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数理医学守护“健康中国”

来源:  发布时间:2024-02-01

  ——浙江大学求是特聘教授、浙江师范大学数理医学院院长孔德兴的“数学×医学”跨界科研人生

   杨 戈  王 辉  

  

开创者


  对于浙江大学求是特聘教授、浙江师范大学数理医学院院长孔德兴而言,2008年是一个颇具意味的年份,仿佛一座分水岭,将他的科研工作划分为两个时代。

  2008年以前,孔德兴是一位纯粹的数学家。他博士毕业于复旦大学数学研究所,在非线性偏微分方程等研究领域中取得了一系列重要成果,解决了一批国际著名的数学问题,后来在哈佛大学又接触到数学物理,开始对相对论里的弦理论和膜理论进行深入研究。

  好奇心是研究所有学问的基础,这在孔德兴身上也不例外。在他看来,数学作为科学发展不可或缺的工具,有着无可替代的重要价值。以数学理论为支撑的跨专业交叉学科的研究,是“科学新分支、科学大发现、创造性成果的生长点和成长的沃土”。2008年之后,他萌生了把数学引入医学的想法,试图运用数学知识,去攻克凝练出关键医学难题,解决医学中的重大临床需求问题,这成为孔德兴内心挥之不去的研究兴趣。

  “我喜欢挑战性的东西,尤其数学和医学这种深度交叉的融合,一直是一个未知的领域。长久以来,大家把医学更多地看成是经验式的,如果能够把数学用到医学里,可以把医学从经验医学变成精准医学,从定性医学变成定量医学,一方面对医学的贡献很大,同时对数学本身也提出了新的挑战和新的价值。”孔德兴下定了决心,开始埋首致力于数学和医学的交叉研究,并在国际上率先提出了“数理医学”的概念。

  必须承认,这在当时是一个非常超前的概念。在此之前,数学怎么和医学,尤其临床医学结合起来,一切并不明朗。但孔德兴敏锐地意识到,医学人工智能是未来的发展方向,将为“健康中国”和国家的分级诊疗提供巨大的技术支撑。严格地讲,数理医学不仅是一门关于数学与医学的交叉学科,同时它还涉及计算机科学、物理学、信息论及数据科学等。其目的不仅是重构人体内部组织器官、病灶区等的几何形状,定位各种组织、血管等的相对位置,以及生成各种解剖信息的定量描述,而且可预测各种疾病的发生与演化,刻画疾病的发生机制,揭示医学学科的内在规律,从而帮助医生制定准确的医疗方案,实现为患者造福的终极目标,对实现人民健康具有重要意义。

  作为新的探索方向,没有样本可以借鉴和复制,在外行人看来,从事数理医学的研究,在当时无异于从事一场大型的科学实验,而根据以往其他学科的经验来看,失败和挫折总是如影随形。但科学的进步,往往就建立在研究者们的大胆尝试之上,每一次探索机会都会与风险并存,在一切未知的情况下,这关乎研究者的勇气和担当。

  “科学的前瞻性,也能够体现国家的竞争力。”对于这些开拓性的、屡屡被质疑的探索,孔德兴始终保持着一个观点,不要轻易否定,也不轻易被外界的声音所左右。他始终认为,做未知的研究,最大的敌人是自己,最大的失败是放弃,这需要科技工作者的共同努力,每一次探索都有可能取得突破。

  起步阶段自然是艰难的。“无论是专家资源、学术资料,还是科研经费,那时候基本上可以说是一穷二白,白手起家,一步步慢慢走过来的,所以那几年还是蛮辛苦的。”孔德兴回忆,他非常希望医学专家能积极参与到人工智能的发展浪潮里,因为医生在医疗人工智能领域中的作用至关重要,“第一,医生要发现问题,提出需要解决的临床痛点和难点;第二,人工智能的应用过程需要医生深度参与,比如医生要提供数据,进行数据标注和手术方案的指导,以及手术的规划设计。”

