。它的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是速度：機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以比放射科醫(yī)師更快地解釋急性神經(jīng)損傷后的CT掃描，從而減少診斷延誤 ［1］。另一個(gè)好處是將繁瑣和重復(fù)的工作自動(dòng)化，例如檢查多個(gè)淋巴結(jié)是否有轉(zhuǎn)移性疾病的組織學(xué)證據(jù) ［1］。機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)施還可以擴(kuò)大某些通常需要專門技能服務(wù)的可及性，例如對(duì)糖尿病視網(wǎng)膜病變的視網(wǎng)膜掃描篩查 ［1］。機(jī)器學(xué)習(xí)算法有望提供比人類更快、更一致的診斷，并最終改善患者治療。

雖然機(jī)器學(xué)習(xí)有很大的前景，但也有固有的局限性，尤其是在診斷早期癌癥方面。要理解其中的原因，重要的是應(yīng)了解機(jī)器學(xué)習(xí)的工作方式。在醫(yī)學(xué)中使用的大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法都是通過監(jiān)督學(xué)習(xí)來訓(xùn)練的。在這個(gè)過程中，研究者會(huì)向計(jì)算機(jī)提供一些已經(jīng)用外部標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記過的圖像，作為 “基礎(chǔ)事實(shí)”。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的癌癥診斷需要依賴外部標(biāo)準(zhǔn)。

上圖顯示了利用組織病理學(xué)切片進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)從而診斷癌癥的簡(jiǎn)化版本。這個(gè)過程始于一組數(shù)字病理圖像被病理學(xué)家標(biāo)記為 “癌癥” 或 “非癌癥”，隨后將這些圖像分成訓(xùn)練集和測(cè)試集。計(jì)算機(jī)利用訓(xùn)練集開發(fā)能夠在沒有明確的說明或編程的情況下，根據(jù)模式（例如顏色、形狀和邊緣）最好地鑒別癌癥或非癌癥的算法。使用測(cè)試集來評(píng)估算法性能，測(cè)試集由計(jì)算機(jī)之前從未見過的圖像組成。如果有必要，可以使用其他圖像對(duì)算法進(jìn)行微調(diào)。在這一過程的每一步，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是通過判斷其診斷是否合乎病理解讀的外部標(biāo)準(zhǔn)來不斷學(xué)習(xí)的。

然而，依賴這種外部標(biāo)準(zhǔn)是有問題的，因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)并不能解決與癌癥診斷相關(guān)的核心問題：缺乏組織病理學(xué)的 “金標(biāo)準(zhǔn)”。 “什么構(gòu)成癌癥？” 這個(gè)問題沒有單一的正確答案。癌癥的臨床意義處于一個(gè)動(dòng)態(tài)過程中：癌癥是一種肯定會(huì)引起癥狀的腫瘤（通過局部浸潤(rùn)或遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移），如果不治療就會(huì)導(dǎo)致死亡。另一方面，病理解讀是建立在靜態(tài)觀察的基礎(chǔ)上的：癌癥是根據(jù)單個(gè)細(xì)胞的外觀、周圍的組織結(jié)構(gòu)以及這些特征與各種生物標(biāo)志物之間的關(guān)系來定義的。

在病理學(xué)家中進(jìn)行的觀察一致性的研究中，缺乏金標(biāo)準(zhǔn)的問題很明顯。譬如，關(guān)于前列腺、甲狀腺、乳腺病變和疑似黑色素瘤的組織病理學(xué)診斷存在爭(zhēng)議 ［2-5］。很明顯，病理學(xué)家對(duì)同一個(gè)病理切片可能有不一致的判斷（特別是關(guān)于早期病變的診斷）；目前尚不清楚的是，哪些病理學(xué)家正確地識(shí)別了具有臨床意義的癌癥。

在過去，當(dāng)病理學(xué)家檢查可以用手感覺得到的腫瘤時(shí)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的問題較小。根據(jù)病理解讀診斷出的癌癥是那些已經(jīng)引起癥狀和死亡的癌癥，或者是注定要引起癥狀和死亡的癌癥。病理學(xué)家之間的不一致可能較少見。然而，現(xiàn)在病理學(xué)家被越來越多地要求對(duì)細(xì)微的、顯微鏡下才能看見的細(xì)胞異常做出判斷。其中一些異?？赡芊习┌Y的病理定義，但不一定會(huì)導(dǎo)致癥狀或死亡——換句話說，癌癥可能被過度診斷。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行的早期癌癥診斷，無疑將比基于人類解釋的診斷更一致、更可重復(fù)。但它們不一定更接近事實(shí)——也就是說，在確定哪些腫瘤注定會(huì)引起癥狀或死亡方面，算法可能并不比人類好多少。正如病理學(xué)家的共識(shí)不能解決過度診斷的問題，機(jī)器學(xué)習(xí)也不能。

