鄭海榮：生物醫(yī)學(xué)人工智能，開辟守護(hù)生命健康新范式

生物醫(yī)學(xué)人工智能的愿景在于深度融合現(xiàn)實(shí)世界的人體健康規(guī)律與數(shù)據(jù)空間的人工智能模型，構(gòu)建理解生命、守護(hù)健康的智能系統(tǒng)。

近日，中國(guó)科協(xié)會(huì)刊《科技導(dǎo)報(bào)》刊發(fā)了我國(guó)儀器儀表與傳感專家、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士鄭海榮的文章《生物醫(yī)學(xué)人工智能：開辟守護(hù)生命健康新范式》。我們特此摘錄，以饗讀者。

鄭海榮，儀器儀表與傳感專家，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，現(xiàn)任南京大學(xué)副校長(zhǎng)。研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)成像技術(shù)與儀器設(shè)備、聲學(xué)/磁學(xué)生物物理。

生物醫(yī)學(xué)人工智能：開辟守護(hù)生命健康新范式

鄭海榮

醫(yī)學(xué)關(guān)乎人類生命健康核心需求，是最需要且最適合人工智能深度賦能的領(lǐng)域之一。當(dāng)大模型浪潮席卷全球時(shí)，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正迎來一場(chǎng)范式革命。從微觀分子到宏觀人體，從疾病診療到腦際通訊，人工智能將重塑生命健康的未來圖景。

中國(guó)生物醫(yī)學(xué)人工智能迅猛發(fā)展，走出了具有鮮明特色的創(chuàng)新路徑。首先是醫(yī)工交叉的深度融合，突破了醫(yī)學(xué)成像、腦機(jī)接口、精準(zhǔn)診斷等核心技術(shù)瓶頸；其次是臨床需求的前置驅(qū)動(dòng)，針對(duì)醫(yī)學(xué)影像快速掃描、癌癥篩查和診斷、神經(jīng)退行性疾病干預(yù)等重大健康需求，開發(fā)適配中國(guó)人特征的專用模型系統(tǒng)；最后，在軟硬協(xié)同的全鏈技術(shù)突破下，實(shí)現(xiàn)了智能算法、核心器件和整機(jī)裝備的全面發(fā)展，完成了從理論突破到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的完整閉環(huán)。

醫(yī)學(xué)成像：

從結(jié)構(gòu)成像邁向高靈敏功能成像

提升醫(yī)學(xué)成像的速度和質(zhì)量是中國(guó)重大臨床需求，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)長(zhǎng)期受制于物理系統(tǒng)與計(jì)算能力的雙重約束，導(dǎo)致成像速度和質(zhì)量的矛盾。以磁共振成像為例，其單次掃描耗時(shí)往往超過20min，設(shè)備日均服務(wù)能力有限，對(duì)心臟、腸道等運(yùn)動(dòng)器官的成像更面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人工智能為突破磁共振成像速度與質(zhì)量的瓶頸提供了新契機(jī)。中國(guó)科學(xué)家率先提出智能磁共振快速成像技術(shù)框架，將磁共振物理先驗(yàn)嵌入人工智能架構(gòu)，掃描速度和圖像質(zhì)量世界領(lǐng)先，實(shí)現(xiàn)了“又快又清”的磁共振成像系統(tǒng)。該技術(shù)在國(guó)產(chǎn)磁共振系統(tǒng)獲得成功應(yīng)用，使掃描效率提升3倍以上，推動(dòng)磁共振成像從靜態(tài)器官拍照到動(dòng)態(tài)生理攝像的革新。

