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博文

平行醫學:從醫學的溫度到智慧的醫學 精選

已有 1624 次閱讀 2021-5-27 08:12 |個人分類:論文交流|系統分類:論文交流

引用格式:王飛躍, “平行醫學:從醫學的溫度到智慧的醫學”, 智能科學與技術學報, 2021, Vol. 3, No.1, pp. 1-9.

Citation:Fei-Yue WANG, “Parallel medicine: from warmness of medicare to medicine of smartness”,  Chinese Journal of Intelligent Science and Technology, 2021, Vol. 3, No. 1, pp. 1-9.


平行醫學:從醫學的溫度到智慧的醫學


王飛躍


摘  要:如何將智能科技與醫療健康結合,在傳統醫學和現代醫學的基礎上創建更加高效的智慧醫學,是一項意義重大的歷史性任務。針對醫學的科學性、人文性和社會性等復雜問題,集復雜性醫學、跨學科醫學和系統智能醫學多個角度于一體,利用人工社會建模、計算實驗分析、平行執行管控,提出平行醫學的基本概念、框架和流程,力圖建立將醫學研究的小數據演化生成醫學大數據,再凝練、驗證形成醫學深智能的醫學數據智能生成過程。


關鍵詞:平行智能;平行醫學;智慧醫學;復雜性醫學;跨學科醫學;系統智能醫學


Parallel medicine: from warmness of medicare to medicine of smartness 


WANG Fei-Yue


Abstract: How to combine intelligent technology with medical health and create more efficient intelligent medicine on the basis of traditional medicine and modern medicine is a historic task of great significance. Aiming at the complex problems of science, humanity and sociality of medicine, integrating complexity medicine, transdisciplinary medicine, and systems intelligence medicine, by using artificial societies for modeling and representation, computational experiments for verification and validation, parallel execution for management and control, the basic concepts, frames and processes of parallel medicine were proposed. As a systematic approach for smart medicine, the parallel medicine will produce medical big data from medical small data, and then generate medical smart data from medical big data.


Key words: parallel intelligence, parallel medicine, smart medicine, complexity medicine, transdisciplinary medicine, systems intelligence medicine

 

1  引言


從Jeopardy 到IBM Watson的健康系統,從AlphaGo到AlphaFold,從深度學習到深度醫療,近年來機器學習和人工智能的深入與普及,已使基于智能科技的醫學醫療智能化成為人類社會的共同期盼,并希望以此迅速提高人們的醫療與健康水平[1-6]。有些專家信心十足,甚至聲稱其人工智能方法已全面超越人類醫生,并開始羅列最有可能被人工智能取代的幾類人類醫生,這除了引起業界的混亂,還導致民眾對智能醫學醫療有過急過高的期望。


目前,人們對高水平醫療健康的需求同現有的服務水平之間的差距已成為現階段社會矛盾的重要組成部分[7],“病不起”“因病致貧”“因疾返貧”等成為不可忽視的社會現象,因此,面向人民生命健康已成為國家“四個面向”的戰略方向之一。在這一背景之下,如何以智能科技建設更加高效的智能醫學醫療體系來服務民眾,是一項十分重要且具有戰略意義的歷史性任務。


醫療健康的復雜性因素如圖1所示[1,4]。人類的健康及其醫學研究和醫療服務涉及難以盡數的復雜因素,單憑技術無法完全解決生命健康問題。為此,必須突破原有思維模式,以新的系統性思維和研究范式,結合智能科技,在傳統醫學和現代醫學成果的基礎上,創立新的智能醫學醫療體系。例如,作為醫學科學基礎的現代生物學,其面臨的重要挑戰是“來自研究者的決定論思維和生命偶然性特征之間的沖突”[8],必須尋求合適的途徑予以有效解決。本文就是沿著這一思路,集復雜性醫學(complexity medicine)、跨學科醫學(transdisciplinary medicine)和系統智能醫學(systems intelligence medicine)于一體,基于ACP[9-10](即人工社會(artificial societies)、計算實驗(computational experiments)、平行執行(parallel execution))方法初步提出平行醫學的基本概念、框架和流程,希望以此拋磚引玉,引發討論和深入研究,使醫學向融合了醫學的科學性、人文性、社會性的智慧醫學邁進,造福人類。


