人工智能走进ICU:预测死亡准确率达93%

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人工智能走进ICU:预测死亡准确率达93%
医院对于自家的重症监护室(ICU),往往有一个不成文的期望:减少“在病床上去
世”事件的发生。这种想法乍一听有点奇怪,但可以理解。
这个期望可能很快就能实现了。基于监测患者生命体征各种设备所提供的实时数据,
ICU似乎是人工智能工具的完美使用场景,可以用来判断患者的实时病情以及病情何时

可能恶化。
ECRI研究所的PriyankaShah说:“
很多医院都有兴趣开发早期预警系统,来预

测脓毒症、心脏骤停和呼吸停止等威胁生命事件的发生。”ECRI研究所是一个为医疗保
健行业评估医疗程序、设备和药物的非营利机构。

学术研究人员和医疗设备公司现在都试图找出,哪些医疗设备的组合可以提供患者
病情恶化的最佳测量指标。Shah说,里解决这个技术挑战之后,研究人员还必须通过实
验证明这个工具的“临床意义”。也就是说,不仅要证明技术的有效性,而且要证明接下
来该技术可以被整合到医院的工作流程中,为医院节省开支。
在ICU智能化的任务中,最艰巨的部分是说服医疗行业相关人员,包括FDA监管
者、思维已定型的临床医生和想省钱的医院管理人员。因为从技术方面来看,这方面的
研究大有前途。

PICU
中的生死预测

儿科重症监护室(PICU)内的场景,总是让人心痛。
在新生儿病房里,脆弱的新生儿躺在被机器和屏幕包围的塑料恒温箱内。在病房里,
孩子们连接着管子进行静脉注射,他们勇敢的微笑和明亮的卡通壁画相映衬。

在洛杉矶儿童医院,数据科学家MelissaAczon和DavidLedbetter提出了一种
人工智能系统,这个系统可以让医生们更好地了解,哪些孩子的病情可能会恶化。
Aczon和Ledbetter都在一个名为“虚拟PICU”的医院研究部门内工作。在这里,
他们和那些渴望看到操作上有改进的临床医生合作,共同开发这个人工智能系统。Aczon
说:“他们的观点是,在ICU里,医患之间的接触一直在发生,并产生数据。我们有道
德责任从这些病例中学习,并将所学到的经验来更好地治疗接下来的患者。”
他们想从训练一个能够进行精确预测的AI系统开始,所以,他们设计了一个预测
PICU死亡率的实验系统。他们从医院电子健康记录获取孩子的生命体征数据(通常每
隔几分钟测量一次),已有的实验室检测结果、用药信息和执行的治疗方案等。
他们使用了PICU里超过12,000名患者的健康记录,机器学习程序在数据中发
现了相关规律,成功识别出了即将死亡的患者。该程序预测死亡的准确率达到了93%,
明显比目前在医院PICU中使用的简单评级系统表现更好。Aczon和Ledbetter在
Arxiv上发表了相关论文,公布了他们的研究成果。

他们实验的创新点是使用了一种叫做循环神经网络(RNN)的机器学习方法,这种
方法擅长处理持续的数据序列,而不是从某一个时刻的数据点直接得出结论。“RNN网
络是处理临床数据序列的一种有效方法,”Aczon说,“它能够整合新产生的信息序列,
得到准确的输出。”所以在程序中,RNN网络表现得更好,因为它能够随着时间的推移,
根据病人最近12小时的临床数据,做出最准确的预测。
虽然这个系统还处于实验阶段,但Aczon和Ledbetter提到,这样的工具将在PICU
中有很大的用途。当然,如果这个死亡率预测软件在医院投入使用,医生不会满足于只
是获得病人的死亡风险评分。“风险评估只是第一步,”Ledbetter说,“一旦你知道了
病人将会发生什么,你就可以基于患者病情思考如何进行干预和防止患者病情恶化情况
的发生。”

预防ICU危机
还有专门的公司,在试着把机器学习用到ICU里。
AreteX系统公司的联合创始人WassimHaddad提到:“我们的使命是在ICU单
元里通过自动进行重症监护,来降低死亡率。”该公司即将更名为AutoMedica,专注
于优化ICU护理的两个重要部分,分别是通过机械呼吸机管理患者的呼吸量,以及管理
静脉注射的实时液体量。
Haddad还提到,在美国,每年有570万人被收入ICU,其中有230万人需要机

械呼吸机帮助他们呼吸,但是这里面的约80万人会遇到通气机不同步的问题。“如果他
们没有足够镇静,他们往往和呼吸机进行对抗,”Haddad解释说,“如果他们想吸气,
但机器说,不,你要呼气,这样的矛盾情况可能导致患者极度焦虑。”
△呼吸治疗师在帮助使用机械呼吸机的病床患者进行呼吸
AreteX
公司的工程师创建了一个机器学习工具,这个工具可以根据患者呼吸机的

数据来识别不同类型的呼吸同步情况。这个系统能够发送警报给护士或呼吸治疗师,能
够紧急为患者加强镇静作用,防止患者与呼吸机进行对抗。该公司最近在东北乔治亚医
学中心开始进行临床试验,来测试该系统的临床性能。

目前的解决方案只是刚完成了公司使命的第一步。“我们希望我们的技术不只是作为
现在医院的临床决策支持,”Haddad说,“而是将来能够作为一个完全自动化的系统,
可以自主改变呼吸机的起搏。”然而,为了到达那个阶段,我们需要做大量的临床试验,
来向监管机构和谨慎的医院管理者证明该系统的安全性。
AreteX公司还有一个类似的程序,可以监测大多数ICU
患者通过静脉注射可以接

受的液体量,来增加患者血液容量和升高患者血压。Haddad还说:“目前的液体管理
程序效率不高。通常是医生给护士一个命令,进行手动改变注射速率。几个小时后,医
生再重新评估病人来制定注射的液体量。”要提到的是,ICU的工作人员必须小心平衡好
这个液体量的关系,因为患者很容易休克,同时容易受到由于太少或太多的注射液体量
引发的严重并发症。
Haddad研发的这个系统,采用机器学习方法来测量患者对正在使用的流体注射量
的持续响应,随时间改变注射量来保持患者的病情稳定。AreteX公司目前在东北乔治
亚医学中心测试这个流体管理系统。
Haddad还说:“随着美国人口的老龄化,能够在急诊室和ICU
工作的应急临床医

生紧缺,实现自动化可能是唯一的解决方法。如今85岁以上的人群有300万,到
2030

年将达到900万,这将给国家的ICU带来巨大的压力。