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金沙俱乐部娱乐·《自然》子刊:里程碑!首个临床级病理AI诞生,4万余真实世界病理切片准确率超98%,用于筛查可减少医

发布时间:2020-01-11 14:42:44
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金沙俱乐部娱乐·《自然》子刊:里程碑!首个临床级病理AI诞生,4万余真实世界病理切片准确率超98%,用于筛查可减少医

金沙俱乐部娱乐,来了!近150年病理学的最大突破,首个临床级别的ai系统终于来了!

今日,纪念斯隆·凯特琳癌症研究中心(mskcc)研究者在《自然·医学》发文[1],数据科学家thomas fuchs团队公布基于15000名癌症患者的4万余张数字化病理切片的新ai系统,对前列腺癌、基底细胞癌和腋窝淋巴结转移乳腺癌的测试曲线下面积(auc)均高于0.98。

厉害的是,该系统在训练过程中使用的是来自常规病理报告的数据,并未经过事先处理,也不需病理专家对切片手动标注,因而可以纳入前所未有的庞大数据,对临床上形态多样的肿瘤病理也有了更高的识别度。

据研究者估计,如果该系统投入临床使用,在保证100%灵敏度的条件下,能够减少病理医生65-75%的无谓读片工作,大大加速诊疗进程!

真是厉害了!

通讯作者thomas fuchs

图源 | mskcc

病理医生读片、诊断可以说是现代癌症诊疗的基础。然而一个世纪以来,病理医生们的工作模式却没有太大的进展[2,3],直到近年才出现了数字化病理切片以及相应人工智能技术。

但是,这并不意味着病理诊断走进数字时代。

有个段子讲,人工智能的背后都是人工。看似美好的病理ai系统,背后也是精挑细选的清晰切片,顶级病理专家们一个像素一个像素手动标注。

病理专家有多少?手动标注的工作量又是多大?有限的训练素材大大限制了ai的能力。

而且,临床上肿瘤的形态千变万化,病理切片制备过程也可能出错,切片状态不可能永远完美,ai真上了临床能有多大用武之地也是个问号。

干脆野一点儿,直接把真实世界数据丢给ai行吗?

ai将大大加速临床诊疗进程

mskcc的研究者们就这么干了。他们调用了3个数据集,共有来自44个国家和地区的15187名癌症患者的44732个病理切片信息,包括24859个前列腺癌切片、9962个基底细胞癌切片、9894个淋巴结转移乳腺癌切片,与任何一个同类研究相比数据量都要大上一级不止。

当然,这些切片完全没有经过处理,病理报告里是什么样就原样拿来用,当然也包括了一些常见的技术问题,比如说气泡、不规则的形状、固定得不好、组织不平整等等,也有数字化过程导致的图像模糊等。

训练方法

选的癌种也有说法。

前列腺癌是名列前茅的杀手癌,而且多个研究表明,前列腺癌病理学观察比较难,病变所占面积常<1%,不同的人或者同个人不同次都可能产生不同结果[4],精准识片意义很大;基底细胞癌虽然并不太致命,但它是美国最常见的癌症,利用ai大批量筛查降低病理医生的工作量、加速临床效率也是很重要的。

新的ai系统基于多实例学习(mil)和递归神经网络(rnn),以弱监督学习的方式在不同大小的数据集中进行了训练。根据研究者的观察,一般需要至少1万张切片才能够获得良好的性能,而且更大的数据集仍旧能够带来进一步的改善。

有趣的是,在不同的分辨率下,ai对不同癌种的识别敏感性是不同的,缺陷也是互补的。比如说前列腺癌的20x数据假阴性表现更好,5x数据假阳性表现更好。

ai识别的阳性、阴性和可疑切片

综合多尺度结果,前列腺癌、基底细胞癌和淋巴结转移乳腺癌三个癌种的auc分别达到0.991、0.989、0.965!

研究者也对产生的识别误差进行了分析,主要原因还是在于扫描的切片与病理报告中的诊断并不完全一致、切片本身的质量问题等。经过矫正之后,最终的auc均可以达到0.98以上。

识别误差的类型和数量

另外,研究者认为新的扫描技术也可能带来误差,比如不同的分辨率和色彩。这类问题可以通过混合数据训练或针对新设备微调参数解决。

新ai也在来自mskcc的12000个切片数据集中进行了验证,最终结果auc下降了6%。不过下降的误差主要体现在对新数据的特异性上,敏感性依旧很高。

研究者还对比了新ai和强监督学习的ai模型,其中包括camelyon16、拥有目前最大注释数据集的ai模型。研究者运行原数据得出的auc为0.930,与原论文中的0.925相近[5]。但是套用新ai的数据集之后,auc只有0.727,下降了20%以上。

将新ai与camelyon16的数据集交叉训练,均是新ai表现更佳。可见纵使精细标注的切片也不足以应对临床上复杂的情况,数据量大才是王道。

交叉训练结果均为新ai更佳

在这种新ai的帮助下,病理医生的工作量将大大减少。

医生们再也不需要大海捞针一般从病理切片中寻找极其微小的病变,只要等待电脑筛查、报告可疑结果就能够快速完成诊断。特别是针对前列腺癌,医生能够足足少看75%切片!

论文通讯作者fuchs博士是癌症ai诊疗公司paige的联合创始人,据悉该公司已有相关产品报批fda突破性设备认证。希望我们能够赶快在临床上见到这种新ai 大展身手。

编辑神叨叨

看见首个我就很激动

病理医生们有没有一种以后就能喝茶看报纸的错觉

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/s41591-019-0508-1

[2]ball, c. s. the early history of the compound microscope. bios 37, 51–60 (1966).

[3] hajdu, s. i. microscopic contributions of pioneer pathologists. ann. clin. lab. sci. 41, 201–206 (2011).

[4]ozdamar, s. o. et al. intraobserver and interobserver reproducibility of who and gleason histologic grading systems in prostatic adenocarcinomas. int. urol. nephrol. 28, 73–77 (1996).

[5]wang, d., khosla, a., gargeya, r., irshad, h. & beck, a. h. deep learning for identifying metastatic breast cancer. preprint at https://arxiv.org/abs/1606.05718 (2016).

[6]https://www.tmcnet.com/usubmit/-paige-announces-worlds-first-clinical-grade-artificial-intelligence-/2019/07/15/8986238.htm

[7]https://www.mskcc.org/blog/researchers-report-milestone-use-artificial-intelligence-pathology

本文作者 | 代丝雨