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圖1  醫療健康的復雜性因素


2  醫學的溫度和醫學的復雜性


“哦,醫學是有溫度的!”這曾是一個年幼患者對醫生自然的心靈感知。醫學的溫度首先是醫學的人性和人文特色,就是將醫護工作者的溫情化為患者心靈上的溫暖。醫學的溫度也是社會性的,其不但在人們的心靈深處“留下了一片柔軟的地方”,更為人類社會“留下了一種特別的美,一種愛的美麗”。有史以來,無論是什么時代,什么社會,“醫生就是一個高尚的職業,公認是由高貴的人從事的。要求醫生具有美德,已經成為傳統!盵1]今天,醫生學習的第一課往往是從《希波克拉底誓言》開始,宣誓保護病人,而從業行醫的準則已被銘記于特魯多醫生的墓志:有時去治愈,常常去幫助,總是去安慰(to cure sometimes, to relieve often, to comfort always)。


實際上,這一切都是醫學的人文性和社會性的自然顯現。然而,為了保證醫學能夠有效地“有時去治愈”,并使醫學的溫度總是處在讓人舒適健康的范圍之內,必須依靠醫學的科學屬性。為此,人類經過了漫長的追求與探索,醫學終于成為現代科學的核心內容之一。在中國,從《黃帝內經》《難經》《傷寒雜病論》《神農本草經》到近代中西醫結合,傳統醫學與現代醫學正在進一步整合。在西方,從希波克拉底、蓋侖到文藝復興時期的解剖學、生理學、病理學、微生物學、免疫學、遺傳學等醫學基礎學科的興起,再到當今的基因信息學和分子生物學等,醫學由宗教的安慰、匠人的幫助、醫生的救治,正邁向集預防(preventive)、主動(proactive)、個性化(personalized)和精準(precision)于一體的“P4”醫學[11-12]。


然而,在醫學科學與醫療技術飛速發展的同時,開始出現一些技術至上的現象。正如《醫學的溫度》一書所指出的:醫學日漸趨離其人文和社會屬性。具體表現如下。


(1)醫學與病人的距離越來越遠。醫生傾聽病人主訴的時間越來越少,主要依靠儀器設備與化驗檢查結果,過度依賴藥物與手術,越來越忽視病人的心理因素。


(2)見病不見人,只顧局部不顧整體。隨著臨床專業的細分,幾乎形成“一種醫生面對一個器官”的局面,沒有充分深入地考慮器官組織之間的相互影響,忽視整體自然力及其復雜性。


(3)過度治療發展到令人吃驚的地步。精準地確定什么是合適的治療的確是一個非常困難的問題,但不妨回想一下引入“醫學傷害(medical harm)”概念的奧地利哲學家伊凡·伊里奇(Ivan Illich)的發問:健康是人類應對死亡、疼痛和疾病的能力,科技可以幫忙,但是發動一場消滅疼痛、疾病和死亡的“神圣”戰爭,醫學似乎走得太過了[13]。


(4)醫學與市場緊密結合。醫院趨利行為膨脹,藥商、醫院經營者與醫生形成商業聯盟,出現“用更昂貴的治療方法,治療更少數人的疾病”的發展趨勢。


(5)醫患關系緊張,醫患關系物化。一些人視醫患關系為消費關系、合約關系。這樣的關系一旦成立,必然出現不負責任的醫生與不信任醫生的患者。


(6)醫學的根本目的被淡化。醫學似乎只考慮維持病人的生命,不愿考慮勉強維持生命可能給病人帶來的痛苦,也難以考慮如何促使人們健康幸福地生活;往往只考慮新技術的發明和應用,而暫未考慮有多少人能享用這些技術,忽視人們的經濟承受能力以及對社會的不良影響。


總之,醫學本身及醫療技術的發展只能解決能否做到的問題,而不能解決需要做什么的問題。醫學呼喚人文,醫學必須與人文緊密結合,才能保持正確的發展方向,真正造福人類。


顯然,醫學的溫度是其科學的溫度、人文的溫度、社會的溫度之糾纏整合,就像量子糾纏在“塌陷”之前狀態不明一樣,人們難以說清醫學的溫度的本源與本質,只能自己去體驗和理解。但當“科學的冷漠”取代人性的溫情,當人與人的交流變得奢侈,當診療成為流水線上機械的動作時,醫學就不可避免地蛻變成被藥物和儀器役使的工具,醫患關系也會隨之由親密轉為緊張,醫學也就失去了暖心的溫度。為此,人們不可忘記“醫學是人學,醫道重溫度”,必須在現代化進程中尋求傳統醫學與現代醫學整合發展的更好、更有效的方向和途徑,創立以人為本同時考慮醫生患者及其社會的新醫學。