  那段时间里,孔德兴一方面恶补医学知识,另一方面忙着广泛地和医生们“交朋友”。2015年,全国还没有一家数理医学学会,孔德兴牵头创办起浙江省数理医学学会。创办之初,虽然大家对数理医学概念还了解不深,但包括中国科学院唐孝威院士等一批资深专家和有识之士对于孔德兴的研究给予了极大的支持和鼓励。“学会里边大部分是医学专家,有数学家、计算机专家、生物学工程专家,还有一些专门研究机器人的工程师。从理论到技术,再到产品的研发与落地,专家们给予了我非常大的帮助。”也正是各领域专家的深度参与给了孔德兴坚持下去的信心和动力。

  随着大数据时代的到来,好的数据日益成为数理医学的一种资源,更是人工智能发展的基石。孔德兴介绍,数学建模和数学算法都离不开数据,当务之急是建立起高质量高标准的数据库。但在当时,我国对数据如何使用,以及如何和医院合作,还没有形成法律法规。中国的病人很多、数据量很大,但数据质量方面还亟待提高,比如有的数据信息不完整,有的数据被污染。此外,很多医院的数据并没有共享,不少医疗数据是碎片化、孤岛式存储的,这是困扰大数据落地应用推广的关键问题。

  为了解决相关难题,2016年,国家卫健委能力建设与继续教育中心杨爱萍主任召集了一批专家筹备建立国家医学图像数据库,孔德兴也被邀请进专家组委以重任。“建设这种国家层面的数据库非常重要,但也很不容易,尤其医学图像因为牵扯到很多不同领域的专家,各个方面都在投入。”孔德兴感慨,这是一个很漫长的过程,从2016年开始一直建到现在还在继续。目标是建立起不同器官、不同模态的数据库,目前已经有超声库、放射库、眼科库,以及肝脏的临床数据库,“最重要的是建立起了统一的数据标准和规范,这是一项功在千秋的国家工程”。

  数据库的建立为数理医学的发展解决了数据问题,迈出了万里长征坚实的第一步,但是要想实现产业化的落地不仅需要数据,还需要算法与算力的加持。在当时,我国使用的还是国外的一些底层框架。孔德兴明白,没掌握核心技术,总跟在别人的后面去发展永远无法做到超越,只会受制于人。为了解决独立自主的核心算法问题,他组织布置了大量有针对性的研究工作,足足用了5年的时间,研发出一套轻量化的深度学习底层框架。

  “这个过程的难度不言而喻,但这套框架从数据到算法再到底层框架的核心技术都是咱们自己的,解决了‘卡脖子’的隐患问题。”孔德兴自豪地表示,“而且在2018年经过第三方测试,用我们的数据,用我们的专业算法,在我们的框架下面的运行速度比国外同类快了36倍!”

  孔德兴是一个永远追求领先一步的人,他把这种性格也带到了科研与工作中。永远站在科技前沿,敢为天下先。如果没有这种性格,数理医学的发展不会走到今天:

  数理医学概念的诞生;

  浙江省数理医学学会的建立;

  数理医学学术专著《数理医学》的出版;

  科学出版社《数理医学》丛书的发行;

  浙江师范大学数理医学院的成立;

  将数理技术和人工智能结合在超声医学影像诊疗上应用;

  全球首台超声机器人研制成功并落地应用;

  全国第一张超声人工智能辅助诊断系统医疗器械注册证(三类)获批;

  …………

  这一项项全球性的历史突破在数理医学的发展史上由孔德兴和他的团队创造。

  学术界和医学界的专家学者给了孔德兴极高的评价,称赞他“是中国超声人工智能的开创者”,原中国工程院常务副院长潘云鹤院士在世界人工智能大会上高度评价孔德兴团队研发的超声人工智能产品,指出“这是中国医疗装备走向世界前沿的重要机遇”。


