鄭琰莉 蘇文星 宋元濤
摘要 ?近年來,心血管疾病發(fā)病率逐年增高,傳統(tǒng)治療方法在臨床應(yīng)用中存在效率低、成本高等問題。機(jī)器學(xué)習(xí)具有強(qiáng)大的分析能力,可改善此類問題,在心血管疾病臨床應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)概念,梳理了機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展,總結(jié)機(jī)器學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域的不足與挑戰(zhàn),旨在為機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供參考。
關(guān)鍵詞 ?心血管疾??;機(jī)器學(xué)習(xí);臨床應(yīng)用;綜述
doi: ?10.12102/j.issn.1672.1349.2024.10.015
隨著人口老齡化進(jìn)程加快,受居民不良生活方式的影響,心血管疾病發(fā)病率逐年增高。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年,我國(guó)罹患心血管病人數(shù)約為3.3億例,且農(nóng)村地區(qū)心血管病死亡率高于城市 ?[1] 。臨床對(duì)心血管疾病的診斷主要依賴醫(yī)師對(duì)病人臨床癥狀、既往病史及輔助檢查的綜合分析。醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)水平對(duì)診療效率帶來一定的影響,且心血管疾病的診斷過程煩瑣且價(jià)格昂貴 ?[1] 。機(jī)器學(xué)習(xí)因具有強(qiáng)大的分析與處理能力,在心血管疾病臨床應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用 ?[2.3] ?,F(xiàn)梳理了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床方面應(yīng)用的研究進(jìn)展,旨在為機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供參考。
1 機(jī)器學(xué)習(xí)概述
1.1 機(jī)器學(xué)習(xí)的定義與分類
人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域,旨在模擬人類的思維過程、學(xué)習(xí)能力和知識(shí)存儲(chǔ)。機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的方法之一,通常是指系統(tǒng)通過算法從數(shù)據(jù)中獲取特征信息以自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在模式進(jìn)行相應(yīng)決策的過程。醫(yī)院儲(chǔ)存的海量電子病歷、影像學(xué)資料和實(shí)驗(yàn)室檢查數(shù)據(jù)為機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。根據(jù)不同的學(xué)習(xí)方式,機(jī)器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)及增強(qiáng)學(xué)習(xí)(見表1),可用于解決分類、回歸、聚類、降維等問題 ?[4.5] 。目前,機(jī)器學(xué)習(xí)已廣泛應(yīng)用于心血管疾病的臨床診療中,如電子病歷 ?[6] 、醫(yī)學(xué)影像 ?[7] 、心電圖 ?[8] 和評(píng)估預(yù)測(cè) ?[9] 等。
深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)重要分支,其主要是利用隱藏神經(jīng)元層對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析得到任務(wù)結(jié)果,這種模型可獲得數(shù)據(jù)信息的大量特征,通常依賴較少的假設(shè),提供較好的、穩(wěn)健的預(yù)測(cè),尤其在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)、復(fù)雜任務(wù)時(shí)表現(xiàn)出較高的效率 ?[10] 。由于其特點(diǎn),深度學(xué)習(xí)模型在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 ?[11] ,且隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)發(fā)展與公共數(shù)據(jù)資源的不斷完善,機(jī)器學(xué)習(xí)可能成為心血管疾病臨床應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。
1.2 機(jī)器學(xué)習(xí)的工作流程