實際上,醫學的溫度不但是其科學性、人文性和社會性的象征,更是醫學的“UDC”,即不定性(uncertainty)、多樣性(diversity)和復雜性(complexity)的高度概括。首先,人體本身是一個具有生命的開放復雜的系統,是由粒子、原子、分子、基因、細胞、組織、器官、系統逐級生成的一個有機整體,具有自適應、自平衡、自組織等智能體征,人們對它的認識,也從宏觀(macroscopic)到中觀(mesoscopic)再到微觀(microscopic),再回到宏觀,不斷循環,不斷遞進。醫學的使命和溫度就是把健康問題的UDC特征轉化為醫療手段的AFC功能,即靈活敏捷地處理不同患者的不同疾痛(agility)、綜合平衡地向任務聚焦(focus)、堅定不移地向健康的整體目標收斂(convergence)[3]。為此,人們必須梳理清楚醫學在科學性、人文性和社會性方面面臨的復雜性問題。


2.1  醫學的科學性


(1)還原困境


從分子到量子,還原論是主導現代醫學的研究范式。然而,還原的路徑無窮無盡,不但經濟上無法窮盡,即使能夠窮盡,之后在智力上也難以整合[1]。生命承受不起“滴水見大!钡谋扔,不能大而化之,不能將群體與個體的數據或行為混淆。生活更難以忍受不斷的科目細分,不應該讓無盡的還原成為醫生、患者和社會的沉重負擔。


(2)循證困境


現代醫學是循證醫學,必須進行嚴格的醫學實驗和結果驗證。然而,人們往往難以在有了足夠的證據之后才看病,醫生的經驗仍舊是關鍵。盡管醫學經驗的標準流程和臨床指南提供了相當大的科學保障,但這并非嚴格意義下的循證醫學。而且,即使按臨床流行病學的循證醫學過程確定了診斷準確率和治療有效率,其結果還是群體概率,難以判定具體的某個病人是在概率之內還是概率之外。對此,仍需要醫生根據經驗加以決策。因此,傳統醫學的整體觀和經驗性依然有用,誠如“現代醫學之父”威廉·奧斯勒(William Osler)所言:行醫是一種以科學為基礎的藝術。


2.2  醫學的人文性


(1)價值的主觀性


“醫學的價值,既有客觀標準,又有主觀標準”。人們很容易對醫學價值的客觀標準形成統一認識,如減少痛苦、延長壽命、改善生活質量、提高生產力等,但對其主觀判斷卻難以一致。不同年齡階段、不同發展地區、具有不同人文傾向的人,不但對醫療的要求不同,對醫學價值的判斷也不同,具有相當大的主觀性,甚至出現《劍橋醫學史》[11]的作者羅伊·波特(Roy Porter)所說的“認知困境”:醫學從來沒有這么成就斐然。然而矛盾的是,醫學也從來沒有像今天這樣招致人們強烈的懷疑和不滿。


(2)效果的心理性


“醫生既要治病,又要治心”。希波克拉底曾說過:了解一個什么樣的人得了病,比了解那個人得了什么病更重要。而且,幫助創辦北京協和醫院的近代美國傳奇醫生畢寶德(Peabody)認為:照護好患者的秘訣就在照護的過程之中[14-15]。雖然心理學和心理治療得到了空前的發展,但與常規治療的融合目前幾乎還是空白的。近年提出的“敘事醫學(narrative medicine)”[16]要求醫生不可僅關注病人的生理變化及其病理機制,還要關心其心理狀態和環境因素等,這是向治病且治心邁出的重要一步[1]。


(3)應用的有界性


明確“醫學有邊界”的原則。隨著現代醫學的成功和人們對其期望的不斷提高,醫學已經被賦予了過度的使命。如從美容、養生到“返老還童”,造成泛濫的醫學生活化,還有把健康的“危險因素”當成“疾病”對待的過度醫療。不知醫學邊界為何,忘記醫學從何而來,又是如何走到了現在。


