nature machine intelligence(《Nature machine intelligence》智能醫療元宇宙的發展)
來源：小桔燈網
作者：動力彩虹
元宇宙融合了物理和虛擬現實，使人類及其化身能夠在高速互聯網、虛擬現實、增強現實、混合和擴展現實、區塊鏈、數字孿生和人工智能（AI）等技術支持的環境中進行交互，所有這些都由有效的無限數據充實。元宇宙最近成為社交媒體和娛樂平臺，但擴展到醫療保健可能會對臨床實踐和人類健康產生深遠影響。
近日，來自美國的研究團隊在雜志Nature machine intelligence上發表了一篇題為“Development of metaverse for intelligent healthcare”的文章。在文章中，作為一組學術、工業、臨床和監管研究人員，研究團隊發現了醫療保健領域元宇宙方法的獨特機會。“醫療技術和人工智能”（MeTAI）的元宇宙可以促進基于人工智能的醫療實踐的開發、原型設計、評估、監管、轉化和完善，特別是醫學圖像引導的診斷和治療。研究團隊介紹了元宇宙應用，包括虛擬掃描、原始數據共享、增強的監管科學和元宇宙醫療干預。另外還討論了MeTAI元宇宙生態系統的相關問題，包括隱私、安全和差異。以及還確定了協調努力的具體行動項目，以構建MeTAI元宇宙，提高醫療質量、可及性、成本效益和患者滿意度。
圖片來源：Nature machine intelligence
一、MeTAI元宇宙概念
元宇宙是“一個計算機生成的環境，用戶可以在其中與他人及其周圍環境進行交互，一個虛擬世界”。元宇宙經常被誤傳為僅僅是計算機游戲和社交媒體的延伸。為了充分體現其好處，元宇宙需要整合所有支持技術的能力（包括5G/6G、VR、AR、混合現實（MR）、擴展現實（XR）、數字孿生、觸覺、全息、安全計算和人工智能（AI）），使人們能夠在自己之間以及與化身、AI和算法以及醫療設備和設施進行交互。這里設想了一個“醫療技術和人工智能”（MeTAI）生態系統，如下圖所示，包括關鍵要素，如在患者化身上使用數字孿生掃描儀進行虛擬對比掃描、安全醫療數據訪問（包括原始斷層圖像數據共享）、適應這種轉變的增強監管框架，以及“元宇宙”醫療干預，以實現前所未有的可及性和卓越的性能。
MeTAI生態系統醫療保健應用。圖片來源：Nature machine intelligence
二、MeTAI應用程序
鑒于元宇宙可以在醫療保健領域發揮革命性的作用，確定了四個重要的應用，重點是醫學成像，它們是MeTAI的例證：虛擬對比掃描、原始數據共享、增強的監管科學和元宇宙的醫療干預。
虛擬對比掃描
人體和機器的先進計算機模型的不斷發展，最終形成了數字孿生計算范式，將物理和虛擬物體的數據集成。為了進一步利用這些創新進行醫學成像，需要構建虛擬斷層掃描儀，具有可由掃描儀解析的解剖特性的個體化計算化身，以及AI支持的圖形工具，以插入、刪除和修改這些化身中的疾病。此外，可以3D打印和掃描物理化身，以模擬真實掃描并改進相關模型和分析。MeTAI部署的XR相比孤立XR的一個優勢是基于大規模協作的工作流可用性，從而可以公平地比較和完善各種品牌的硬件和軟件，并在患者和專業人員之間進行生動和及時的交互。
上述情況將帶來明顯的臨床益處。憑借虛擬掃描功能，全面的性能評估將有力推動成像和AI技術的改進。最終的混合數據集位于云端，將支持更大的虛擬和混合臨床試驗，以評估成像設備和算法的準確性、魯棒性、不確定性和通用性。最終，面臨多種選擇的患者將啟動平行世界來評估其結果。
原始數據共享
醫學成像數據的主要來源是醫學斷層掃描儀，它生成大量的多維測量值，并使用復雜的算法重建成圖像。缺乏對斷層圖像原始數據（如CT正弦圖）的研究訪問一直是研究人員的一個長期問題，許多數據共享和開源的努力在許多情況下尚未獲得太大的吸引力。從行業角度來看，共享測量數據的主要挑戰是不愿意公開專有信息。例如，每個CT供應商都制定了自己的系統校準和數據校正方法。為了解決這些問題，需要學術和工業合作來定義數據共享和轉換協議。
在MeTAI中，虛擬CT掃描儀可以掃描數字患者，以產生虛擬的“原始”數據。然后可以在虛擬數據和圖像中執行AI分析。在不披露供應商特定敏感信息的情況下，此類真實模擬數據應比真實機器的原始數據更易于共享。MeTAI可以是一個很好的促進器，可以直接在數據和圖像中對真實和真實模擬的原始數據進行基于深度學習的分析。
強化監管科學
