剛剛，廣東省人民醫(yī)院與廣東高州市人民醫(yī)院完成全國(guó)首例AI+5G手術(shù)，成功為心臟病患者“補(bǔ)心”。手術(shù)期間的AI技術(shù)是由曾靠“貪心算法”成功追回被搶車(chē)的圣母大學(xué)計(jì)算機(jī)系終身副教授史弋宇團(tuán)隊(duì)提供。這次手術(shù)也是AI在臨床上的一次落地應(yīng)用。

AI+5G，第一次成功完成遠(yuǎn)程指導(dǎo)下的心臟病手術(shù)。

剛剛，廣東省人民醫(yī)院與廣東高州市人民醫(yī)院共同上演一場(chǎng)直播“大片”：

高州市人民醫(yī)院心外手術(shù)室里，醫(yī)生主刀進(jìn)行心臟腔鏡手術(shù)；在相隔近400公里外的廣東省人民醫(yī)院，專(zhuān)家通過(guò)觀看大屏幕上5G傳輸?shù)膶?shí)時(shí)超高清手術(shù)畫(huà)面，對(duì)高州市的手術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

在這場(chǎng)手術(shù)前，醫(yī)院使用到了自主研發(fā)的全自動(dòng)AI去噪以及建模軟件，一鍵完成建模，耗費(fèi)時(shí)間從2-6小時(shí)縮短至兩分鐘以?xún)?nèi)，并自動(dòng)生成3D打印機(jī)可識(shí)別的3D數(shù)字心臟模型（STL格式），直接用來(lái)打印出實(shí)體1:1心臟模型。

值得注意的是，手術(shù)的AI技術(shù)部分是由廣東省人民醫(yī)院特聘顧問(wèn)史弋宇教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參與。史弋宇是圣母大學(xué)計(jì)算機(jī)系終身副教授，博士生導(dǎo)師，并兼任電子系終身副教授。

史弋宇

今年1月初，新智元報(bào)道過(guò)史弋宇教授被兩名劫匪搶去汽車(chē)，在不到24小時(shí)之內(nèi)，靠手機(jī)發(fā)動(dòng)應(yīng)用程序和“貪心算法”成功將車(chē)找回，新智元的讀者應(yīng)該有深刻印象。

這次參與全國(guó)首個(gè)AI+5G手術(shù)，史弋宇籌備了一年時(shí)間，手術(shù)成功也讓AI在醫(yī)療領(lǐng)域更加落地。

患者情況：先天心臟病，心臟出現(xiàn)孔

接受AI+5G手術(shù)的是一位41歲的女性患者，據(jù)醫(yī)生介紹，這名患者有先天心臟病，近期因“勞力性心悸、氣促10余天”入院。經(jīng)過(guò)心臟彩超和右心導(dǎo)管等檢查發(fā)現(xiàn)，患者診斷為繼發(fā)孔型房間隔缺損。

房間隔缺損本來(lái)是簡(jiǎn)單先心病，如果在小時(shí)候做開(kāi)胸手術(shù)，操作上是相對(duì)容易，而且風(fēng)險(xiǎn)很低的。但是這位患者已經(jīng)41歲，出現(xiàn)了重度肺動(dòng)脈高壓，開(kāi)始出現(xiàn)心力衰竭，病情已經(jīng)從簡(jiǎn)單先心病轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的成人先心病，簡(jiǎn)而言之心臟沒(méi)有正常的發(fā)育，形成了一個(gè)缺損，就是我們所說(shuō)的心臟里面出現(xiàn)一個(gè)孔。

模型演示患者的心臟中間出現(xiàn)一個(gè)孔（攝影：邱海龍）

這個(gè)孔的存在會(huì)導(dǎo)致病人心臟左心房的血會(huì)持續(xù)往右心房分流，加重右心房的整個(gè)心臟的負(fù)荷，也會(huì)加重肺循環(huán)的負(fù)荷，久而久之，心臟也就會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，肺動(dòng)脈的壓力也會(huì)持續(xù)的增高。

通過(guò)3D打印出來(lái)的1：1心臟模型可以看到，患者的心臟比正常人的偏大，而正常人的心臟大約有一個(gè)拳頭那么大。

通過(guò)影像也可以觀察到，患者的心臟占據(jù)了整個(gè)胸腔的2/3以上。

由于房間隔缺損一直伴隨患者41年，錯(cuò)過(guò)了治療的最佳時(shí)期，因此無(wú)法進(jìn)行常規(guī)的心臟手術(shù)矯治，最嚴(yán)重的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致心肺聯(lián)合移植甚至是死亡。

同時(shí)，患者的心肺功能衰竭到已經(jīng)出現(xiàn)癥狀，因此術(shù)中的操作必須仔細(xì)，心肌保護(hù)要到位，圍術(shù)期的管理也是挑戰(zhàn)，再加上是胸腔鏡下做手術(shù)，對(duì)醫(yī)生的手術(shù)操作是較大的考驗(yàn)。

