在醫(yī)院的重癥監(jiān)護室（ICU）中，病情危重的患者躺在病床上，身體連接一整套儀器，接受全天24小時的醫(yī)療監(jiān)護。這些先進醫(yī)療設(shè)備用來維持患者的生命。靜脈注射藥液滴入血液，機械式呼吸機將空氣送入患者肺部。貼身的傳感器監(jiān)測心率、血壓及其他生命體征，床邊的監(jiān)護儀通過曲折的波形顯示數(shù)據(jù)。一旦記錄的數(shù)據(jù)超過正常參數(shù)，機器就會響起“嘟嘟”的示警聲，提醒醫(yī)護人員注意潛在問題。

雖然這個場景充滿了高技術(shù)，但這些技術(shù)并沒有發(fā)揮出其最佳效果。每臺機器分別監(jiān)測患者身體的不同部位，所有機器的工作并不協(xié)調(diào)一致，也沒有對大量的數(shù)據(jù)進行采集或分析。此外，重癥監(jiān)護室醫(yī)療團隊（包括急救醫(yī)生、護士、呼吸治療師、藥劑師以及其他?？漆t(yī)師）不可能時刻關(guān)注到每個患者。

在未來，重癥監(jiān)護室將更好地利用各種機器以及機器不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流。監(jiān)護儀將不再單獨工作，而是將信息綜合在一起，向醫(yī)生提供患者身體狀況的完整信息。該信息也會輸入人工智能（AI）系統(tǒng)，人工智能系統(tǒng)將自動調(diào)整儀器設(shè)置，從而保證患者處于最佳監(jiān)護條件。

我們的自主醫(yī)療公司（Autonomous Healthcare）位于新澤西州的霍博肯，致力于設(shè)計建造首批面向重癥監(jiān)護室的人工智能系統(tǒng)。這些技術(shù)是為了給患者提供警覺且細致的醫(yī)療護理，就像有一位醫(yī)療專家時刻陪伴在患者床前，為患者悉心調(diào)節(jié)治療方案。此系統(tǒng)能夠減輕重癥監(jiān)護室醫(yī)護人員過重的工作負擔。此外，如果人工智能技術(shù)可以幫助患者盡快轉(zhuǎn)出重癥監(jiān)護室，那么就能降低飛漲的醫(yī)療費用。我們初步將重點放在美國境內(nèi)的醫(yī)院，但是隨著人口老齡化及慢性病患者人數(shù)的增長，我們的技術(shù)將在世界范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

效益空間是巨大的。在美國，重癥監(jiān)護室是醫(yī)療體系中最昂貴的一部分。每天大概有5.5萬名患者在重癥監(jiān)護室接受治療，日均治療費用在3000至1萬美元。重癥監(jiān)護室治療費用每年累計超過800億美元。

隨著嬰兒潮一代步入老年，重癥監(jiān)護室變得越來越重要。如今，在美國重癥監(jiān)護室的患者中，年齡超過65歲的占一半以上。這個人群的數(shù)量在2014年為460萬，預計到2030年將增長到740萬。歐洲和亞洲也存在這一趨勢，人口老齡化已成為世界難題。為了滿足日益增長的重癥臨床護理需求，不僅要提高重癥監(jiān)護室的容量，還要提升其功能。培養(yǎng)更多的重癥監(jiān)護醫(yī)師是解決方法的一部分，自動化是解決方案的另一部分。人工智能系統(tǒng)并非要取代人類，而是要成為醫(yī)療團隊的一員，到醫(yī)生和護士最需要它們的地方施展才能。

目前的重癥監(jiān)護室中，臨床監(jiān)護儀的顯示屏幾秒鐘更新一次，儀器測量的數(shù)據(jù)通常都會遺失。但現(xiàn)在一些先進的重癥監(jiān)護室正嘗試保存和分析這些數(shù)據(jù)，但要為臨床觀察提供支持還有很大的難度。

