数字时代（4）：人工智能

Urologic Surgery in the Digital Era pp 213–220Cite as

Artificial Intelligence

Hacı İsmail Aslan, 

Kadir Erdem Şahin, 

Mahdiyeh Nilgounbakht & 

Emre Huri 

Chapter

First Online: 10 November 2021

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   人工智能是由哲学家和数学家如乔治·W·布什提出的，他们提出了逻辑定律和理论。随着 1943 年电子计算机的发明，人工智能挑战了当时的科学家。在这种情况下，这项技术似乎能够模拟智能行为。尽管遭到了一群对其有效性持怀疑态度的人工智能思想家的反对，但仅仅在 40 年后，我们才在各个行业看到了开放式国际象棋机等智能系统的诞生。人工智能研究领域于 1956 年诞生于达特茅斯学院的一个车间。

     人工智能研究领域诞生于 1956 年达特茅斯学院的一个培训研讨会。参与者 Alan Newell（卡内基梅隆大学）、Herbert Simon（卡内基梅隆大学）、约翰麦卡锡麻省理工学院、Marvin Mansky（马萨诸塞理工学院）和 Arthur Samuel (IBM) 成为人工智能领域研究的创始人和领导者。他们学习了游戏的获胜策略，解决了代数问题，并证明了逻辑定理。而且他会说英语。1960 年代中期，国防部在人工智能研究上投入巨资，在那十年间，世界各地建立了许多实验室。智能的创始人。人为地看好未来：Herbert Simone 预测“机器将能够在 20 年内完成人类可以做的任何事情”。“在下一代，人工智能的问题将得到根本解决，”马文·明斯基写道。

     人工智能这个名称是在 1965 年作为一门新科学创造的。当然，这方面的工作始于 1960 年代。（参考 1） 早期人工智能的大部分研究工作是关于机器游戏以及计算机辅助数学定理。起初，计算机似乎只能通过使用大量的发现并寻找解决问题的路径，然后选择解决问题的最佳方式来执行此类活动。人工智能一词最早是由约翰麦卡锡（被称为生产智能机器的科学和知识之父）使用的。他是一种名为 lisp 的人工智能编程语言的发明者。这可用于识别人工仪器的智能行为。（人造的，不自然的，人工）虽然人工智能被接受为一个通用术语，包括智能和组合计算（由合成材料组成）。术语“强人工智能和弱人工智能”可以部分用于描述系统的分类。

     由于知识的扩展和决策过程的复杂性，在医学科学中变得越来越重要，在决策中使用信息系统，特别是人工智能系统。人工智能、医学领域知识的传播以及与诊断和治疗相关的决策的复杂性——也就是人类生命——已经引起了专家们对在医疗事务中使用决策支持系统的关注。出于这个原因，不同类型的智能系统在医学中的使用越来越多，以至于今天已经研究了不同类型的智能系统在医学中的影响。与健康相关的人工智能应用的主要目标是分析预防或治疗技术与患者结果之间的关系。但人工智能程序已经以诊断过程、治疗方案开发、药物开发、个人医疗以及患者监测和护理等方式实施。过去半个世纪以来发生的医学和技术进步导致了与医疗保健相关的应用程序的增长和发展。其中专业：