2.3  醫學的社會性


(1)發展的一致性


醫學與技術經濟的發展水平密切相關,整個社會與自然環境中的各種因素共同影響并決定了人們的健康和醫療水平。


(2)發展的倫理性


醫學科學水平和醫療技術發展必須首先保證廣大群眾的基本健康需求,確保社會公平公正。必須制止有害社會的“用更昂貴的治療方法,治療更少數人的疾病”的醫學技術發展方向。


(3)發展的資本性


健康產業已成為國民經濟的支柱產業,發達國家的醫療工業產值接近國內生產總值(GDP)的20%,健康產業在中國也發展迅猛。大量的資本進入醫療健康市場,在促進醫療創新和產業升級的同時,資本的逐利本性也帶來許多負面的問題,難免有時成了人類健康的“雙刃劍”。如非常昂貴的價格給病人造成極重的經濟負擔,并助長了醫療設備藥品耗材領域的腐敗,甚至出現“醫學雜志背后的幽靈”為醫療企業炮制不實論文,從而進行虛假宣傳。為此,英國皇家全科醫生學院(Royal College of General Practitioners)前院長希思(Heath)女士曾警告說:美好愿望與經濟利益聯合,弄不好就是毒藥。


3  建立系統智能醫學:跨學科醫學與復雜性醫學


如何面對并盡可能解決或改善這些問題?物聯網、大數據、云計算、機器人、區塊鏈、人工智能,這些引人注目的時代新技術自然會在腦海中涌現出來,給人無限的遐想。然而,解決這些復雜的醫學問題,單憑技術還遠遠不夠,人們更需要新的思維、新的范式、新的體系。否則,會出現醫學醫療技術越來越復雜的現象,導致所謂的智能醫學醫療系統對醫生和患者及整個社會提出越來越高的要求,甚至達到“非分”的程度。為此,筆者認為,除了現行方法與實踐,在醫學科技中引入復雜科學研究的新思路、交叉學科融合的新范式、系統智能技術的新體系,是促進傳統醫學與現代醫學進一步整合發展,開創醫學智能新時代的一條可行途徑。


3.1  基于復雜性科學的醫學研究思路


(1)還原與活力的對立統一


人類對生命的認識隨著還原論和活力論(或整體論)兩種不同觀點的反復爭辯而不斷深入。通過細胞學,人們認識到整個身體和生命源自一個細胞的分化、組織、結構與系統,之后就開始有了統一還原論和活力論的思想。法國哲學家和古生物學家德日進(Pierre Teilhard de Chardin)曾稱:生命就是復雜化的物質,這是明確將復雜性置于從非生物體到生物體這一過程的關鍵。什么是復雜?復雜到何種程度非生物就成了生物體?這依然是現代科學的不解之問,也是近代復雜性科學興起的主要動因。如何將復雜性科學引入醫學研究,是一個十分值得探索的方向!八^復雜,就是對立統一”,加上傳統中醫的辨證思維,以及人工智能的各種計算辯證推理方法,特別是人工系統建模及其數字孿生技術,可為還原論方法與整體論綜合的對立統一和復雜性醫學的研究提供新的思路和途徑,進而推動解除醫學的“還原困境”。


(2)虛與實的反饋糾纏和閉環互動


如何將醫學的“硬”科學知識“軟”化,使生活在人文和社會中的人類有效地接受并利用起來,同時讓人文社會的“軟”經驗知識“硬”化,使其可以協調一致地被納入科學方法的分析體系,應是復雜性醫學的一個主要研究方向。物聯網、云計算、數據庫、知識庫、知識圖譜、知識范疇和知識本體等人工智能技術,加上概率圖模型、范疇數學等理論工具,為虛實軟硬知識之間的轉換、糾纏、反饋提供了手段,也為物理實際醫療系統和軟件虛擬醫療系統之間的實時閉環互動提供了保障。讓虛實對立統一,加快建設虛實一體的醫學醫療系統,降低成本,提高效益,是一項十分迫切的任務。