醫(yī)生通常既沒有時間也沒有工具來分析快速累積的數(shù)據(jù)。但是人工智能系統(tǒng)卻能做到這一點，并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取行動，比如調(diào)整承擔重癥監(jiān)護關(guān)鍵任務的儀器設(shè)置。自主醫(yī)療公司目前首要關(guān)注的是對患者的呼吸機和輸液器進行控制的人工智能系統(tǒng)。當患者昏迷或肺衰竭時，會用到機械式呼吸機，這在重癥監(jiān)護室非常常見。細致的點滴管理可保持患者循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的血液量穩(wěn)定，確保所有人體組織和器官都得到足夠的氧氣。

我們的方法源自航空航天業(yè)，這一點你肯定很難相信吧。我們3位作者中的兩位——Haddad和Gholami——是航天控制專家。我們是在佐治亞理工學院的航天工程學院結(jié)識的。那時Haddad是動力系統(tǒng)與控制教授，Gholami是博士研究生，Bailey于本世紀初加入我們時，還是埃默里大學醫(yī)學院麻醉學的助教。Haddad和Bailey首先研究的是手術(shù)室中自動麻醉配量與給藥的控制方法，并先后在亞特蘭大的埃默里大學醫(yī)院以及佐治亞州蓋恩斯維爾的東北佐治亞醫(yī)療中心進行了相關(guān)臨床測試。之后，我們將目光轉(zhuǎn)向重癥監(jiān)護室中更復雜、涉及范圍更廣的控制問題上。2013年，為了研制的人工智能系統(tǒng)的商業(yè)化，Haddad和Gholami共同創(chuàng)立了自主醫(yī)療公司。Gholami是公司的執(zhí)行總裁，Haddad是首席科學顧問，Bailey是首席醫(yī)務官。

航天與醫(yī)學有何聯(lián)系呢？這兩個領(lǐng)域都會遇到生命危在旦夕的時刻，需要迅速處理大量數(shù)據(jù)并做出決策，而且都需要同時處理多項任務，以確保整體順利運行。尤其引起我們注意的是，反饋控制技術(shù)通過傳感、計算與執(zhí)行，利用算法和反饋來調(diào)整整個工程系統(tǒng)的行為，在飛行控制與空中交通控制的安全關(guān)鍵系統(tǒng)中起到不可或缺的作用。我們認為，反饋控制技術(shù)在重癥監(jiān)護醫(yī)學領(lǐng)域也可發(fā)揮作用。

但是飛行器與患者身體之間存在一個重大區(qū)別。飛行器的設(shè)計與操控以完善的機械和空氣動力學理論為基礎(chǔ)，而人體涉及高度復雜的生物系統(tǒng)，其功能與相互作用機制，我們至今尚未完全清楚。

想想分析機械式呼吸機的管理吧。嚴重外傷、肺部感染、心臟衰竭或敗血癥等炎癥反應綜合征的重癥監(jiān)護室患者或許都需要機械式呼吸機。呼吸機循環(huán)往復，將空氣壓入肺中，然后讓肺被動地將氣體排出?？梢栽O(shè)置呼吸機完成整個過程，也可以僅輔助患者自主呼吸。

人機互動的管理十分精細。人體有專門的自主呼吸管理機制，即神經(jīng)系統(tǒng)控制隔膜肌收縮，向下拉動肺部從而吸入空氣。呼吸機必須與這一人體內(nèi)在驅(qū)動機制協(xié)作，保持與患者呼氣/吸氣的自然轉(zhuǎn)換節(jié)奏同步，并與患者自然的呼吸量持平。

遺憾的是，患者的實際需求與機器的供應常常是不協(xié)調(diào)的，這會導致患者產(chǎn)生“呼吸機拮抗”。比如，患者所需的吸氣時間可能要長一些，而呼吸機則過早地從吸氣轉(zhuǎn)換為呼氣。這些人機異步問題通常會導致患者長時間地依賴呼吸機、延長患者在重癥監(jiān)護室的時間，增加死亡風險。專家們尚不清楚為何異步問題會產(chǎn)生這些不利影響，但當患者在努力呼氣而機器卻在輸入空氣時，患者會明顯地感覺到不適，同時其肌肉也會承受更多負擔。據(jù)估計，在美國的重癥監(jiān)護室里，大概有12%到43%的病患出現(xiàn)與呼吸機嚴重不同步的情況。