• 医疗记录提取：提取、存储和分析患者信息。

• 帮助执行工作：一种节省金钱和时间并提高效率的新方法。

• 放射科：帮助医生根据图像解读做出正确诊断，尤其是肺部疾病

• 远程医疗：能够监控患者，并在可能的情况下将信息传输给医生

• 行业：能够访问更多健康领域的数据

• 肿瘤学：开发用于治疗慢性疾病的人工智能应用程序、医学图像分析肿瘤进展、识别有风险的患者并开发护理方法

• 数字医疗咨询程序：由用户提供信息并根据用户的病史提供建议

• 加速临床试验：机器学习可用于识别适当的选项并加快临床试验的设计。

• 基因修饰：通过机器学习模型和仔细选择 RNA，以最小的副作用或通过基因测试，发现与自闭症有关的新基因突变。

• 寻找药物：在药物生产阶段以高速和准确的方式找到正确的分子。

• 减少人为错误：以惊人的速度和更高的准确性处理大数据。

• 设计用于治愈开放性伤口的附加软件：根据计算机中疾病的症状和症状诊断疾病。

• 用于诊断威胁性心脏感染：通过提供给计算机的信息。

• 疾病诊断软件设计：用户将疾病的症状输入计算机，即可看到可能的疾病列表。

• 虚拟护理助理：通过协助和监控，这些助理能够回答有关药物和其他支持的问题。

• 手术辅助机器人：机器人手术比人类手术更安全，因为手术切口由机器人进行更准确。

• 调查开发过程中的严重挑战：对 COVID-19 确诊病例的分析

未来展望：计算机辅助检测

     在开始本章之前，先了解一些定义就足够了。无论使用过哪种技术，您都将处理医学成像理论，所以让我们看一下本章中将使用的一些定义。图像增强：去除图像失真，例如噪声和背景不均匀性，以及增强图像轮廓和其他相关属性。图像分割：识别解剖结构的轮廓，例如器官、血管或肿瘤病变。图像配准：一幅图像的空间变换，使其直接匹配给定的参考图像。这是必要的，例如，在来自不同模态（例如，PET/CT）的图像的组合可视化中。量化：确定解剖结构的几何特性（例如，体积、直径和曲率）或生理特性，例如灌注特性或组织成分。可视化：图像数据的二维 (2-D) 和三维 (3-D) 渲染（例如，体积渲染）和器官和其他解剖结构的虚拟模型（例如，表面模型）。计算机辅助检测：病理结构和病变的检测和表征，例如肿瘤病变或血管阻塞 [ 1 ]。医学影像领域当然可以有更多的定义，但是上面的这些定义足以理解你正在阅读的章节。

计算机辅助检测在医学中的重要性和不断扩大的作用

     自古希腊历史以来，就一直在讨论医学声明的检测和诊断。“诊断”一词来自希腊语，字面意思是“知道”。诊断是一种能力，看穿通常令人眼花缭乱的明显迹象和症状的迷宫，以得出关于其根本原因或实际情况的确定和确定的知识或结论。希波克拉底从整体上接近诊断艺术，将整个有机体——身体、思想和精神——视为一个不可分割的整体，或物理学。由于整个有机体以统一的方式应对疾病的挑战，希波克拉底是第一个认识到身体某个部位出现的体征或症状可能预示着身体另一个遥远部位正在发生疾病过程。在他们的诊断和治疗中，Cnidians 缺乏这种整体性的概述。他们将身体某个部位出现的症状视为仅与该部位有关的疾病或紊乱，该部位与身体其他部位隔离治疗。希波克拉底在着手改革医学时，与他之前的 Cnidian 学校存在某些问题。其中许多集中在他们错误和不完整的诊断方法上。首先，Cnidians 只考虑患者的主观症状，而不考虑任何客观体征。希波克拉底反驳说，完整的诊断评估需要同时考虑患者的体征和症状。今天，现代医学的诊断实践因高科技的出现而发生了根本性的变化。现代医生在整个诊断过程中严重依赖技术和精密机械：脑电图、心电图、诊断扫描仪和成像设备、射线照相术和实验室测试。

前列腺癌的计算机辅助检测

     计算机辅助检测技术可能还有数十亿其他现代应用。由于我们研究了医学泌尿外科领域的技术有何不同，因此涵盖前列腺癌检测的示例将与本章的主要主题相一致。根据 Analoui 和 G. Alhosseini，“前列腺癌的计算机辅助检测”，对于开始任何类型的前列腺癌治疗，了解恶性肿瘤的精确位置是可取的。尽管这项任务很困难，但获得的结果表明，在一定程度上区分癌性和非癌性组织是可能的。计算机辅助系统可以帮助没有经验的用户做出更好的诊断，但它必须能够更好地执行才能在现实世界的临床环境中发挥作用。

     对于未来的研究，彩色编码的簇组织样本图像可能代表样本图像中异常的不同严重程度，类似于前列腺癌的格里森评分。该项目中提出的方法为生物医学实验和从病理图像分析到遥感的许多微观/宏观图像纹理分析/聚类应用提供了一个初始框架 [ 2 ]。

     在另一项科学研究“Predicting CT Image From MRI Data Through Feature Matching With Learned Nonlinear Local Descriptors”中指出，他们提出了一种使用学习到的局部描述符的特征匹配方法，用于从 MR 图像数据中预测 CT。首先将 MR 图像的主要描述符投影到高维空间，以使用显式特征图获得非线性描述符。这些描述符通过采用改进的 SDL 算法进行了优化。实验结果表明，学习到的非线性描述符对于密集匹配和 pCT 预测是有效的。此外，与几种最先进的方法相比，所提出的 CT 预测方法可以实现具有竞争力的性能 [ 3 ]。

什么是医学打印，医学打印有哪些应用？

     医学打印是在指定的计算机和打印机的帮助下，从数字模型中生成三维物体。医疗打印类型可分为 3 种类型，即 3D、4D 和生物打印。在 3D 打印中，也就是增材制造，液体和粉末等材料一层一层地添加在一起以形成所需的物体。3D 打印可以用几种不同的方法和几种不同的材料来完成，以识别所生产物体的特征。3D打印方法因其灵活性而被用于不同的领域。4D打印使用与3D打印相同的技术，再次通过添加另一个维度来形成三维物体的过程。这个维度就是时间，将时间维度添加到对象会导致我们从打印中获得响应式产品。这种反应可以被物理信号、化学信号或生物信号激活。这种激活使我们能够为患者开发新的治疗方法。

