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登上Nature,DeepMind新论文提前48小时预测急性肾损伤

DeepMind 表示,目前的医护方式需要「变革」,我们要从反应型到预防型,在患者还没出现急性病变前解决好问题。这也就是 DeepMind 提出提前 48 小时预测急性肾损伤模型的初衷。

DeepMind 近日在 Nature 发表论文,发布了一种新的人工智能算法,可以提前两天预测到一种可避免的病变。通过和美国退伍军人事务部一起合作,研究人员开发的这种技术能够在急性肾损伤(AKI)发生前 48 小时向医生发出警告。而在英国,这种情况每年会发生在 10 万人身上。结合 DeepMind 开发的移动医疗助手「Streams」上的服务进行评价,这种人工智能算法可以提升病人的医护水平、减少医疗开支。

DeepMind 表示,算法和智能医疗助手的结合可以帮助医疗方式向更高的阶段转变——从反应型医护模型转向预防型医疗模型。

据介绍,DeepMind 的相关团队在过去几年一直在寻找解决可避免病变的方法。他们尝试构建一套数字化工具,用于提前定位问题、帮助医生和护士快速反应、为病人提供更好的医护水平。团队最大的突破在于,不仅仅能够更高效地定位病变问题,而且能够在病变发生前预测到这一情况。

通过和退伍军人事务部的合作,DeepMind 团队将人工智能技术应用在全面数据脱敏的健康记录上。这些记录是退伍军人事务部收集而来的。研究显示,人工智能可以准确地在 48 小时前预测病人是否会发生急性肾损伤,较现有的诊断更快。更重要的是,模型可以预测出 90% 严重到需要透析进行治疗的病人。

这可以提供一种早期的预防治疗方式,避免需要更侵扰性的治疗,如肾透析。同时,模型也可以在未来泛化到预测其他主要的病变问题上,如脓毒症——一种危及生命的感染。

DeepMind 同时在他们的博客文章中总结了「Steams」这款医疗产品的功能。这是一种智能辅助医疗助手,可以帮助医生快速获取病人的信息,并根据发生的问题及时作出反映,预防疾病恶化。下图为基于电子系统和传统方法通知医生进行处置方法的流程对比,其中电子系统的代表就是 DeepMind 的 Steams。

电子系统如何帮助有风险的病人得到及时的医疗服务。

  • 博客地址:https://deepmind.com/blog/predicting-patient-deterioration/

DeepMind 的 AKI 算法到底是什么样的

DeepMind 团队在这篇论文中提出的系统是基于循环神经网络的,它会序列地处理各个电子医疗记录。具体而言,模型每次都会学习一批数据,并建立一个内部存储机制以追踪到当前时间步的所有历史相关信息。在每一个时间点,模型会输出接下来 48 小时内发生 AKI 的概率,而且这种预测囊括了各阶段的严重程度。

当预测概率超过指定的操作点阈值,那么预测就可以视为阳性。最终模型使用美国退伍军人事务部所有可用站点的 703,782 名成年患者数据,进行训练后的模型效果还是挺好的。

具体而言,该数据集由医院电子医疗记录提供的信息组成,数据中总的独立记录大约有 60 亿,包含 62 万特征。患者会随机分割为训练(80%)、验证(5%)、校准(5%)和测试集。任何时间点发生 AKI 的数据标注使用国际通用的 KDIGO 标准完成。模型和数据集的一些简单描述展示在下图 1 到图 3。

图 1:风险预测、不确定性和预测的未来实验值的样本示例。


如上为一名 65 岁的男性病人在前 8 天的记录,他有慢性阻塞性肺病的历史。其中 a 为入院时的肌酐测量值,其值的变化说明 AKI 发生在第 5 天。b 为 48 小时内任意时刻 AKI 发生可能性的模型预测,模型在真正发生 AKI 之前的 48 小时预测到了发病风险的提升。c 为入院 4.5 天后实验室值的预测。

图 2:模型表现——48 小时内发生 AKI 风险的典型曲线(characteristic)和精度-召回曲线,其中蓝点展示了不同模型的操作点。

图 3:模型预测的发病时间和实际 AKI 事件时间的对比。

如上所示,模型预测的 AKI 风险位于特定的时间窗口内,在这个窗口内,预测的具体小时与 AKI 标注可能不同。提前 48 小时预测任何 AKI (a) 和 AKI 阶段 3 (b) 的性能显示了不同的精度。

参考内容:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1390-1

https://deepmind.com/blog/predicting-patient-deterioration/

理论数据科学深度学习智能科研智慧医疗DeepMind
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DeepMind机构

DeepMind是一家英国的人工智能公司。公司创建于2010年,最初名称是DeepMind科技(DeepMind Technologies Limited),在2014年被谷歌收购。在2010年由杰米斯·哈萨比斯,谢恩·列格和穆斯塔法·苏莱曼成立创业公司。继AlphaGo之后,Google DeepMind首席执行官杰米斯·哈萨比斯表示将研究用人工智能与人类玩其他游戏,例如即时战略游戏《星际争霸II》(StarCraft II)。深度AI如果能直接使用在其他各种不同领域,除了未来能玩不同的游戏外,例如自动驾驶、投资顾问、音乐评论、甚至司法判决等等目前需要人脑才能处理的工作,基本上也可以直接使用相同的神经网上去学而习得与人类相同的思考力。

人工智能技术

在学术研究领域,人工智能通常指能够感知周围环境并采取行动以实现最优的可能结果的智能体(intelligent agent)

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