上周，斯坦福大學(xué)（Stanford University）的李飛飛教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志在線發(fā)表了一篇論文，介紹一種叫做“環(huán)境智能”（ambient intelligence）的技術(shù)能如何在醫(yī)院和日常生活的場(chǎng)所為患者乃至更廣泛的人群造福，照亮醫(yī)療領(lǐng)域的“黑暗空間”。在今天這篇文章里，藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)也將與各位讀者分享其中的要點(diǎn)。

”環(huán)境智能“與”黑暗空間“

作者們?cè)谡撐闹兄赋?，機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning）與非接觸式傳感器（contactless sensors）的發(fā)展，帶動(dòng)了“環(huán)境智能”的發(fā)展。這是指在物理空間中，對(duì)人類的存在產(chǎn)生靈敏反應(yīng)的一種技術(shù)。

說到機(jī)器學(xué)習(xí)，很多人可能會(huì)想到人工智能，以及其在疾病診斷中的應(yīng)用。的確，在一些醫(yī)療場(chǎng)合，人工智能輔助決策已經(jīng)變得更為常見。但這些決策如何轉(zhuǎn)化為醫(yī)生、患者、或是患者家屬的具體物理行為，卻依舊不甚明晰。在醫(yī)院和家庭中的關(guān)鍵醫(yī)療行為如何進(jìn)行，也依舊未明。為此，研究人員們將這些我們還不了解的部分，比喻為“黑暗空間”。

這并非只是一個(gè)比喻。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）等機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，美國每年有至多40萬人死于醫(yī)療決策或是實(shí)際執(zhí)行中的疏忽和錯(cuò)誤。人工智能的發(fā)展具有協(xié)助醫(yī)生的潛力，這不僅在于輔助醫(yī)療決策，還在于改善具體的醫(yī)療步驟。

▲部分可用于“環(huán)境智能”的傳感器（圖片來源：參考資料[1]）

而安裝在環(huán)境中，被動(dòng)進(jìn)行感知的傳感器，能作為“環(huán)境智能”，了解人們的移動(dòng)和他們的醫(yī)療需求，從而更好地幫助醫(yī)生和服務(wù)者將健康舉措落實(shí)到地。

醫(yī)院中的應(yīng)用

在全球，醫(yī)院是進(jìn)行醫(yī)療行為的主要場(chǎng)所。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，有7.4%的美國人口會(huì)留院觀察一晚，而英國全年有1700萬起入院事件。因此，環(huán)境智能有望在醫(yī)院環(huán)境中扮演重要角色。

▲“環(huán)境智能”在醫(yī)院中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景（圖片來源：參考資料[1]）

研究人員們提到的第一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)所是重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）。應(yīng)用之一是監(jiān)測(cè)患者的移動(dòng)能力：對(duì)于病情危重的患者，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)肌肉的衰弱，而讓患者盡早恢復(fù)移動(dòng)能力，可以將相關(guān)的衰弱事件減少40%。目前，標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估方式是人為的直接觀察，但這會(huì)引入偏倚和誤差，成本也不可控；而可穿戴設(shè)備只能檢測(cè)動(dòng)靜的切換，無法將環(huán)境納入考量（如坐在椅子上，還是坐在床上）。環(huán)境智能可以避免這些問題。在一個(gè)案例中，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以區(qū)分患者是否躺在床上，以及是否在行走，準(zhǔn)確率達(dá)到了87%。

在ICU的另一個(gè)應(yīng)用在于控制感染——每年，有30%的ICU患者會(huì)出現(xiàn)住院相關(guān)的感染，而勤洗手是減少感染的最有效方法之一。環(huán)境智能可以高效地評(píng)估洗手動(dòng)作是否合規(guī)，無需靠人來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一個(gè)深度學(xué)習(xí)算法對(duì)1個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生的351起洗手事件進(jìn)行了合規(guī)評(píng)估，準(zhǔn)確率達(dá)到了75%。

▲“環(huán)境智能”的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和人工統(tǒng)計(jì)非常接近（圖片來源：參考資料[1]）

ICU之外，研究人員們指出環(huán)境智能也可以用于手術(shù)室。比如它能根據(jù)手術(shù)中持針器（needle driver）的移動(dòng)軌跡，評(píng)估醫(yī)師的手術(shù)水平。與人類評(píng)估相比，該算法的準(zhǔn)確率達(dá)到92%。另一些算法則可以清點(diǎn)手術(shù)中使用的工具，避免遺漏在患者體內(nèi)。這在醫(yī)生們的日常清點(diǎn)之外，加上了一層雙保險(xiǎn)。未來，基于視頻的手術(shù)階段識(shí)別（surgical phase recognition），也有望更好地對(duì)外科醫(yī)生進(jìn)行培訓(xùn)。