準(zhǔn)備階段：AI三維建模只需2分鐘

對(duì)于這次手術(shù)，廣東省人民醫(yī)院可謂用上了目前最熱門(mén)的“黑科技”，其中多項(xiàng)技術(shù)均已申請(qǐng)專(zhuān)利進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。史弋宇教授負(fù)責(zé)參與AI部分，主要用于術(shù)前準(zhǔn)備階段。

1、圖像壓縮

醫(yī)院把影像采集下來(lái)以后，要進(jìn)行實(shí)時(shí)影像傳輸，史弋宇教授聯(lián)合佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)聞武杰教授先做一個(gè)面向機(jī)器學(xué)習(xí)的影像壓縮，在數(shù)據(jù)接收端會(huì)自動(dòng)對(duì)影像進(jìn)行去噪，然后分割、建模。

影像壓縮的出發(fā)點(diǎn)和傳統(tǒng)的壓縮（比如JPEG）不同，JPEG是針對(duì)人的視覺(jué)的，要保證壓縮后沒(méi)什么視覺(jué)上的損失。而該工作做的壓縮是為了AI建模，不以人的視覺(jué)作為標(biāo)準(zhǔn)，而是針對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的影像壓縮。

通過(guò)壓縮，接收的圖像體積變小了，而且圖像分割的準(zhǔn)確度得到了提升，壓縮率提升3倍，且能提升分割效果。

關(guān)于影像壓縮的成果，論文將會(huì)發(fā)表在今年6月的CVPR上。

論文題目：Machine Vision Guided 3D Medical Image Compression for Efficient Transmission and Accurate Segmentation in the Clouds

2、AI去噪

在上面的圖像壓縮過(guò)程中，還包含了一部分去噪技術(shù)。因?yàn)檫@里的圖像是用來(lái)建模的，所以在壓縮的過(guò)程中，同時(shí)把一部分噪聲也去掉了。在去噪方面，使用了注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠集中注意到圖像里的噪聲。

史教授團(tuán)隊(duì)對(duì)每一例影像進(jìn)行自動(dòng)去噪，最后的結(jié)果直接進(jìn)行自動(dòng)建模，不需要人工干預(yù)。這樣就可以把心臟的模型建成一個(gè)可3D打印的模型。

3、機(jī)器學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的混合建模

對(duì)于結(jié)構(gòu)性心臟病患者來(lái)說(shuō)，他的心臟結(jié)構(gòu)可能跟正常的心臟差別很大，所以史教授團(tuán)隊(duì)用了機(jī)器學(xué)習(xí)加傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法。對(duì)于心臟結(jié)構(gòu)比較變化大的，用一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法；關(guān)于心臟的一些精細(xì)結(jié)構(gòu)，使用人工智能與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的混合架構(gòu)。

整個(gè)心臟的三維建模時(shí)間大概是2分鐘，而且準(zhǔn)確度在先天性心臟病上也比傳統(tǒng)方法的70%提升了12%。如果使用傳統(tǒng)3D建模方法，大概需要幾個(gè)小時(shí)時(shí)間。

這個(gè)模型的直接作用有兩個(gè)。第一個(gè)作用是讓醫(yī)生在術(shù)前準(zhǔn)備的時(shí)候，會(huì)把這個(gè)模型用3D打印出來(lái)，供醫(yī)生在術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)參考，能夠直觀地看看患者心臟到底是什么樣的，有些什么問(wèn)題。

模型的另外一個(gè)重要作用是，讓術(shù)中進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)的醫(yī)生，能夠通過(guò)VR和MR技術(shù)，利用傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)影像以及之前的建模，能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)地指導(dǎo)目前的手術(shù)的進(jìn)展。

在本場(chǎng)手術(shù)中，醫(yī)院采用的是3D建模方法，指導(dǎo)心內(nèi)手術(shù)操作非常直觀；但是在某些情況下，比如一些急診重癥病人，來(lái)不及進(jìn)行3D打印，就可以實(shí)時(shí)用VR的虛擬心臟來(lái)指導(dǎo)，也很直觀。

下圖可以顯示AI在手術(shù)中起到的作用：

手術(shù)過(guò)程：VR演示補(bǔ)心術(shù)

準(zhǔn)備工作之后是手術(shù)過(guò)程。

今天上午9點(diǎn)35分左右，手術(shù)正式開(kāi)始。在廣東省人民醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)的大屏幕上（下圖），有四個(gè)播放畫(huà)面，從左到右分別是高州市人民醫(yī)院、高州人民醫(yī)院手術(shù)室、廣東省人民醫(yī)院、VR視頻手術(shù)過(guò)程演示。

高州市人民醫(yī)院手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)