技術(shù)突破帶來臨床應(yīng)用的效能提升。例如，傳統(tǒng)磁共振對(duì)前列腺檢查采用4mm層厚掃描可能遺漏微小病灶，而人工智能賦能的1.5mm超薄層成像清晰呈現(xiàn)直徑僅3mm的癌變區(qū)域；心臟磁共振動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)可完整記錄單個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的心肌運(yùn)動(dòng)，為心臟病診斷提供全景式的時(shí)空信息；自主研發(fā)的超高場(chǎng)全身成像體系在神經(jīng)系統(tǒng)、腹部器官等領(lǐng)域的成像精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。更值得關(guān)注的是，基于擴(kuò)散模型的新一代人工智能成像技術(shù)正在突破物理極限，通過對(duì)海量高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)通過部分采樣數(shù)據(jù)生成超分辨圖像的能力，為突破醫(yī)學(xué)影像的時(shí)空分辨率邊界開辟全新路徑。2024年，基于智能動(dòng)態(tài)磁共振成像的創(chuàng)新成果入選北美放射學(xué)年會(huì)6大突破技術(shù)。

腦機(jī)接口：

從植入電極讀取走向無創(chuàng)腦際自由通訊

腦機(jī)接口技術(shù)的終極目標(biāo)在于建立人腦之間的腦際通訊，這依賴于人腦與外部設(shè)備間的雙向信息高速公路。當(dāng)前侵入式技術(shù)雖能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)意圖解碼，但手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)制約其廣泛應(yīng)用；非侵入式技術(shù)則受限于信號(hào)精度不足的瓶頸。新一代技術(shù)突破聚焦于無損讀腦與精準(zhǔn)控腦的統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)腦際通訊的必由之路。

針對(duì)無損讀腦技術(shù)，人工智能算法能夠利用神經(jīng)功能成像數(shù)據(jù)，解析并重建所對(duì)應(yīng)的高級(jí)腦功能狀態(tài)，如感知、意圖或語義內(nèi)容。功能磁共振技術(shù)已實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺意象和語言思維的語義重建，無創(chuàng)超聲腦功能成像技術(shù)以百微米級(jí)分辨率捕捉靈長(zhǎng)類動(dòng)物運(yùn)動(dòng)意圖。超分辨超聲顯微成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)動(dòng)物的腦血管動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其微型探頭可以捕捉血管微循環(huán)變化；光聲融合成像技術(shù)突破聲學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)活體腦組織三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)。這些技術(shù)創(chuàng)新為理解神經(jīng)血管耦聯(lián)機(jī)制提供全新工具，為神經(jīng)解碼提供了全新途徑。

對(duì)于精準(zhǔn)控腦技術(shù)，人工智能則扮演著核心決策引擎的角色，通過實(shí)時(shí)分析神經(jīng)反饋信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整刺激策略，形成精準(zhǔn)、自適應(yīng)的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。基于人工智能的超聲神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過聲輻射力靶向激活離子通道實(shí)現(xiàn)神經(jīng)精準(zhǔn)調(diào)控，其中柔性聲學(xué)超表面僅20μm厚度即可實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的全振幅調(diào)制。中國(guó)自主研發(fā)的超聲調(diào)控系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中展現(xiàn)顯著療效：對(duì)難治性癲癇患者顳葉區(qū)的精準(zhǔn)干預(yù)，使異常腦電活動(dòng)減少50%以上；針對(duì)抑郁癥患者背外側(cè)前額葉的調(diào)控，顯著改善情緒癥狀，其療效在治療結(jié)束后4周仍持續(xù)顯現(xiàn)；在針對(duì)昏迷患者治療中，經(jīng)20天靶向干預(yù)，成功喚醒深度意識(shí)障礙患者。

當(dāng)前全球腦科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入新階段。中國(guó)在此領(lǐng)域的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)在于建立特色技術(shù)路線：發(fā)展多模態(tài)融合成像技術(shù)，構(gòu)建全腦尺度神經(jīng)圖譜；探索聲遺傳學(xué)等前沿方向，破解神經(jīng)信息編碼機(jī)制；通過磁共振引導(dǎo)超聲調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)靶向干預(yù)。這些突破為最終實(shí)現(xiàn)腦際通訊的重大目標(biāo)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