機(jī)器學(xué)習(xí)的工作流程通常包括原始數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)處理、特征選擇、數(shù)據(jù)集拆分、模型構(gòu)建與優(yōu)化和模型性能指標(biāo)評(píng)估 ?[9] 。詳見圖1。數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響機(jī)器學(xué)習(xí)的性能,以往收集到的原始數(shù)據(jù)存在缺失與異常等情況,因此,處理原始數(shù)據(jù)對(duì)模型的構(gòu)建非常重要;特征選擇是從諸多可用變量中選擇對(duì)目標(biāo)貢獻(xiàn)較大的變量,提高模型的效率。數(shù)據(jù)集一般分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,前者用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練,后者用于評(píng)估其泛化能力。通過對(duì)模型參數(shù)不斷優(yōu)化,提高模型的性能指標(biāo),常用的評(píng)估指標(biāo)有準(zhǔn)確率(accuracy)、召回率(recall)、受試者工作特征曲線下面積(AUC)、F1 Score等 ?[15] 。
2 機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床中的應(yīng)用
機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床中的應(yīng)用廣泛,為進(jìn)一步說明其研究進(jìn)展,現(xiàn)回顧其在心電圖、影像學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究成果,并概述了其在電子病歷、移動(dòng)和可穿戴設(shè)備等方面的研究現(xiàn)狀。
2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)在心電圖領(lǐng)域中的應(yīng)用
心電圖是利用電生理原理記錄心臟周期性電活動(dòng)變化圖形的技術(shù),是臨床診斷心血管疾病的常用方法 之一。然而,心電圖的判讀取決于醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí) ?累積,且受判讀過程中的環(huán)境、機(jī)器、人為誤差的影響,存在誤判可能性。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)在心電圖領(lǐng)域的應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的自動(dòng)化診斷, 節(jié)省醫(yī)師大量時(shí)間,同時(shí)可提高疾病的檢出率,降低誤診率和漏診率 ?[16] 。詳見表2。
心電圖可對(duì)心律失常進(jìn)行疾病檢測(cè)與分類,目前機(jī)器學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域的研究成果頗多。Hannun等 ?[17] 收集了53 877例病人共91 232份單導(dǎo)聯(lián)心電圖,使用DNN對(duì)12種心律進(jìn)行檢測(cè)和分類,結(jié)果表明,AUC為0.97,陽性預(yù)測(cè)值和敏感度的平均F1值(0.837)高于心臟病專家平均F1值(0.780),具有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值。Chang等 ?[18] 基于38 899例病人共65 932份12導(dǎo)聯(lián)心電圖,利用LSTM對(duì)12種心律進(jìn)行檢測(cè)分類,結(jié)果顯示,LSTM模型分類的平均準(zhǔn)確率為0.90,優(yōu)于內(nèi)科專家(0.55)、急診醫(yī)生(0.73)和心臟病專家(0.83);同時(shí)LSTM的識(shí)別時(shí)間僅為5.7 s,遠(yuǎn)短于醫(yī)師判讀所需的時(shí)間。但該模型在心電圖噪聲的情況下可能無效,且對(duì)復(fù)雜的心律不能較好地進(jìn)行檢測(cè)分類。
機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管預(yù)測(cè)和疾病診斷領(lǐng)域也取得了諸多進(jìn)展。心室纖顫是一種威脅生命的疾病,若提前進(jìn)行預(yù)測(cè)可能挽救病人生命。Taye等 ?[19] 從120 s的HRV和心電圖信號(hào)中提取特征,預(yù)測(cè)心室纖顫發(fā)生前30 s的情況,結(jié)果驗(yàn)證了利用QRS波形特征預(yù)測(cè)心室纖顫發(fā)作的可行性。Raghunath等 ?[20] 收集了1984—2019年的43萬例病人的12導(dǎo)心電圖訓(xùn)練DNN,預(yù)測(cè)無心房顫動(dòng)病史的病人新發(fā)(1年內(nèi))心房顫動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn),結(jié)果顯示,AUC為0.85,預(yù)測(cè)有新發(fā)心房顫動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)敏感度為69%,特異度為81%,預(yù)測(cè)模型性能超過了目前可用的臨床模型。在疾病篩查層面,Tison等 ?[21] 聯(lián)合CNN和HMM對(duì)36 186份心電圖波段進(jìn)行分割,推導(dǎo)出一種用于心電分割的新模型篩查心 臟疾病,結(jié)果表明,該模型檢測(cè)肥厚型心肌病(HCM)的AUC為0.91, 心臟淀粉樣變性(CA)和二尖瓣脫垂(MVP)AUC分別為0.86 和0.77,為開展相關(guān)心臟疾病早期篩查提供了新思路。
綜上,機(jī)器學(xué)習(xí)在心電圖領(lǐng)域臨床應(yīng)用成果豐碩,對(duì)提高診療效率有較大幫助,但也存在數(shù)據(jù)獲 取困難、模型應(yīng)用場(chǎng)景單一、算法過程不透明化等問題亟須解決。
2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)在影像學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