为国分忧


  20153月,科技部召开国家首次精准医学战略专家会议,制订“精准医疗”战略规划,精准医疗将改变现有的诊疗模式,为我国医学发展带来一场全新变革。

  同年9月,国务院办公厅发布了《关于推进分级诊疗制度建设的指导意见》,明确提出“发展基于互联网的医疗卫生服务,充分发挥互联网、大数据等信息技术手段在分级诊疗中的作用”。

  2016年,我国健康领域的首个中长期规划《“健康中国2030”规划纲要》发布,明确了卫生健康事业的宏伟蓝图和行动纲领。

  20177月,国务院印发了《新一代人工智能发展规划》,提出加强人工智能在医疗领域的创新应用,建立快速精准的智能医疗体系,开发人机协同的手术机器人等,实现智能影像识别、病理分型和智能多学科会诊。

  国家的需求就是吹响的号角!“作为一名科技工作者,首先要是坚定的爱国者,然后才是奋斗者、开拓者。”在这种信念之下,孔德兴决心“择己所长,择世所需”,为实现“精准医疗”和“分级诊疗”,为实现“健康中国”做出自己的一份努力。

  精准诊疗离不开医学影像,医学影像被视为精准诊疗的“眼睛”。每一张充满光影斑驳和蛛丝马迹的片子背后,都关系着一条鲜活的生命甚至一个家庭的幸福。医学影像分析与处理贯穿于疾病的整个诊疗过程:从疾病的筛查、发现、病理分析与诊断,到病灶组织的定位、形状、术前评估、手术方案设计及疗效评估等阶段。准确的医学影像分析和处理有助于医生预测各种疾病的发生与演化,揭示疾病发生机制,帮助医生制订准确的医疗方案。孔德兴介绍,医学影像分析与处理的核心是数学,先进的可计算数学模型和高性能的科学算法是判断医学影像分析与处理结果优劣的决定因素。

  但是,长期以来,医疗技术和装备领先的西方国家对我国实施技术封锁,由于缺乏核心技术,我国高端医疗装备绝大多数还是依靠进口,国产化装备和智能诊疗技术的发展受外部制约非常严重。国外的垄断直接造成整套设备的价格高昂,这也导致了国内病人体检费用的居高不下。

  “核心技术国产化,打破国外垄断,医疗成本才会大幅下降。”这也是孔德兴的一份初心。一方面,实现医学影像的精准分析和智能诊疗是国家战略的重要组成部分,是时代的必然要求,具有重要的科学价值和巨大的社会经济价值。另一方面,开展医学影像精准分析的数学理论与技术研究,可以提升我国在这一领域的核心竞争力,拥有自主知识产权,培育和形成智能诊疗和高端医疗设备研发的产学研体系,改变受制于人的现状。

  2021年,孔德兴团队申请到国家自然科学基金委员会针对数学和医学交叉而设立的“医学影像精准分析的数学理论与技术”重大项目,担负起突破传统医学影像分析若干瓶颈,实现面向医学影像精准分析的数学理论与技术的新发展,同时为解决临床诊疗从经验到理论、从定性到定量提供普适性的科学方法论与关键技术的重任。

  孔德兴带领团队为此做足了“功课”,他在调研中发现,尽管国内的超声硬件生产厂商成百上千,但涉足人工智能超声研究的企业却寥寥无几。“这是由于超声人工智能研发图像分辨率低、信息局部化、数据不标准的天然技术壁垒所造成的。”孔德兴将它们称为制约人工智能超声影像应用发展的“三座大山”,他的目标则是翻山越岭,取得突破。

  面对西方国家的垄断与封锁,很多技术都要靠孔德兴团队一点一点地自主摸索。“中国的人工智能医学影像装备要想打一场翻身仗,想在高端医疗设备产业化的道路上取得关键性突破,除了自主创新之外,没有别的路径可走!”在孔德兴看来,眼前就算是横亘着一座“珠穆朗玛峰”,也挡不住他率领团队风雪兼程,勇往直前。

