人工智能影像加速技術(shù)風(fēng)口來(lái)臨
眾所周知，給沙漠中的采油者賣(mài)水，給美國(guó)淘金者賣(mài)鏟子，是一種生財(cái)之道。
我們熟知的影像設(shè)備供應(yīng)鏈上，有很多知名的企業(yè)，比如萬(wàn)睿視、當(dāng)立、住友等，提供高壓發(fā)生器、平板探測(cè)器、球管、冷頭等核心部件。這些低調(diào)的隱形冠軍掌握著核心技術(shù)，也獲得了產(chǎn)業(yè)鏈中一大部分利潤(rùn)。
除硬件之外，影像成像方法、后處理等軟件驅(qū)動(dòng)力方面，是什么情況？今天就來(lái)談一下成像加速技術(shù)。
1、即將起飛的AI加速技術(shù)
僅看2014-2019年，中國(guó)的核磁共振保有量增長(zhǎng)超過(guò)一倍，突破一萬(wàn)臺(tái)。雖然因?yàn)橐咔橛绊?，門(mén)診量受到了一定的沖擊，但是磁共振檢查預(yù)約難已經(jīng)成為了常態(tài)。
“以前這個(gè)核磁序列需要7分半，現(xiàn)在3分鐘左右就完成了”，“這個(gè)1.5T的圖像空間分辨率快接近3T了”，“PET用藥量下降一半甚至更多，成像速度也更快了”，“介入手術(shù)造影劑明顯減少” ?。近年來(lái)，這樣帶來(lái)巨大臨床益處的說(shuō)法越來(lái)越多，并且各個(gè)主機(jī)廠也宣稱(chēng)掌握了核心加速技術(shù)，使得成像更快、圖像更優(yōu)、成本更低，并且患者傷害更小。香是真香，一些整機(jī)已經(jīng)部署到醫(yī)院中，相信很快，是否具備加速技術(shù)就會(huì)成為衡量設(shè)備性能一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。
診斷醫(yī)生可不管圖像如何生成的，哪怕你使用的魔法。
回顧過(guò)去十幾年直至今日的加速技術(shù)，以核磁為例，走過(guò)了并行加速時(shí)代、壓縮感知時(shí)代和AI加速時(shí)代。
【并行加速時(shí)代】除了提升硬件性能，例如增加線圈密度，提升通道數(shù)等，并行采集，多平面同時(shí)采集，spark k空間填充等技術(shù)都在一定程度上提升了采集和讀取速度。但是總體說(shuō)來(lái)，都還在能奎斯特采樣定理的束縛下進(jìn)行（能奎斯特定理表明要想還原信號(hào)，采樣率就要至少為原信號(hào)最高頻率的2倍 ）。
【壓縮感知時(shí)代】后來(lái)，并行加速的邊際效應(yīng)遞減。但是著名數(shù)學(xué)家陶哲軒，早在2004年就證明了還原的是稀疏信號(hào)時(shí)，采樣率可小于最高頻率的兩倍。
這就是稀疏采樣Sparse sampling，也就也被稱(chēng)為壓縮采樣 Compressive sampling，即壓縮感知 Compressed sensing。十幾年后，壓縮感知加速技術(shù)在MR中產(chǎn)品化。
壓縮感知磁共振(圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng))
【AI加速時(shí)代】再后來(lái)，AI的引進(jìn)，又顛覆了加速技術(shù)的應(yīng)用。基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用高質(zhì)量的訓(xùn)練集，可以將短時(shí)間采集的低質(zhì)量圖像，優(yōu)化再現(xiàn)為高質(zhì)量圖像，這樣就解決了效率和質(zhì)量的矛盾。
這是個(gè)全新的賽道，我們可以觀察到：搭載AI加速技術(shù)的產(chǎn)品，無(wú)論是進(jìn)口品牌還是國(guó)產(chǎn)品牌，都在短短的2-3年內(nèi)陸續(xù)推出。要知道，前文提到的壓縮感知技術(shù)產(chǎn)品化用了十幾年的時(shí)間！一般來(lái)說(shuō)，從理論原研到產(chǎn)品化需要5-10年的時(shí)間，如果需要短時(shí)間取得，就需要向上游尋找合作伙伴或供應(yīng)商。也就是賣(mài)鏟子的人。
2、賣(mài)鏟子的人
今年5月12日，全球最負(fù)盛名的磁共振影像領(lǐng)域大會(huì) ISRSM2022（國(guó)際醫(yī)學(xué)磁共振協(xié)會(huì)大會(huì)）在倫敦閉幕，為期7天的會(huì)議上，AI賦能醫(yī)學(xué)影像成為了最核心的主題。
Yann LeCun主題發(fā)言(圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng))
在有限的醫(yī)學(xué)資源限制中，人們不斷追求著更有效率的解決方案，也正因如此，AI在MRI中的應(yīng)用成為了ISRSM的重點(diǎn)主題：
1， 基于AI的加速技術(shù)。
2， Meta公司（Facebook）首席AI科學(xué)家Yann LeCun在大會(huì)主題報(bào)告中指出，AI相關(guān)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)正廣泛應(yīng)用，加速臨床產(chǎn)業(yè)化。LeCun是2018年計(jì)算機(jī)圖靈獎(jiǎng)得主。
3， AI MRI成像在具體人體部位/疾病上的進(jìn)一步發(fā)展，包括乳腺，心臟等。
備受矚目的加速技術(shù)上，影像醫(yī)生與AI專(zhuān)家們闡述了人工智能的發(fā)展?jié)摿?/strong>：
1， 提升成像速度、降低掃描成本
2， 從根源上減少造影劑的使用
3， 預(yù)測(cè)圖像
4， 建立豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)以協(xié)助集中臨床護(hù)理以及為進(jìn)一步的研究提供信息。