最后，本論文的作者也提到，環(huán)境智能可以協(xié)助醫(yī)生完成文本記錄的工作——醫(yī)生大約35%的時(shí)間花在這個(gè)工作上。利用環(huán)境中安裝的麥克風(fēng)，機(jī)器可以自動(dòng)識(shí)別醫(yī)生與患者間的對(duì)話，準(zhǔn)確率超過了人工聽寫。而且，它可以將2小時(shí)的文本整理工作壓縮到15分鐘，可以讓醫(yī)生將更多的時(shí)間花在患者身上。

日常生活中的應(yīng)用

在全球老齡化的當(dāng)下，環(huán)境智能的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景便是老年人的生活場(chǎng)所。到2050年，當(dāng)全球有15億位65歲以上的老年人，了解他們?nèi)粘５钠鹁由?，便成了照料他們健康的關(guān)鍵。目前，老年人的日常起居行為主要通過自我匯報(bào)，或是照料者的打分。一些研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境智能可以準(zhǔn)確地評(píng)估，在哪些時(shí)刻，老人們需要他人的協(xié)助，準(zhǔn)確率達(dá)86%。而在更衣、沐浴、或是上廁所的場(chǎng)合，考慮到隱私，也可以將攝像頭替換為麥克風(fēng)。

另一個(gè)面向老年人的應(yīng)用在于監(jiān)測(cè)是否摔倒。在這一塊，環(huán)境智能與可穿戴設(shè)備的準(zhǔn)確率不相上下，分別為97%和96%。這對(duì)盡早發(fā)現(xiàn)老人摔倒，盡早進(jìn)行干預(yù)，有著重要意義。

▲“環(huán)境智能”在日常生活中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景（圖片來源：參考資料[1]）

在日常生活中，環(huán)境智能的第二個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是慢病管理。對(duì)于腦癱兒童，或是帕金森病患者，步態(tài)的監(jiān)測(cè)非常重要。傳統(tǒng)上，這需要專門的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)估；而可穿戴設(shè)備也容易引起患者不適，且存在誤差。無接觸的環(huán)境智能可以提高可信度，且在家就可以安排復(fù)健計(jì)劃。

作者們?cè)谡撐闹刑岬搅说谌齻€(gè)日常生活中的應(yīng)用是精神疾病，譬如抑郁癥、焦慮癥、或是雙向人格障礙。同樣，這些疾病的診斷基于自我匯報(bào)，以及醫(yī)學(xué)量表評(píng)估。而環(huán)境智能可以連續(xù)監(jiān)測(cè)患者的癥狀。一項(xiàng)研究指出，通過分析語音和視頻等數(shù)據(jù)，可以從言語和上身移動(dòng)中，檢測(cè)出精神分裂癥，靈敏度達(dá)84%。另外，環(huán)境智能也可以識(shí)別自殺傾向。

挑戰(zhàn)與其他考量

研究人員們也提到，要讓環(huán)境科學(xué)得到更廣泛的應(yīng)用，我們需要解決算法上的種種挑戰(zhàn)，在復(fù)雜的場(chǎng)所中搞清人類的行為。從大數(shù)據(jù)中，我們可以學(xué)到很多。

在實(shí)際應(yīng)用中，隱私會(huì)是我們需要考量的首要問題。從設(shè)計(jì)上看，環(huán)境智能會(huì)連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的信息和人類行為，這勢(shì)必會(huì)引入隱私上的擔(dān)憂。因此在開發(fā)適用于醫(yī)療環(huán)境中的技術(shù)時(shí)，隱私是必須考慮的問題。目前，一些做法能夠避免個(gè)人的隱私信息泄露。除此之外，我們還需要避免未經(jīng)授權(quán)的訪問，進(jìn)一步杜絕泄露的可能。

▲一些技術(shù)可以保護(hù)患者的隱私（圖片來源：參考資料[1]）

最后，環(huán)境智能還存在公正性、透明性、以及研究倫理等潛在風(fēng)險(xiǎn)。如何讓不同人群都能從科技中受益？如何從環(huán)境智能中得到可解讀的數(shù)據(jù)，而非常見的信息黑箱？如何遵守研究倫理，最大程度地保護(hù)參與研究的個(gè)體？這些問題還有待我們?nèi)セ卮稹?/p>

總結(jié)

李飛飛教授團(tuán)隊(duì)在論文最后總結(jié)說，人工智能技術(shù)的突破，以及低成本傳感器的到來，讓環(huán)境智能成為了優(yōu)化醫(yī)療決策和執(zhí)行的潛在重要工具。目前，一些研究數(shù)據(jù)已經(jīng)探明了這一技術(shù)的可行性。未來，我們也期待這一技術(shù)能照亮醫(yī)療的黑暗空間，造福人類的健康！

參考資料：

[1] Haque, A., Milstein, A. & Fei-Fei, L. Illuminating the dark spaces of healthcare with ambient intelligence. Nature 585, 193–202 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2669-y