解決這一問題的首要步驟是檢測出異步情況。經(jīng)驗豐富的呼吸治療師可通過持續(xù)觀察呼吸機顯示屏上的壓力和流量波形來識別不同類型的異步。但是在重癥監(jiān)護室中，一位呼吸治療師通常只能兼顧十幾位患者，無法同時顧及所有患者。

我們公司設(shè)計了可代替人工檢測呼吸異步的機器學習系統(tǒng)。我們利用患者呼吸機的波形數(shù)據(jù)集來訓練這個學習系統(tǒng)，使用的每個波形數(shù)據(jù)都經(jīng)過了臨床專家組的評估。我們的算法學習了不同異步類型的特征，比如在指定時間點上，流量信號的特殊下降。在對算法的首輪評估中，我們的重點是循環(huán)異步，這是最難檢測的一種異步類型。此時呼吸機呼氣階段的起始點與患者的自主呼氣不一致。我們的算法通過新數(shù)據(jù)集檢測循環(huán)異步情況的準確率與專家持平。

我們目前正在美國東北佐治亞醫(yī)療中心重癥監(jiān)護室對真實病患進行實時監(jiān)測，以此測試我們的呼吸異步檢測算法。此項技術(shù)已被應用到臨床決策支持系統(tǒng)中，幫助呼吸治療師評定患者的需求。此項系統(tǒng)也可以幫助研究者進一步了解異步的潛在原因及其對病患的影響。我們的長期目標是設(shè)計出根據(jù)患者的實際需要自動調(diào)整的機械式呼吸機。

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在大家的想象中，重癥監(jiān)護室里，應該是患者床邊的支架上面懸掛著輸液袋，液體通過輸液管進入患者血管的場景。在重癥監(jiān)護室，大概75%的患者都需要不同的程度的輸液管理。

但是目前科學還遠達不到校準輸液量的程度。僅僅是跟蹤患者的體液量就是一項艱巨的任務：目前尚未有醫(yī)療傳感器能夠做到直接檢測體液量，因此醫(yī)生只能依靠血壓和尿量等進行間接檢測?；颊咚璧妮斠毫咳Q于其病情和藥物等諸多因素。

對于患有敗血癥的患者來說，控制輸液量至關(guān)重要。敗血癥是一種全身感染、危及生命的綜合征，敗血癥患者的血管膨脹，血壓下降，體液會從最細的血管——毛細血管中溢出。這樣一來，到達器官的含氧血液降低，可能導致患者器官衰竭甚至死亡。醫(yī)生治療敗血癥時，采用的是通過藥物提高患者的血壓，將更多液體輸入患者循環(huán)系統(tǒng)的方法。

增加體液很重要，但不能過量——輸液過多會引起并發(fā)癥，比如肺水腫，此時肺部積液過多，會影響呼吸。研究表明，輸液過多與長期使用呼吸機、長期住院以及高死亡率都存在關(guān)聯(lián)性。

因此，醫(yī)生是根據(jù)普通患者的平均模型，努力將患者體液量維持在一定水平。在巡視重癥監(jiān)護室病房時，醫(yī)生主要通過檢查患者血氣、血壓以及排尿量等多項指標來確認患者的液體量是否穩(wěn)定在目標水平。而何時增加輸液量以及增加多少就相當主觀了，對于最佳處置方法尚有諸多爭議。

人工智能系統(tǒng)在這方面可以做得更好，它不依照普通患者的平均模型，而可以實時分析單個患者的一系列生理指標，并根據(jù)單個患者的具體需求來控制輸液量。

自主醫(yī)療公司研發(fā)的全自動系統(tǒng)研究患者的間接體液測量值（比如血壓以及每次心跳泵出血液量的變化等），然后將數(shù)據(jù)輸入復雜的生理模型。我們的系統(tǒng)利用測量值評估體液如何在血管與組織之間流動，并根據(jù)新的測量值不斷調(diào)整參數(shù)。然后，通過我們研發(fā)的自適應控制器對輸液進行調(diào)整。