從現(xiàn)場(chǎng)播放的VR演示視頻，我們可以看到整個(gè)手術(shù)過(guò)程。

手術(shù)開(kāi)始前，先將患者右側(cè)胸腔墊高30度。然后確定手術(shù)入路，即主操作孔、鏡孔和輔助操作孔。

患者身上會(huì)插管連接體外循環(huán)機(jī)，就是通常所說(shuō)的人工心肺機(jī)，后續(xù)進(jìn)行身體降溫之后，醫(yī)生再灌注心機(jī)保護(hù)液，讓心臟停下來(lái)，之后再進(jìn)行心臟的探查跟房間隔缺損的修補(bǔ)。

下圖是房間隔缺損修補(bǔ)術(shù)過(guò)程：

手術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)有兩個(gè)，一個(gè)是在心臟的Koch三角區(qū)，縫合時(shí)需要注意不要靠近這，以免引起心臟心肌損傷，導(dǎo)致心臟跳動(dòng)的節(jié)律傳導(dǎo)受到阻滯。

另一個(gè)是心臟的解剖結(jié)構(gòu)要看得更清楚一些，修補(bǔ)房間隔缺損的“補(bǔ)片”要補(bǔ)得更大一些。

最后確認(rèn)沒(méi)有殘余分流，修補(bǔ)完成，心臟復(fù)跳，止血關(guān)胸，手術(shù)完成。

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)近3個(gè)小時(shí)的手術(shù)后，4月3日12:55分，患者心臟復(fù)跳，手術(shù)成功！

5G比4G提速10倍，時(shí)延低于30微秒

手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的主刀醫(yī)生為高州市人民醫(yī)院的何勇醫(yī)生，指導(dǎo)醫(yī)生是廣東省人民醫(yī)院心外科的郭惠明醫(yī)生。

根據(jù)官網(wǎng)介紹，何勇醫(yī)生是高州人民醫(yī)院副主任醫(yī)師，每年完成心外手術(shù)達(dá)500例左右，手術(shù)量在華南地區(qū)處于領(lǐng)先，其中瓣膜替換術(shù)在400例左右，手術(shù)成功率達(dá)99%以上。

高州市人民醫(yī)院雖然在心外科也有很多經(jīng)驗(yàn)相對(duì)比較成熟，常規(guī)心外科手術(shù)都能做，但以前這類(lèi)手術(shù)主要是采取大切口的開(kāi)胸手術(shù)來(lái)做，微創(chuàng)的腔鏡手術(shù)做得不多。

這場(chǎng)手術(shù)是做微創(chuàng)腔鏡手術(shù)，患者開(kāi)刀3-4厘米，對(duì)醫(yī)生的要求更高，會(huì)有一定的難度，因此需要廣東省人民醫(yī)院的指導(dǎo)支持。

郭惠明是廣東省人民醫(yī)院主任醫(yī)師、心外科副主任，擅長(zhǎng)微創(chuàng)胸腔鏡手術(shù)，在手術(shù)治療二尖瓣成形或置換、先天性心臟病、房顫和冠心病的雜交治療方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

（圖據(jù)廣州日?qǐng)?bào)）

地圖顯示，高州市人民醫(yī)院距離廣東省人民醫(yī)院將近400公里，但現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面沒(méi)有明顯時(shí)延。傳回現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，整體網(wǎng)絡(luò)速度與4G相比提速10倍，時(shí)延低于30微秒，幾時(shí)就是同步的。

在現(xiàn)場(chǎng)，高州人民醫(yī)院主刀醫(yī)生還詢(xún)問(wèn)：“心包是否在這里打開(kāi)？”位于廣州的郭惠明立即回答：“上移3厘米。”

目前，廣東省人民醫(yī)院已經(jīng)跟廣東移動(dòng)、華為合作，實(shí)現(xiàn)5G全覆蓋，室外網(wǎng)絡(luò)由4G跨越到5G，用戶(hù)體驗(yàn)速率由80Mbps提升到800Mbps，達(dá)到與有線光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)捏w驗(yàn)。

對(duì)于AI，雖然近年來(lái)人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域取得了飛速進(jìn)展，但在實(shí)際臨床中的應(yīng)用卻非常有限。其中一個(gè)主要的原因就是人工智能還缺乏足夠的可信度和可解釋度來(lái)完全取代醫(yī)生進(jìn)行自動(dòng)診治。

史弋宇說(shuō)，團(tuán)隊(duì)目前階段主要著眼于人工智能在醫(yī)療系統(tǒng)中的輔助作用來(lái)幫助其盡快落地。例如在本次遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)中采用到的面向人工智能的圖像壓縮傳輸，智能影像去噪，以及智能心臟建模，都是以為醫(yī)療專(zhuān)家更方便，更快捷，更準(zhǔn)確的診治為目標(biāo)。