  “超声还有一个特点,就是严重依赖于医生的经验与手法。不同的医生扫的图像是不一样的,即便是同一个病人,同一个医生的扫描手法不一样,得到影像也不一样。”所以,孔德兴团队针对超声的数据标准,包括采集标准、标注标准和质控标准也下足了功夫。为了构造高质量的数据集,孔德兴带领团队与顶尖医院的医生们进行深度合作,通过医学专家制定的标准指南来一张张地标记超声影像的特征。这些超声影像数据具有质量标准极高的特点,数量更是达到千万量级。团队利用深度学习处理超声影像,同时加入旋转不变性等现代数学的一些概念,让系统变得更“聪明”。在计算数学模型建模和高性能科学算法设计这两方面修筑护城河,形成核心竞争力。

  2017年,一款填补全球空白的能看病的“机器人”——“DEMETICS超声诊断机器人”(以下简称“机器人DE”)在孔德兴团队诞生。“这是一套基于超声影像的智能诊断系统,像机顶盒一样插到超声机上,在医生扫描的过程中,这套人工智能辅助诊断系统便开始工作,通过运用算法进行超声快速扫描分析,清楚地标记出患者的结节位置。它一旦发现病灶,就会在图像上提醒医生,勾画出异常的地方。如果用绿色框标出的就是良性,用黄色框标出来就是疑似恶性,用红色框标出来则是恶性的。这样一来,大幅度减轻了医生的工作量,阅片时间也成倍加快,不仅提升了影像诊断的精准性,避免漏诊误诊,还节约了医疗资源及社会成本。”孔德兴如数家珍地介绍着他的成果特点。

  一如当年腾空出世的Alpha Go挑战世界上两大围棋高手李世石和柯洁那样,机器人DE也与某著名三甲医院超声医学科的医生们进行了一场针对超声影像的甲状腺结节良恶性甄别的大战。医院方派出老、中、青3位代表(年轻的具有两年工作经验,中年的具有中级职称,老年的具有高级职称)。对同样一帧超声图像,3位医生先看,看完以后给出结果,然后机器人DE再给出结果,最后去做活检。从抽取的34个样本准确度结果而言,医生的准确率为63.4%,而机器人DE准确率高达85.7%

  比赛的结果让孔德兴有了更足的信心,“对于资深医生,机器人DE就相当于一个帮手,可以避免医生因劳累和情绪化而出现漏诊误诊;对于年轻医生,则像请了个老师一样站在他旁边,时刻给予提醒”。

  2018年,孔德兴将机器人DE落地杭州西湖区蒋村街道社区卫生服务中心,让这里的百姓在家门口就可以拥有三甲医院的诊疗水平。对于机器人提示有问题的病人,可以通过远程系统请专家医生实时判断,也可以直接对接三甲医院医生进行下一步治疗,大大方便了病人的诊疗,受到居民的广泛欢迎。这一技术的推广有力推动了政府分级诊疗的顺利实施。大家再也不用去挤人满为患的大医院,因为在基层医院就能又快又准地解决问题。几年下来,已有超过4万人次在蒋村街道社区进行检查,这一做法被国家卫健委高度认可,入选为西湖区十大民生工程之一和人工智能应用落地30最佳案例之一,被业界盛赞为“蒋村样板”“西湖模式”。

  “截至目前,产品已经覆盖了从超声诊断到治疗的软硬件一体化全闭环。包括超声甲状腺AI、超声乳腺AI、超声颈动脉AI、超声盆底AI等软件系统和超声自动扫查机器人的智能硬件装备,在全国乡镇社区卫生院这一级的700多家医疗机构都用上了。对于城镇居民,尤其是乡村的农民,解决了他们看病难看病贵的问题,能够实现早筛查早诊断早治疗,大大减少因病致贫的情况出现。”孔德兴自豪地表示,在“健康中国”的建设中,能将个人抱负与国家发展、社会需求紧密结合起来,让自己的研究工作拥有了时代的意义和重要的价值,是一件值得骄傲的事情。