疾病診療：

從早期診斷到個(gè)性化智能診療

人工智能正以前所未有的深度和廣度，深刻變革著疾病診斷與治療的傳統(tǒng)模式。這一變革的核心驅(qū)動(dòng)力，源于跨尺度多模態(tài)疾病信息的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，包括分子水平的基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組數(shù)據(jù)，細(xì)胞組織層面的數(shù)字病理切片數(shù)據(jù)、高分辨率影像學(xué)數(shù)據(jù)，再到臨床表型層面的電子病歷、實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)等。面對(duì)如此復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)云，人工智能模型迫切需要在影像-病理-基因跨尺度計(jì)算和深度融合這一關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破。這一突破的目標(biāo)在于構(gòu)建個(gè)體化疾病數(shù)字孿生模型。未來的智能診療平臺(tái)將能夠解析患者的跨尺度多模態(tài)檢查數(shù)據(jù)，并快速生成高度個(gè)性化、定量化、動(dòng)態(tài)演進(jìn)的疾病診斷報(bào)告，并據(jù)此制定量體裁衣式的精準(zhǔn)治療策略。

更為顛覆性的前景在于定制化干預(yù)手段的進(jìn)步。基于患者特異性的靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)通路狀態(tài)，智能模型能模擬數(shù)以億計(jì)的分子結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)其與靶點(diǎn)的親和力、藥代動(dòng)力學(xué)特性和潛在毒性，從而在計(jì)算環(huán)境中完成藥物分子的設(shè)計(jì)、篩選和優(yōu)化。隨后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化和柔性制藥技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)以相對(duì)低的成本合成交付個(gè)體化的靶向藥物或治療性生物制品。這一系列技術(shù)環(huán)節(jié)都已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了智能化，例如快速成像、智能診斷、智能決策、智能篩藥、智能制造等。這一融合了精準(zhǔn)診斷、個(gè)性治療與按需制藥的未來醫(yī)療圖景，代表著醫(yī)學(xué)技術(shù)的革命性進(jìn)步，其戰(zhàn)略意義和社會(huì)價(jià)值值得高度重視與前瞻性布局。

面對(duì)生物醫(yī)學(xué)人工智能的蓬勃態(tài)勢(shì)，我們需清醒認(rèn)識(shí)到其中的核心挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)壁壘方面，醫(yī)療數(shù)據(jù)的孤島化和標(biāo)注質(zhì)量差異嚴(yán)重制約模型泛化能力，亟需建立涵蓋從分子到人體的宏微觀生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)化體系；在算法瓶頸層面，跨尺度數(shù)據(jù)融合能力不足限制了對(duì)復(fù)雜生命系統(tǒng)的整體認(rèn)知，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展跨尺度多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練大模型；倫理邊界維度，腦機(jī)接口等顛覆性技術(shù)需建立審慎的治理框架進(jìn)行前瞻性監(jiān)管，促進(jìn)腦際通訊技術(shù)的平穩(wěn)快速發(fā)展。

生物醫(yī)學(xué)人工智能的愿景在于深度融合現(xiàn)實(shí)世界的人體健康規(guī)律與數(shù)據(jù)空間的人工智能模型，構(gòu)建理解生命、守護(hù)健康的智能系統(tǒng)。這種新型生物醫(yī)學(xué)智能體既能解讀分子層面的生命語言，又能把握人體系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律；既可無創(chuàng)透視疾病形態(tài)和功能，又能精準(zhǔn)調(diào)控人體生理進(jìn)程。在這場(chǎng)生命健康技術(shù)革命中，中國(guó)科研力量開始扮演越來越重要的核心角色。在不遠(yuǎn)的未來，我們終將迎來疾病可防治、健康可管理、衰老可干預(yù)的生物醫(yī)學(xué)人工智能新紀(jì)元。