(3)涌現與收斂的機制和技術


涌現和收斂都是復雜性科學的基本概念和機制。如何通過涌現的方法將不同時間、不同地點、不同疾病所涌現出的數據和知識,有效地聚集到所關注的具體醫學問題,并正確地收斂于所需要的解決方案之中,是復雜性醫學必須回答并完成的任務。邊緣計算、云端推理、虛擬增強混合現實技術,特別是平行智能將邊緣之涌現與云端之收斂能力通過計算實驗和平行執行的方法統一成一體,為實現分布混合式醫學醫療系統(distributed hybrid medical system,DHMS)提供了技術基礎和實施條件,可在一定程度上緩解甚至解除現代醫學的“循證困境”。


3.2  基于交叉學科的醫學融合范式


(1)面向引導性知識的平行哲學


醫學智能技術的興起,必然改變醫療的效果、人們的期望和社會的成本,進而重構醫學的科學性、人文性和社會性之間的相互關系。對此,不妨從一切的根源,即哲學的角度思考這些問題,重新分析、規范、標定三者的關系,使之合理和諧地適應于時代,F有的哲學體系主要圍繞存在(being)和變化(becoming)兩個核心理念展開,衍生出科學、人文、社會的現代化研究,但目前醫療的商品化和資本化,醫患關系的異化和惡化,都迫切表明信任(believing)必須被納入時代哲學的核心范疇,形成智能時代的新哲學。平行哲學就是一種基于卡爾·波普爾(Karl Popper)物理、心理、人工的3個世界認知,集關于being、becoming、believing的描述性、預測性、引導性(prescriptive)知識于一體,利用諾伯特·維納(Norbert Wiener)的循環因果(circular causality)進行邏輯推理的有機智能哲學。相對于其他哲學,平行哲學之新在于引入了獨立的引導性知識體系,其相應的引導功能(即prescription)不但與醫生的處方是同一個英文單詞,而且在認知理念和實施過程上也是一致的。此外,與許多“形而上”的哲學不同,平行哲學利用智能技術,如密碼學、區塊鏈、非同質化通證(或稱防替通證)(non fungible token,NFT)、智能合約、分布式自主組織(decentralized distributed organization,DAO),從技術和工程上將信任和契約變“真(true)”:可信(trusted)、可靠(reliable)、可用(useful)、高效(effective+efficient),使之直接成為面向大眾的“形而下”醫學知識系統和醫療服務產品,從而破除醫學的“認知困境”,推動醫療健康人文性和社會性難題的解決[17-18]。


(2)醫學知識工程的新基建CPSS


為了建立與智能科技和平行哲學相匹配的醫學新范式和醫療新文化,使數據之力、計算之力、算法之力、網絡之力和區塊鏈之力能夠有效地匯聚于一體,確!拔辶弦弧背蔀獒t學的新活力,必須首先變革現代醫學知識和醫療系統的基礎設施。為此,國際上已視數字孿生(digital twins)和相應的信息物理系統(cyber-physical systems,CPS)為工業制造業升級換代的核心基礎設施。與此對應,對于涉及生物生命體的醫學,邏輯上平行系統和相應的信息物理社會系統(cyber-physical-social systems,CPSS)就是其新一代基礎設施的自然之選。平行系統由一個或多個對偶的主體系統和影像系統組成,其中影像系統主要由人工系統構成,而包括數字孿生等各個層面的孿生技術是生成人工系統的主要方法。相對于CPS,CPSS的核心是集人機物于一體,突出人及其社會因素在建模中的關鍵作用,強調“人是萬物的度量”,置人于系統之中,而不是之外,使人機交互和人機混合智能有效,以此確保人在決策中的核心和主導地位[19]。對于事關生命與健康的醫學醫療問題,守護人性底線的人類醫生不可替代。正因如此,CPSS的這一特性對新一代醫學至關重要。而且,方興未艾的邊緣感知、云計算、物聯網、智聯網等新技術,是實現醫學知識工程的新基建CPSS的有力保障。