除心電圖外,利用影像學(xué)對(duì)心血管疾病進(jìn)行診查也是重要的方法之一,常用的方法包括CT檢查、心臟磁共振、超聲心動(dòng)圖、光學(xué)相干斷層掃描等。機(jī)器學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別領(lǐng)域的發(fā)展迅速,可對(duì)心血管疾病影像進(jìn)行有效識(shí)別,提高診查效率。
有研究使用CNN對(duì)500多例病人和7 000份超聲視頻影像進(jìn)行識(shí)別,結(jié)果顯示,單幀和序列的準(zhǔn)確率分別為(98.3±0.6)%和(98.9±0.6)%,實(shí)時(shí)性能為每幀(4.4±0.3)ms,具有良好的性能,但由于樣本量有限,對(duì)肋骨下緣切面無法有效訓(xùn)練和評(píng)估 ?[22] 。有研究團(tuán)隊(duì)利用單光子發(fā)射CT(single photon emission computed tomography,SPECT)對(duì)心血管疾病進(jìn)行診療,Betancur等 ?[23] 對(duì)392例病人利用支持向量機(jī)模型(SVM)對(duì)瓣膜平面進(jìn)行精確分割,結(jié)果顯示,SVM的效果均好于專家效果,證實(shí)了機(jī)器學(xué)習(xí)在SPECT心肌血流灌注自動(dòng)分析中可提高準(zhǔn)確性。Mannil等 ?[24] 基于心臟計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)對(duì)27例急性心肌梗死病人,30例慢性心肌梗死病人,30例無心功能異常的對(duì)照組采用檢驗(yàn)紋理分析和機(jī)器學(xué)習(xí)是否在非對(duì)比增強(qiáng)低輻射劑量心臟計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像上檢測(cè)心肌梗死,結(jié)果顯示, 試驗(yàn)一(對(duì)照組、急性心肌梗死病人、慢性心肌梗死病人)中KNN算法效果最佳(敏感度為69.0%, 特異度為85.0%,假陽性率為15.0%);試驗(yàn)二(對(duì)照組與合并急性和慢性心肌梗死病人)中局部加權(quán)學(xué)習(xí)分類法最佳(敏感度為86%,特異度為81%,假陽性率為19.0%),AUC為0.78。
機(jī)器學(xué)習(xí)模型的內(nèi)部機(jī)制和過程解釋性不強(qiáng),導(dǎo)致機(jī)器學(xué)習(xí)在臨床應(yīng)用中受到質(zhì)疑 ?[25] ,因此,基于可解釋性的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。田瑤天等 ?[26] 對(duì)45例臨床診斷為兒童心肌炎基于可解釋性心臟磁共振(CMR)參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)預(yù)后,結(jié)果驗(yàn)證了基于可解釋性CMR組合參數(shù)建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型可預(yù)測(cè)兒童心肌炎病人預(yù)后,對(duì)臨床的應(yīng)用具有重要價(jià)值。
影像學(xué)檢查產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大,機(jī)器學(xué)習(xí)可有效地學(xué)習(xí)和處理復(fù)雜、龐大的數(shù)據(jù)集,通過快速、準(zhǔn)確地閱讀、解釋和診斷,在實(shí)現(xiàn)心血管成像工作流程自動(dòng)化方面發(fā)揮著重要作用。Qin等 ?[27] 提出了一種獨(dú)特的、新型的卷積遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CRNN)架構(gòu),利用時(shí)間序列的依賴性及傳統(tǒng)優(yōu)化算法的迭代性質(zhì),從高度欠采樣的K空間數(shù)據(jù)重建高質(zhì)量的心臟MR圖像,從而極大縮短了成像時(shí)間。Schlemper等 ?[28] 提出一個(gè)基于深度多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從欠采樣數(shù)據(jù)重建二維心臟MR圖像的動(dòng)態(tài)序列,以加速數(shù)據(jù)采集過程,該模型可在10 s內(nèi)對(duì)每個(gè)完整的動(dòng)態(tài)序列進(jìn)行重建;二維情 況,每個(gè)圖像幀可在23 ms內(nèi)重建,極大縮短了成像 時(shí)間。
2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
機(jī)器學(xué)習(xí)越來越多地應(yīng)用于心血管疾病,以解釋復(fù)雜的數(shù)據(jù),包括先進(jìn)的成像技術(shù)、EHR、生物庫(kù)、臨床試驗(yàn)、可穿戴設(shè)備、臨床傳感器、基因組學(xué)和其他分子分析技術(shù)。Tison等 ?[29] 研發(fā)并驗(yàn)證一種基于DNN的智能手表監(jiān)測(cè)病人心律變化情況并預(yù)測(cè)心房顫動(dòng)的發(fā)生,結(jié)果顯示,該研究可被動(dòng)監(jiān)測(cè)心房顫動(dòng),為預(yù)測(cè)心血管疾病的發(fā)生提供了新思路。基因組學(xué)在心血管疾病中發(fā)揮著重要作用,但由于基因檢測(cè)的復(fù)雜性,依靠人工非常困難,機(jī)器學(xué)習(xí)算法基于大量的序列數(shù)據(jù)對(duì)基因進(jìn)行識(shí)別分析,從而幫助科研人員解釋和理解該基因關(guān)聯(lián)疾病背后的機(jī)制 ?[30.31] 。袁源 ?[32] 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究矮身材心血管代謝疾?。╟ardiometabolic disease,CMD)關(guān)系,結(jié)果顯示,矮身材可增加CMD的患病風(fēng)險(xiǎn),且證實(shí)了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的rhGH預(yù)警模型可預(yù)測(cè)矮身材兒童患病風(fēng)險(xiǎn),為該領(lǐng)域的研究提供了重要參考。