未来已来


  “人民健康是民族昌盛和国家富强的重要标志”。习近平总书记在党的十九大报告中铿锵有力的论述如黄钟大吕言犹在耳。当今世界,健康已经成为衡量一个国家经济社会发展和人民幸福的综合尺度。

  用数字化、信息化、系统化的智能医疗提升整个医疗卫生行业的生产力,提升医疗卫生的质量,提升老百姓的满意度,解决老百姓看病贵、看病难的问题,这是一个非常持久而艰难的课题。

  孔德兴展望,未来会形成包括医疗服务链、健康管理链等一系列的链条。“今天一谈到医疗健康,就把重点关注在大医院身上,将来这种情况一定会有变化,医院的围墙一定要打破,要跟数理技术和信息化有机结合在一起。”

  孔德兴把眼光落到了更远处。据估算,到2030年,中国65岁以上人口占比将达17.3%,这对国民医疗是个巨大的挑战,同时也是巨大的机遇。“智能医疗不仅在改变着大医院的就医模式,也正逐步深入到慢病管理、居家照护、医养康养等领域。”他分析道,“从医学本身来讲,将来会随着大数据、云计算、人工智能等一系列的技术应用,使得我们对于疾病发生发展的规律更加准确全面。未来治疗不是针对整体人群,而是个体化治疗,是一种关乎每一位百姓健康的真正人性化的服务体系,这个就是明日医疗服务体系。”

  2023年,为加快培育发展未来产业,抢占未来竞争先机,浙江省印发了《关于培育发展未来产业的指导意见》,提出将优先发展9个创新基础良好、成长较快的未来产业,“未来医疗”正是其中之一。未来医疗产业成为全球科技创新竞争的新赛道。

  在孔德兴提出数理医学概念的几年后,医学和数学的交叉,在国际医学界也得到极大的重视和发展。哈佛大学、耶鲁大学、华盛顿大学、纽约大学、约翰·霍普金斯大学等,都非常注重在医学研究、临床实验中融入数学的方法,甚至很多医学院成立了计算医学的研究机构,并开设计算医学研究生课程,培养利用计算方法探讨与治病相关的分子社会学、遗传学、生理学与解剖学问题的专门人才。

  孔德兴的博士后导师丘成桐先生也回到了国内,他特别支持弟子在数理医学领域的开拓性研究。丘成桐强调,医学问题是具体而复杂的,仅从一个学科无法了解其中的奥秘,需要掌握跨学科的知识。医学研究需要收集数据、分析数据、解释数据,从复杂甚至杂乱的数据中,提炼出人类疾病发展的内在规律,从规律中制定相应的疾病预防手段。这些系统性的研究离不开数学、统计、计算机科学、人工智能技术,这是现代医学非常需要的。

  习近平总书记曾经说过:“谁拥有了一流创新人才、拥有了一流科学家,谁就能在科技创新中占据优势。”硬实力、软实力,归根到底要靠人才实力!孔德兴一直把人才培养看作是团队乃至整个数理医学学科领域长远发展的一个重要工作。“我希望能激发出年轻人的自信和独立创新精神,鼓励他们发现新现象、新理论,使他们能够做出一流的成果,能够助力解决国计民生的一些实际问题,而不仅仅是以发表论文作为最终科研目标。”