去年，美國食品和藥物管理局（FDA）發布了一項行動計劃，旨在進一步監督基于AI的醫療器械軟件（SaMD）。需要多樣化、高質量和經濟高效的大數據集來優化從數據采集、圖像重建和分析到診斷發現的整個工作流程。在實踐中，獲取大型臨床數據集的成本很高。在這種情況下，上述虛擬掃描將是非常寶貴的。作為數字孿生技術價值概念的證明，FDA的一個團隊模擬了監管評估虛擬成像臨床試驗（VICTRE）研究，其中創建了2986名虛擬患者，以評估數字乳腺體層合成（DBT）作為乳腺癌篩查全數字化乳腺攝影替代品的性能，如下圖。研究表明，模擬工具可能是成像設備監管評估的可行證據來源。
為了增加在監管提交中使用計算建模的信心，FDA發布了“評估醫療器械提交中計算建模和仿真的可信度”的指南草案。此外，FDA還啟動了“醫療器械開發工具”（MDDT）計劃。非臨床評估模型（如動物或計算模型數據集）可被鑒定為MDDT。醫療器械供應商和開發人員可以在指定的環境中使用合格的工具來支持其產品的上市前審查，而無需進一步的驗證證據。沿著這個方向，MeTAI可以更全面地從患者、患者化身生成數據集，無縫集成這些數據集，廣泛共享信息，并支持基于AI的SaMD的動態評估。在MeTAI等前所未有的混合環境中使用計算方法可能比傳統的臨床試驗（無論是真實的還是虛擬的）更具信息量、更穩健、負擔更少，以評估醫療設備的性能。
FDA 監管評估虛擬成像臨床試驗研究的代表性結果。圖片來源：Nature machine intelligence
元宇宙醫學干預
MeTAI最深遠的影響將是醫生和患者可使用醫療數據和應用工具來了解疾病、選擇治療方法和進行干預。在MeTAI中，外科醫生可以在化身上嘗試不同的方法（例如，整形手術）。放射治療是另一個例子。未來，通過利用模擬器和納入元宇宙的臨床知識庫，可以大大減少放射治療期間對處于危險中的器官的傷害。
三、MeTAI生態系統
隨著上述和其他用例的實現，MeTAI可以成為醫療保健的變革性支柱。重要的是，MeTAI生態系統與其他醫學成像模擬管道的區別在于無與倫比的數據集數量和類型，其巨大的社會規模，以及對用戶沉浸、交互和協作的重視。因此，元宇宙需要一個和諧地整合患者、醫生、研究人員、算法、設備和數據的架構和基礎設施。鑒于MeTAI的革命性，顯然存在可預見的挑戰，需要我們迅速采取行動，為MeTAI元宇宙的發展制定最佳路線。
隱私和安全
隱私和保密對MeTAI至關重要。在元宇宙中獲取的一些醫療數據必須受到現有或未來隱私立法的保護。設計良好的具有安全計算的MeTAI系統可以利用原始數據，而不會泄露敏感或私人信息。研究團隊主張患者在區塊鏈技術的支持下控制自己的數據和化身，以便他們自己的數字醫療屬性可以按自己的意愿共享。
網絡安全是一個成熟的領域，不斷發展以應對不斷涌現的新挑戰。在MeTAI中，騷擾可以表現為對算法的對抗性攻擊、對化身的修改和傳統的人類行為不端。這些都是所有元宇宙中固有的。正在制定解決這些問題的方法和規則。例如，Meta建立了一個四英尺的個人區域來阻止VR探索。MeTAI與任何其他軟件或硬件產品一樣受到安全問題的影響。但所有這些問題都可以逐步得到解決。
管理和投資
當使用XR和其他工具進行基于元宇宙的交互和干預時，設想的基于元宇宙應用程序和新場景將帶來額外的責任和運營開銷。隨著人工智能越來越先進，人類對MeTAI衍生圖像和分析的審查需求可能會減少或消除，而MeTAI提供的信息將成為指導醫療保健的關鍵。分布式、云和邊緣計算系統非常適合容納各種各樣的海量數據集。需要有關數據共享和元宇宙開發的立法。
采用MeTAI需要在軟件、硬件和基礎設施方面進行投資。MeTAI的開發和采用將分階段進行，每個階段的資金來源可能不同。首先，在探索階段，公司和大學需要開發許多實現MeTAI的技術。在這一階段，資金主要來自政府和行業的贈款。一旦確定了可行性，MeTAI就進入了早期采用階段，由于其直接價值和潛在的財務節約，老牌公司和風險投資家將有強烈的動機為MeTAI開發提供資金。在下一階段，將采用更多的MeTAI技術，以獲得較高的潛在回報，但可能存在風險。這些努力很可能通過風險投資獲得資金。技術創新者和早期采用者將開發、測試和證明利益，以證明和吸引投資。
結論
元宇宙是迅速而深刻的技術和社會學發展的匯合點。它包含代表我們的化身，復制我們周圍的許多物體，如醫療成像設備，并有可能涵蓋許多學科。除了娛樂和社交網絡，元宇宙應用還包括專業培訓、K-12（從幼兒園到12年基礎教育）和大學教育、供應鏈、房地產營銷、和MeTAI。新冠肺炎疫情期間遠程醫療增長了38倍，這表明元宇宙的元素能夠以迅速獲得牽引力。我們相信醫療元宇宙MeTAI最終將成為現實。現在是發起集體努力開創這種元宇宙的時候了。這些努力包括但不限于收獲低風險成果，如基于XR的先進醫療體驗，展示新元宇宙應用的可行性，如虛擬比較掃描和原始數據共享，開發MeTAI，使其具有成本效益、用戶友好、高性能、可靠、安全、公平和道德。