我們的技術(shù)優(yōu)勢之一是控制工程師所稱的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，這種狀態(tài)是是指，任何對正常狀態(tài)的擾動都只會造成細微且短暫的變化。很多工程應用的控制系統(tǒng)都要確保閉環(huán)穩(wěn)定性。比如，飛機遇到強氣流時，自動駕駛系統(tǒng)會采取補償措施將顛簸降到最低水平。但是，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備的控制系統(tǒng)沒有此類保障機制。假如醫(yī)生斷定敗血癥患者的體液水平急劇下降，可能就會為病人大量輸液，也有可能會過量。

我們與獸醫(yī)麻醉學家兼心血管生理學家威廉?繆爾（William Muir）合作，對自動液體管理系統(tǒng)進行了測試。使用我們的系統(tǒng)對存在出血狀況的試驗犬調(diào)節(jié)輸液量。通過測量試驗犬每次心跳泵出的血液量，我們的系統(tǒng)成功將其維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

為了使人體體液量全自動管理系統(tǒng)獲得管理部門的批準，我們還需要進行更多測試。與呼吸機管理系統(tǒng)一樣，我們首先建立重癥監(jiān)護室的輔助決策系統(tǒng)。這個“人工介入”系統(tǒng)可為臨床醫(yī)師提供信息和建議，再由臨床醫(yī)師對輸液泵進行調(diào)整。

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除了呼吸機及輸液管理之外，其他有關(guān)患者護理的重要方面也可以自動化，比如疼痛管理和鎮(zhèn)靜。關(guān)于重癥監(jiān)護室的未來發(fā)展，我們設(shè)想：人工智能系統(tǒng)將通過評估病人的生理狀況以及實時調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)置來監(jiān)測、協(xié)調(diào)并控制多種臨床操作。

為了實現(xiàn)這一設(shè)想，僅僅依靠工程師研發(fā)技術(shù)是不夠的。我們還必須努力通過監(jiān)管障礙并滿足醫(yī)院的制度要求。

當然，對于任何新型自動醫(yī)療系統(tǒng)，監(jiān)管者都需要仔細審查。我們建議監(jiān)管部門使用自動化與航天行業(yè)常用的兩種測試系統(tǒng)。第一個是計算機模擬測試，即通過計算機模擬對一種算法進行測試。只有采用以高保真生理模型為基礎(chǔ)的模擬方法，此類測試才有效。這種測試系統(tǒng)已經(jīng)可用于某些應用。比如，美國食品和藥品監(jiān)督管理局最近允許以計算機模擬測試代替動物實驗，研發(fā)治療糖尿病的人工胰腺。

第二個有用的測試系統(tǒng)是硬件介入測試。在此類測試系統(tǒng)中，硬件將代替測試對象——飛機發(fā)動機或人體循環(huán)系統(tǒng)。你可以利用這個硬件平臺測試一臺設(shè)備，比如自動液壓泵。該平臺將產(chǎn)生與真實監(jiān)護儀相同類型的數(shù)據(jù)。這些硬件介入測試可以說明設(shè)備在真實情境中運行良好。一旦這些技術(shù)被病?；颊叩奶嫔硭C實，那么就可以在真實患者身上進行測試。

將這些技術(shù)引入醫(yī)院的最后一步是取得醫(yī)療工作者的信任。醫(yī)療界往往比較保守（這是應該的），沒有人想要做出可能危害患者健康的改變。我們的策略是分階段證明我們的技術(shù)：首先實現(xiàn)決策輔助系統(tǒng)的商業(yè)化，證明其有效性和有益性；然后轉(zhuǎn)向自主系統(tǒng)。借助人工智能，我們相信重癥監(jiān)護室將會更智能、更安全、更健康。