  2021年的9月,浙江师范大学数理医学院在金华市正式成立,孔德兴担任创院院长。学校举全校之力来进行学院建设,也得到了金华市政府的大力支持,一年之内就实现了本硕博的同步招生。这是一所高起点、国际化、研究型、多学科交叉的新型学院,旨在响应国家创新驱动发展战略,加强未来医学人才培养,助力国家分级诊疗战略,强化人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术与医学类专业的深度融合。学院依托“国家卫生健康委医学图像数据库”“国家药监局器审中心人工智能器械创新合作平台”2个国家级平台,组建“浙江师范大学数理医学院超声大数据创新应用中心(国家卫生健康委超声大数据创新应用中心)”,瞄准医学发展前沿领域,集聚高端医学资源和高水平研究团队,深入推进产学研融合。

  在孔德兴的主持下,学院与多家三甲医院合作,聚合高端医疗实训基地,拥有了金华市中心医院、濮阳市人民医院等4家附属医院,并和海内外20多所大学建立起科学研究与交流的合作关系。在过去2年中,孔德兴参照国际高水准大学人才聘任规则并结合浙江师范大学发展人才建设规划,牵头制订出学院教师队伍引进目标,建立起一支多学科工程科学交叉的优秀教师团队,其中不乏从北京大学、浙江大学、上海交通大学、牛津大学、剑桥大学、东京大学、海德堡大学等世界顶尖高校引进的杰出青年科学家。面对未来医学的挑战,新一批现代化的数理医学、医学大数据、智能医疗、精准医疗等方向的复合型创新人才正从这里启航,为“健康中国”的建设提供坚实的人才储备与智力支撑。

  这些年来,为了更好地推广数理医学发展及精准医疗、未来医疗的理念,孔德兴每年都要参加大约500多场与数理医学相关的学术会议和行业论坛,在国内外受邀作主题发言、特邀报告,不遗余力地为自己的理想奔走相呼。在他看来,这是一个领先世界的技术领域,他想为之深深刻上“中国智造”的烙印。

  一路走来,从最初的不解、质疑,甚至于嘲讽,到现在大家对于数理医学的接受、认可和重视,学会会员从刚开始的不足300人,到今天超过1万人,成绩来之不易。孔德兴非常欣慰,更自豪拥有着一支跨行业,甚至跨系统的“大团队”,这支团结协作、勇于创新的队伍里不仅有数学家,还有医院的医务人员、人工智能专家、软件设计工程师、制造工业工程师……大家来自五湖四海,但为着一个共同的理想和目标凝聚在一起。

  “让我最开心的就是每个小伙伴都很努力,团队的氛围非常好,大家不去争名争利,想的只是努力去解决问题。”在孔德兴的带领下,团队在建设“健康中国”的道路上逢山开路,遇水搭桥,每一步都扎实地走在艰辛但正确的道路上。

  人们常把健康比作1,事业、家庭、名誉、财富等诸多幸福就是1后面的0,人生圆满全系于1的稳固。所以习近平总书记曾反复强调:“没有人民健康,就没有全面小康!”孔德兴对此深以为然。

  时不我待!站在时代的前沿,面对艰巨的挑战,14亿中国人的健康之路如何才能行稳致远?“我觉得,‘健康中国’不仅是从政府部门的角度提出的政策措施,还是对我们这些科技工作者提出的行动要求。”孔德兴掷地有声地说道,“‘健康中国’不是口号,而是行动!”

 

专家简介

  

  孔德兴,浙江大学求是特聘教授、博士生导师,浙江师范大学数理医学院院长,数理医学奠基人、超声人工智能开创者。1993年毕业于复旦大学并获博士学位,哈佛大学博士后。长期致力于数学和医学的交叉研究,在国际上率先提出“数理医学”的概念,并取得一系列具有临床应用价值的研究成果,部分成果已成功在数百家医院落地应用。孔德兴既是技术革新的先行者,也是创新创业的领军人。在中国精准医疗的大道上,他将带领团队不忘初心,砥砺前行,深耕超声人工智能领域,持续提升临床技术水平、不断改善产品性能、辅助医生精准诊疗;让病患得到更多关爱、降低医疗机构和政府的负担,为实现“健康中国”的战略目标贡献自己的力量。


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2024年4月

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