(3)醫學知識自動化的新范式


基于儀器和機器的物理自動化或工業自動化,現代醫學和醫療已經發展到了燦爛的今天,但如果要走向更加輝煌的明天,必須依靠醫學知識自動化,變革醫學知識的生成、管理、傳播、解析和應用。顯然,平行哲學、平行系統和CPSS,將為這一新的自動化進程在結構上提供軟硬環境的支撐。近年來,IBM公司的沃森人工智能健康項目,DeepMind的AlphaGo及AlphaFold等,已沿此方向做出了十分有影響的嘗試。實際上,在此之前,許多醫學初創公司就開始了醫學教科書和醫療案例的知識圖譜工程,并在特定疾病的診斷和治療上取得了成功的實踐。隨著知識表示、自然語言處理和情感心理計算等智能技術的進一步成熟普及,醫學知識自動化必將成為新的醫學醫療范式,使多學科、交叉學科和跨學科醫學逐漸地成為標準,并不再向醫生提出非分的智力和體力要求,不再為患者增加額外的心理和經濟負擔。


3.3  基于系統智能的醫學醫療體系


(1)基于模型的醫學系統工程


系統工程對于提高醫學研究和醫療水平至關重要,近年來西方各國紛紛制定計劃和政策促進系統思維與系統工程在醫學醫療中的應用,從各個層面在疾病的研究、治療、康復以及日常健康的引導、維護等環節落實系統工程方法和技術,聲稱取得了“戲劇性的正面結果”,令人“十分滿意”[20];谀P偷南到y工程(model-based systems engineering,MBSE)是新一代系統工程技術的代表,是醫學知識自動化的工程基礎,也是醫療機器人過程化的技術保障。通過建模的形式化應用,MBSE可以從開始的概念設想階段一直到開發和后面各個生命周期階段,連續地支撐系統需求、設計、分析、驗證、核實等活動。相對于面向物理或工業自動化的傳統基于文件的系統工程(document-based systems engineering,DBSE),MBSE是面向知識自動化,走向引導性醫療系統的必由之路。目前,基于功能的系統工程(function-based systems engineering,FBSE)和基于引導的系統工程研究(prescription-based systems engineering,PBSE)正在興起。人們希望MBSE、FBSE和PBSE的結合,可為基于模型、功能和引導的醫學醫療系統提供相關技術,改進醫學醫療系統不同利益方之間的交流與合作,提高管控復雜性的水平,提升產品的質量與可靠性,加強知識獲取和信息再利用的能力,改善學習和傳授醫學知識和醫療技能的效率。


(2)醫學機器人過程自動化


目前機器人過程自動化(robotic process automation,RPA)主要被用于服務、商務和管理過程的自動化,但RPA對醫療服務、管理和監控過程的自動化具有巨大的潛力,是醫學研究和醫療技術自動化及智能化無法繞過的環節。RPA也被稱為軟件機器人學(software robotics),主要思想是利用軟件機器人(software robots或 bots)及更廣義的人工智能“數字人”來完成信息的獲取和知識的應用,并使RPA系統具有處理不確定、多樣性、復雜化任務的能力。加速開發面向醫學醫療的RPA,包括從基于模型、功能和引導的醫學醫療系統到軟件定義的醫學研究流程和醫療服務流程、數字醫務工作者、虛擬在線醫護人員交流群體、數字患者、虛擬在線患者支持群體等,是一項十分具有挑戰性卻非常重要和迫切的工作。


(3)基于ACP的平行智能醫學


集成基于模型、功能和引導的醫學醫療工程與醫學醫療機器人過程自動化技術后,人們就可以利用ACP方法,首先通過驗證核實的有限數據構造人工醫學系統,即不同層次不同粒度上的影像或孿生系統(包括數字孿生)。然后,利用人工醫學系統進行虛擬的醫學醫療計算實驗,產生大數據,進一步驗證核實設計的醫學研究或醫療方案的有效性及性價比,形成具體的精準知識和深度智能。最后,利用實際和人工醫學系統之間的虛實互動與平行執行,以及數據驅動和知識驅動的平行驅動,產生虛實之間的糾纏反饋,形成虛實之間的雙層閉壞,實施精準的管理與控制,實現預防、主動、個性化、精準(“P4”)平行系統智能醫學與醫療,即“P5”醫學與醫療。平行醫學醫療的框架與流程,將在下一節進一步討論。