     另一种类型的医疗打印是生物打印。它的功能类似于 3D 打印，但使用不同的材料。在生物打印中，被称为生物墨水的材料用于设计类似组织的结构。它是最有前途的医疗应用印刷类型，因为它具有生产生物组织的潜力。

医学打印在医疗保健中的重要性和使用

     在医疗应用中使用打印具有几个优点。从外科医生的角度来看，3D 模型在计划针对患者的手术时非常有效。借助这些模型，他们可以更好地了解操作要求和操作步骤。他们还可以在模型上练习并提前做好准备。这也将在手术过程中为外科医生提供改进的能力和更高的准确性。除了术前计划外，3D 打印还用于术中导航。这些模型还用于在手工艺和诊断方面培训外科医生和外科医生候选人。从患者的角度来看，这些模型将有助于他们更好地了解他们将要进行的手术。在过去的几十年中，组织工程在各个医学领域受到了极大的关注。组织工程具有多种应用，例如使用生物打印创建骨骼、血管、皮肤、软骨和神经结构。组织工程仍处于发展初期，应用尚不充分，但前景广阔。如今，这些应用领域无法用工程模拟物代替，但组织工程用于轻微损伤治疗。随着生物打印和生物墨水的发展，主要的损伤治疗是可能的。另一个研究领域是打印可移植器官，但该领域还需要进一步发展生物打印 [ 5 ]。3D 打印的另一个使用领域是患者特定的结构。该领域的重要应用之一是生产患者专用假肢。在骨科领域，这些假肢在脊柱畸形的治疗中具有重要作用。在这种治疗中，3D 打印的优势在于个性化设计、安全和简化的操作 [ 6 ]。

     在靶向给药系统的生产中，4D 打印方法用于制造多种有效的药物，并确保它们的治疗将在具有预先设计的响应的所需位置进行。这些反应被设计为 pH、温度、液体和酶，以将药物精确地输送到身体部位 [ 7 ]。

医学打印在泌尿外科领域的应用

     在泌尿外科领域进行了多种医学打印的应用，并且在泌尿外科中存在多种潜在用途。医疗打印的这些用途前面已经提到过。这些用途基本上是术前计划和培训、术中导航、住院医师和受训人员的教育。现有的潜力可以列为泌尿生殖器官的切除计划、前列腺活检、术前成像的详细和准确识别、钝性和锐性创伤的手术决策、培养模型以便为医学生、外科助理创建器官和触觉解剖模型[ 8 ]。

     在一项比较 3D 打印前列腺模型与标准放射信息来定位前列腺癌的效果的研究中显示，尽管在定位前列腺癌时标准放射信息比 3D 打印模型更有效，但 3D 模型帮助了经验不足的人外科医生更好地定位前列腺癌。因此，3D 打印对于经验不足的个人的培训非常重要 [ 9 ]。

     在另一项研究中，研究人员使用 3D 生物打印技术设计并制造了仿生兔尿道。在这项研究中，将各种支架与天然兔尿道的支架进行了比较。这项研究的结果表明，生物打印尿道中的微环境有利于细胞生长和组织形成[ 10 ]。这一结果，真实地证明了生物打印的未来潜力。

医疗印刷的未来

     随着医学打印方法的发展，无疑将实现新的治疗方法。另一方面，医学打印未来的闪光部分不在于方法的发展，而在于生物打印和生物墨水的发展。人类的梦想之一是可再生的身体部位，这些发展是这个阶梯的步骤。如果获得了设计复杂的 3D 生物架构的能力，医疗的新时代将开始。与这些复杂的 3D 生物结构一样，人类将能够创建特定于患者的可移植器官、完整的骨组织、神经组织、血管组织、皮肤组织、软骨组织。

     更进一步的观点是人造身体部位和人造器官。随着这些人造零件的不同技术领域的搭配生产，人类将能够增强患者身体系统的能力并治疗患者的疾病。

医学打印探讨

     在这个小标题中，我们提到了医疗打印的优势；但是，它存在几个不利的部分。打印的成本并不总是可行的，所需的时间也不够短。这一事实引发了关于医疗印刷使用的讨论。尽管如此，这种讨论在未来将无效，因为通过监测过去的数据和类似的例子来进行预见，随着该领域的技术发展，所需的成本和时间将会减少。从另一个角度来看，如果在成本和健康之间进行比较，答案就很清楚了。关于医疗打印的另一个讨论是医疗打印方法的有效性和实用性。这次讨论的主要原因之一是缺乏统计结果来证明有效性和实用性，因为医疗印刷仍然是世界的一个新概念。考虑到医疗印刷的未来，一个问题正在脑海中浮现。随着可视化技术和虚拟现实技术的增强，对 3D 打印的需求会消失吗？显然，一些应用程序有可能因此消失，但也有可能通过这些技术的搭配衍生出新的应用程序