事實(shí)上，我們有理由擔(dān)心機(jī)器學(xué)習(xí)將加劇過度診斷的問題。配備了機(jī)器學(xué)習(xí)算法的設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)閱讀切片，比任何病理學(xué)家都快幾個(gè)數(shù)量級(jí) ［1］。使用這樣的設(shè)備可能會(huì)比靠人來解讀切片更便宜。這種組合將能夠檢查更多的組織切片，并可能鼓勵(lì)臨床醫(yī)師對(duì)更多的患者進(jìn)行活檢。更高的通量——更多的組織，更多的患者——只會(huì)增加發(fā)生過度診斷的機(jī)會(huì)。

雖然可重復(fù)性有一定的價(jià)值，但醫(yī)師不想冒自動(dòng)過度診斷的風(fēng)險(xiǎn)。減輕這一問題的一種方法是利用醫(yī)師關(guān)于病理診斷的分歧所顯示的信息。換句話說，使用一個(gè)基于不同病理學(xué)家小組判斷的外部標(biāo)準(zhǔn)，訓(xùn)練算法鑒別以下三種類型：一致認(rèn)為癌癥存在，一致認(rèn)為癌癥不存在，以及對(duì)癌癥是否存在存在分歧。 我們認(rèn)為，這一中間類別包含關(guān)于處于 “癌癥” 和 “非癌癥” 之間灰色地帶的病變的重要信息。

讓機(jī)器學(xué)習(xí)算法區(qū)分這三種類型有幾個(gè)原因。首先，這樣的分類方法將是高效的。通過機(jī)器快速分類切片，病理學(xué)家可以將精力和專業(yè)技術(shù)集中在組織學(xué)特征不明確的切片上，并且機(jī)器可以提醒他們?cè)\斷的不確定性，可能需要與同事會(huì)診這些不確定的診斷。其次，這樣的分類方法將是誠(chéng)實(shí)的。在癌癥診斷中強(qiáng)調(diào)灰色地帶可以鼓勵(lì)臨床醫(yī)師和患者在面對(duì)意義不確定的病變時(shí)考慮較保守的干預(yù)措施。最后，這種分類方法將是明智的。它應(yīng)該促進(jìn)對(duì)中間類型病變的自然史進(jìn)行進(jìn)一步研究，并促進(jìn)更多的期待治療研究。

在某些臨床情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)的分類將比 “癌癥” 和 “非癌癥” 這種分類更為復(fù)雜，例如前列腺癌的格里森（Gleason）評(píng)分：將世界衛(wèi)生組織使用的5個(gè)格里森評(píng)分等級(jí)分組納入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將需要15個(gè)類別來說明兩個(gè)病理學(xué)家之間的一致和不一致。考慮到這種復(fù)雜性，研究者可能會(huì)質(zhì)疑傳統(tǒng)分級(jí)的細(xì)節(jié)是否與臨床相關(guān)，或者是否應(yīng)該將重點(diǎn)放在簡(jiǎn)化診斷分類上——例如，將前列腺癌分為低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)或高風(fēng)險(xiǎn)。

與所有醫(yī)療干預(yù)措施一樣，對(duì)癌癥診斷采用機(jī)器學(xué)習(xí)既有好處，也有壞處。機(jī)器可以提高診斷的速度和一致性，但也可能加劇過度診斷。機(jī)器學(xué)習(xí)不能解決金標(biāo)準(zhǔn)問題，但可以進(jìn)一步暴露這個(gè)問題。 最終，對(duì)患者和臨床醫(yī)師來說，重要的是癌癥診斷是否與生命的長(zhǎng)短或質(zhì)量有關(guān)。我們認(rèn)為，在這種技術(shù)被廣泛采用之前，應(yīng)該認(rèn)真考慮訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法來識(shí)別 “癌癥” 和 “非癌癥” 之間的中間類別的可能性。強(qiáng)調(diào)灰色區(qū)域的存在可能為病理學(xué)家提供一個(gè)重要的機(jī)會(huì)來討論什么構(gòu)成了癌癥。