總之,復雜性醫學的目標是利用復雜性科學的研究,將復雜性任務交給虛擬的人工系統解決,而醫學工作者的工作必須盡可能簡單化,最終希望人只處理高心智卻簡單的人文性和社會性任務?鐚W科醫學的任務是建設新的醫學基礎設施,培養新的醫學范式和醫療文化,實現交叉學科醫學知識自動化,其目的依然是減輕醫生和患者的負擔,提高醫療效益。系統智能醫學就是希望利用數據智能和智能科技,通過人機結合虛實平行的方式,將復雜性醫學和跨學科醫學的理念、方法、技術、流程付諸實踐,成為可信、可靠、好用、高效的分布式自主自動化醫學醫療組織和系統,變革現行醫學醫療和健康體系,更多更好地服務人類。


4  平行醫學:邁向智慧的醫學


所謂平行醫學,就是利用平行系統和平行智能方法研究與醫學和醫療相關的問題的方法與體系,主要由基于ACP方法的醫學醫療流程和平行醫學框架平臺組成。首先,需要構建與實際現行的醫學研究和醫學服務對應的人工或虛擬醫學研究步驟和醫學服務過程模型,即將其軟件化定義或數字化孿生。一般而言,一個或多個實際醫學系統(實際系統)可以對應于一個或多個人工醫學系統(人工系統),一是完成醫學醫療模型的形式化和知識表示,二是將模型的功能從傳統的分析轉化為數據生成。在人工系統的基礎上,開展醫學醫療的計算實驗,將具體問題的“小數據(small data)”,通過這一實驗過程和對抗生成等方法變成“大數據(big data)”,再利用機器學習和各種人工智能方法凝練出針對具體問題的精準知識、深智能或“小智慧(smart data)”,如同AlphaGo針對圍棋博弈所完成的那樣。醫學醫療的最終任務是解決患者的問題,所以,最后還需要在人工系統和計算實驗的基礎上實施平行執行:實際系統與對應的人工系統各行一步,然后交換其結果并進行比較,根據差別進行虛實反饋,實現虛實閉環,如此反復進行,利用虛實平行互動,形成虛實之間的雙反饋和雙閉環。


平行醫學的基本思路就是:利用虛實的相互作用,由“單一世界”轉變到“多重世界”,完成對實際醫學醫療過程的管理與控制,包括對有關醫學人員的培訓和系統學習,對相關醫學決策和行為的實驗與評估,使過去“摸著石頭過河”的實踐方式升華到科學化、系統化、精細化水平的科學管理,并能夠以可計算、可實驗、可驗證的方式不斷改善、不斷提高。


平行醫學系統的基本框架如圖2所示,主要由實際醫學系統和人工醫學系統所構成的平行系統,以及學習與培訓、實驗與評估、管理與控制3個功能平臺組成。利用平行系統的虛實互動和平行驅動,對虛實之間的行為進行交換、對比和分析,完成對各自未來狀況的“借鑒”“預估”和“優化”,相應地調節各自的運行管理與控制方式,實現相關人員和算法的學習與培訓、相關決策和行為的實驗與評估、相關過程與服務的管理與控制。


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圖2  平行醫學系統的基本框架


(1)學習與培訓


人工醫學系統是一個醫務工作者學習與培訓的平臺,各種各樣的人工智能可視化和虛擬加強現實技術可在此發揮重要作用。實際和人工醫學系統的多種多樣的組合與聯結,可以使醫務工作者加速并有效地掌握相關知識和處理各種復雜情況,也可以將其作為各種手術的訓練系統。在條件允許的情況下,應該以與實際醫學系統相同的流程來管理控制人工醫學系統,將人工醫學系統作為實際醫學系統的備用系統,即“熱備份”,便于緊急情況下的切換應急,增加平行醫學系統,提升其可靠性和應急能力。


(2)實驗與評估


針對不同的復雜性水平和精度要求,人工醫學系統可以通過數學或數字孿生、軟件孿生或軟件定義、虛擬孿生或代理建模等技術實現。人工醫學系統主要被用來形式化知識表示和數據生成,進而進行醫學醫療的計算實驗。計算實驗可分為仿真(emulation)實驗、仿效(simulation)實驗或仿制(imitation)實驗,用來分析了解各種復雜醫學系統在各種環境下的行為和反應,并對不同醫療方案的效果進行評估,評估結果作為選擇和支撐醫學醫療決策的依據。


