鄭海榮：生物醫(yī)學(xué)人工智能，開辟守護生命健康新范式

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、守護健康的智能系統(tǒng)。

近日，中國科協(xié)會刊《科技導(dǎo)報》刊發(fā)了我國儀器儀表與傳感專家、中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會副理事長、中國科學(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，中國科學(xué)院院士，中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會副理事長、中國電子學(xué)會常務(wù)理事、中國聲學(xué)學(xué)會常務(wù)理事，現(xiàn)任南京大學(xué)副校長。研究方向為醫(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，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域正迎來一場范式革命。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，針對醫(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，實現(xiàn)了智能算法、核心器件和整機裝備的全面發(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)量是中國重大臨床需求，具有重要的社會經(jīng)濟價值。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)長期受制于物理系統(tǒng)與計算能力的雙重約束，導(dǎo)致成像速度和質(zhì)量的矛盾。以磁共振成像為例，其單次掃描耗時往往超過20min，設(shè)備日均服務(wù)能力有限，對心臟、腸道等運動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。中國科學(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，實現(xiàn)了“又快又清”的磁共振成像系統(tǒng)。該技術(shù)在國產(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，推動磁共振成像從靜態(tài)器官拍照到動態(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；心臟磁共振動態(tài)捕捉技術(shù)可完整記錄單個心動周期內(nèi)的心肌運動，為心臟病診斷提供全景式的時空信息；自主研發(fā)的超高場全身成像體系在神經(jīng)系統(tǒng)、腹部器官等領(lǐng)域的成像精度達到國際領(lǐng)先水平。更值得關(guān)注的是，基于擴散模型的新一代人工智能成像技術(shù)正在突破物理極限，通過對海量高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實現(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)影像的時空分辨率邊界開辟全新路徑。2024年，基于智能動態(tài)磁共振成像的創(chuàng)新成果入選北美放射學(xué)年會6大突破技術(shù)。

腦機接口：

從植入電極讀取走向無創(chuàng)腦際自由通訊

腦機接口技術(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)雖能實現(xiàn)運動意圖解碼，但手術(shù)風(fēng)險制約其廣泛應(yīng)用；非侵入式技術(shù)則受限于信號精度不足的瓶頸。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，是實現(xiàn)腦際通訊的必由之路。

針對無損讀腦技術(shù)，人工智能算法能夠利用神經(jīng)功能成像數(shù)據(jù)，解析并重建所對應(yīng)的高級腦功能狀態(tài)，如感知、意圖或語義內(nèi)容。功能磁共振技術(shù)已實現(xiàn)對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)以百微米級分辨率捕捉靈長類動物運動意圖。超分辨超聲顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)自由活動動物的腦血管動態(tài)監(jiān)測，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，實現(xiàn)活體腦組織三維動態(tài)觀測。這些技術(shù)創(chuàng)新為理解神經(jīng)血管耦聯(lián)機制提供全新工具，為神經(jīng)解碼提供了全新途徑。

對于精準(zhǔn)控腦技術(shù)，人工智能則扮演著核心決策引擎的角色，通過實時分析神經(jīng)反饋信號，動態(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厚度即可實現(xiàn)聲場的全振幅調(diào)制。中國自主研發(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)，使異常腦電活動減少50%以上；針對抑郁癥患者背外側(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)；在針對昏迷患者治療中，經(jīng)20天靶向干預(yù)，成功喚醒深度意識障礙患者。

當(dāng)前全球腦科學(xué)競爭已進入新階段。中國在此領(lǐng)域的戰(zhàn)略優(yōu)勢在于建立特色技術(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)信息編碼機制；通過磁共振引導(dǎo)超聲調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)無創(chuàng)靶向干預(yù)。這些突破為最終實現(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)動力，源于跨尺度多模態(tài)疾病信息的指數(shù)級增長，包括分子水平的基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組數(shù)據(jù)，細胞組織層面的數(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、實時生命體征監(jiān)測等。面對如此復(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)建個體化疾病數(shù)字孿生模型。未來的智能診療平臺將能夠解析患者的跨尺度多模態(tài)檢查數(shù)據(jù)，并快速生成高度個性化、定量化、動態(tài)演進的疾病診斷報告，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)手段的進步。基于患者特異性的靶點結(jié)構(gòu)和生物學(xué)通路狀態(tài)，智能模型能模擬數(shù)以億計的分子結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)預(yù)測其與靶點的親和力、藥代動力學(xué)特性和潛在毒性，從而在計算環(huán)境中完成藥物分子的設(shè)計、篩選和優(yōu)化。隨后，結(jié)合實驗室自動化和柔性制藥技術(shù)，可以在短時間內(nèi)以相對低的成本合成交付個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)的革命性進步，其戰(zhàn)略意義和社會價值值得高度重視與前瞻性布局。

面對生物醫(yī)學(xué)人工智能的蓬勃態(tài)勢，我們需清醒認識到其中的核心挑戰(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復(fù)雜生命系統(tǒng)的整體認知，應(yīng)重點發(fā)展跨尺度多模態(tài)預(yù)訓(xùn)練大模型；倫理邊界維度，腦機接口等顛覆性技術(shù)需建立審慎的治理框架進行前瞻性監(jiān)管，促進腦際通訊技術(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)控人體生理進程。在這場生命健康技術(shù)革命中，中國科研力量開始扮演越來越重要的核心角色。在不遠的未來，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。