時(shí)代已經(jīng)猝不及防地來(lái)臨，眾所周知的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)幾大名校，如卡內(nèi)基梅隆，斯坦福，麻省理工學(xué)院，加州理工等都在深耕AI領(lǐng)域。尤其是和硅谷共生的斯坦福學(xué)派，走出了影響行業(yè)的多位大咖。斯坦福的Greg Zaharchuk 教授時(shí)美國(guó)功能神經(jīng)放射學(xué)會(huì)主席和《磁共振成像雜志》的副主編，他指出：“深度學(xué)習(xí)非常擅長(zhǎng)從圖像中預(yù)測(cè)關(guān)鍵信息值，基于這樣的優(yōu)勢(shì)，深度學(xué)習(xí)非常適合用于降低成像成本”。更為重要的是，他同時(shí)也是知名AI醫(yī)學(xué)影像公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)，東南大學(xué)，浙江大學(xué)等也都在AI+醫(yī)學(xué)影像上加碼，在產(chǎn)-學(xué)-研的轉(zhuǎn)化上，結(jié)出了累累碩果。
例如，Zaharchuk教授的公司已經(jīng)取得了4項(xiàng)美國(guó)FDA AI軟件510（K）認(rèn)證，也先后完成國(guó)內(nèi)NMPA和歐洲等地產(chǎn)品注冊(cè)，在全球數(shù)百家醫(yī)院和影像中心應(yīng)用。使得商業(yè)模式落地，成為了AI醫(yī)學(xué)影像加速化領(lǐng)域的頭部公司。
在2022 ISMRM上，GE醫(yī)療宣布將其深度學(xué)習(xí)重建解決方案AIR RECON DL持續(xù)擴(kuò)展至其客戶，而就在此前，西門(mén)子醫(yī)療宣布與Zaharchuk的Subtle Medical深透醫(yī)療進(jìn)行合作，最新的西門(mén)子MR可搭載Subtle等深透醫(yī)療軟件及技術(shù)，不需要額外的軟硬件升級(jí)可實(shí)現(xiàn)全面的產(chǎn)品性能提升。
圖片來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)
這種可兼容任何品牌型號(hào)設(shè)備的上游公司，正在深刻地影響著行業(yè)格局。優(yōu)先布局該賽道地企業(yè)，正逐漸享受其帶來(lái)的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。也許您所在地醫(yī)院新購(gòu)買(mǎi)的磁共振就搭載了上游公司的加速技術(shù)。對(duì)于主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有深厚的研發(fā)能力，與上游合作不失為一個(gè)好的選擇。
除MR以外，核醫(yī)學(xué)、介入放射學(xué)也在被顛覆，使用更少的核素藥物，縮短數(shù)倍的采集時(shí)間，獲得更好的PET/CT-MR 圖像，因?yàn)锳I對(duì)于圖像預(yù)測(cè)有確定性作用。使用十分之一的造影劑完成介入治療也不是夢(mèng)想因?yàn)榛贏I的圖像技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人的肉眼對(duì)于灰度的識(shí)別能力。這些功能均已進(jìn)入產(chǎn)品化階段。
Subtle IRTM(圖片來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng))
SubtleIR獲得美國(guó)NIH基金支持，其通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，減少介入手術(shù)中的輻射劑量，根據(jù)測(cè)試顯示，僅需原來(lái)17%的劑量，就可以實(shí)時(shí)獲取與標(biāo)準(zhǔn)劑量注射情況下相同的醫(yī)學(xué)影像。
Nature子刊發(fā)表4倍成像速度和低劑量下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量PET成像(圖片來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng))
在PET/CT中，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)加速PET檢查，采用低劑量掃描的同時(shí)提升圖像質(zhì)量與分辨率。在四倍成像速度下，依然能保證同現(xiàn)行PET掃描持平甚至更高的診斷效果。而且將特異性核素（例如前列腺PSMA核素和阿爾茨海默癥Amyloid 淀粉樣蛋白核素）也涵蓋其中。使得PET/CT又迎來(lái)了快速發(fā)展期。
3、產(chǎn)業(yè)如何落地
這是個(gè)重大而又嚴(yán)肅的問(wèn)題。我們知道，一些AI公司在盈利變現(xiàn)方面遭遇了比較大的困難，這其中有這樣那樣的原因。在國(guó)內(nèi)，AI廠商的商業(yè)模式不可能和歐美一致。AI加速技術(shù)在國(guó)外都采用合作收取年費(fèi)的模式，這在我國(guó)可能會(huì)遇到一些理念的挑戰(zhàn)。
國(guó)內(nèi)更接受增量市場(chǎng)的連帶采購(gòu)，也就是新設(shè)備進(jìn)場(chǎng)時(shí)作為附加條件。所以，各設(shè)備廠商積極在設(shè)備上嵌入這樣的技術(shù)，是公立醫(yī)院普遍可以接受的方式。
但是，更大的存量市場(chǎng)，在不改變?cè)O(shè)備的基礎(chǔ)上，也可以將AI加速技術(shù)嵌入到醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)中，即在圖像生成上傳后，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行圖像優(yōu)化。
醫(yī)院信息系統(tǒng)(圖片來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng))
以國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這對(duì)于有巨量保有量設(shè)備的醫(yī)院來(lái)說(shuō)，不失為一種好的方法，即：給老設(shè)備AI賦能。在國(guó)內(nèi)，民營(yíng)醫(yī)院，第三方影像中心更能先于公立醫(yī)院來(lái)接受服務(wù)費(fèi)的理念。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的AI加速賽道企業(yè)，也會(huì)瞄準(zhǔn)這一塊市場(chǎng)，開(kāi)創(chuàng)新的商業(yè)模式，我們拭目以待。