(3)管理與控制


人工醫學系統試圖盡可能地逼近實際醫學系統的行為,預測其下一步的可能情況,并進行評估,從而對具體疾病的醫療方案進行分析和引導,作為決策的依據。進一步的,通過觀察實際醫學系統和人工醫學系統的狀態差別,產生誤差和反饋信息,形成虛實閉環,并對人工醫學系統的評估方式或參數進行修正,根據場景相互逼近,減少差別,反復循環,完成醫學決策生成、決策推薦、決策支持等功能。


盡管在科學上已取得了許多重大進展,但醫學醫療在本質上還是一門實驗學科,依然按照“吃一塹,長一智”的方式進化發展。在相當意義下,平行醫學就是“吃一塹,長一智,換了世界”:利用信息和智能技術,把在物理世界“吃一塹”,換成在物理世界或虛擬世界“吃一塹”,把在認識知識上“長一智”,換成在物理世界的實踐上“長一智”,特別是虛擬的“吃一塹”可以通過知識自動化的形式大量大范圍地快速進行實驗,把醫學的小數據變成大數據,再煉成深智能,實現低成本、高效益、廣智慧。目前,這一平行系統和平行智能的方法已在軍事、國防、經濟、制造、教育等領域得到廣泛的應用[21-25],并開始在痛風、皮膚、眼科、手術、制藥和醫學圖像等方面進行了一系列的初步探討[26-32],值得進一步開展更加深入細致的系統化研究與實踐。


5  結束語


平行醫學必將推動智能醫學的深入發展,從“P4”醫療到最終的智慧醫學醫療,這一進程必將對現存的醫學和健康生態體系造成變革性的沖擊。


首先,平行醫學將引發醫學醫療數字孿生技術的廣泛應用。數字醫生、數字護士、數字患者等通過軟件定義構成的醫學醫療知識機器人將成為智能醫學醫療系統的標準產品,改變現有的醫學知識的表示與學習方式,改善目前的醫療服務的過程與實施方法。必須指出的是,這一變革不是排除人類醫生或物理形態的醫療機器人,而是大大地減輕他們的負荷與消耗,使他們以更加人性、舒適、高效的方式從事醫學醫療工作。


其次,平行醫學將變革現有醫學研究和醫療服務的組織與運營模式,虛實互動的平行醫學研究院和平行醫院將以不同的形式涌現,聯邦數據、聯邦控制、聯邦服務、聯邦管理、聯邦學習、聯邦智能等新的人工智能方法將構成既保護各方隱私與權益,又能提高安全與效率的新聯邦醫學醫療生態體系,例如聯邦智能醫院,其技術基礎就是區塊鏈和DAO方法,可以為新醫學生態提供安全、共識、激勵和智能合約等手段[33-36]。


最后,平行醫學的體系不但可以提升人類自身的健康保障水平,也可被用于改善人類社會的群體生態健康。廣義的平行醫院,可將人類醫院(hospital,h代表人類human)的模式和實踐,推廣到各種社會問題的解決方案之中,變成社會醫院(sospital,s代表社會society)、經濟醫院(eosptial,e代表經濟economics)和金融醫院(fosptial,f代表金融finance),推動人類世界向“6S”智慧社會發展:物理世界安全(safety)、網絡空間安全(security)、整個生態的可持續(sustainability)、個性優化(sensitivity)、全面服務(service)和全面智慧化(smartness)。


致謝:


在相當程度上,本文是結合自己的工作學習《醫學的溫度》一書的體會與思考,這本書讓我從一個全新的角度去感受和認識醫學和醫療。非常感謝此書作者北京大學醫學部教授韓啟德先生在百忙之中多次長時間的指教和幫助,使我決心花更多的精力研究智能科技與醫學醫療相結合的有效途徑。在此,對近一年來給予我和家人很大幫助的許多醫學專家深表謝意,特別是中國人民解放軍總醫院的桑福金、張旭、許百男、張志成,北京協和醫院的李漢忠、金征宇、薛華丹,首都醫科大學附屬北京天壇醫院的楊俊、賈文清、王擁軍、管仲軍,北京和睦家醫院的朱剛、田江克,以及英國國立神經病學科神經外科醫院(NHNN)的James Allibone,美國匹茲堡大學醫學中心的Dade Lunsford和德國雷根斯堡大學醫學院的Burger Maxiwillan等醫生,他們在提供專業幫助之余,更讓我了解了醫學和醫療的本質與現實。


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