無論是心電圖的檢查、影像學(xué)的生成及病人的日常病歷均記錄在電子病歷系統(tǒng)中,這是一個(gè)包涵豐富信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。有效利用電子病歷可提高醫(yī)學(xué)工作者在臨床中的工作效率,并對(duì)病人疾病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警。何硙 ?[33] 基于電子病歷,利用XGBoost算法構(gòu)建電子衰弱指數(shù),較好地預(yù)測(cè)老年住院病人住院期間及出院后1年內(nèi)不良事件發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),該研究可對(duì)老年病人有效幫助,對(duì)疾病預(yù)防領(lǐng)域有著一定的借鑒意義。楊楚詩(shī)等 ?[34] 利用行為數(shù)據(jù)、人口學(xué)指標(biāo)等驗(yàn)證了機(jī)器學(xué)習(xí)在急性心肌梗死患病風(fēng)險(xiǎn)方面的預(yù)測(cè)。
機(jī)器學(xué)習(xí)根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)構(gòu)建出相應(yīng)的模型,從而為心血管專家診療提供參考。這些方法是多學(xué)科的交融,并非以人工智能取代醫(yī)生。加速數(shù)字化的臨床應(yīng)用將幫助病人獲得足夠的診療時(shí)間,改善病人和醫(yī)護(hù)人員之間的關(guān)系。
3 小結(jié)與展望
為了較好地推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病中的應(yīng)用,本文首先介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)的概念,之后梳理了機(jī)器學(xué)習(xí)在心電圖、影像學(xué)領(lǐng)域中的研究成果,根據(jù)目前研究熱點(diǎn)總結(jié)了其在可穿戴設(shè)備、基因組學(xué)、電子病歷等方面的研究現(xiàn)狀。機(jī)器學(xué)習(xí)已成為心血管醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)且極具發(fā)展前景,較好地解決了部分醫(yī)師診療經(jīng)驗(yàn)不足及過程繁雜等問題,提高了心血管疾病診療效率與準(zhǔn)確度,有助于緩解醫(yī)療壓力,降低病人就醫(yī)成本,提高醫(yī)療機(jī)構(gòu)的管理效率,為醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)字化發(fā)展貢獻(xiàn)一份微薄之力。
機(jī)器學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域中有一定局限性與挑戰(zhàn),包括數(shù)據(jù)、倫理、技術(shù)3個(gè)方面。首先數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定機(jī)器學(xué)習(xí)模型效果,受到采集等影響常出現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本量不足、數(shù)據(jù)標(biāo)注質(zhì)量不高、樣本類別不平衡等,使機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用產(chǎn)生一定的局限。目前的研究多數(shù)是基于特定的數(shù)據(jù)集對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行構(gòu)建,模型的普適性較低,且由于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的特殊性,模型的準(zhǔn)確率尚不能達(dá)到在臨床廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型普遍存在解釋性不足的問題,模型的內(nèi)部邏輯復(fù)雜,造成了臨床人員有一定的抵觸心理。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的過程中,還因涉及病人隱私導(dǎo)致的一些倫理問題。隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量的不斷提高,機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的持續(xù)完善,在醫(yī)患與社會(huì)的共同努力下,機(jī)器學(xué)習(xí)在心血管疾病臨床中的應(yīng)用有廣闊的前景。
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(收稿日期:2023.02.02)
(本文編輯 薛妮)