在醫(yī)院的重癥監(jiān)控病房（簡稱ICU）當(dāng)中，病情嚴(yán)重的患者需要全天連接一組設(shè)備，從而隨時得到生命體征監(jiān)控與維持。這些先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備旨在幫助病人保持生存：靜脈輸液不斷向血管內(nèi)注射營養(yǎng)劑，機(jī)械式呼吸機(jī)將空氣推入肺部，粘貼在身體上的傳感器負(fù)責(zé)追蹤心率、血壓及其它生命體征，而床邊的監(jiān)測器則會波浪形線條繪制數(shù)據(jù)結(jié)果。當(dāng)機(jī)器記錄到超出正常參數(shù)的測量值時，則會立即發(fā)出蜂鳴與警報，從而提醒醫(yī)務(wù)人員注意可能出現(xiàn)的潛在問題。
雖然這樣的場景當(dāng)中充滿了高科技元素，但這些技術(shù)本身并沒有得到充分的利用。每一臺機(jī)器都在以彼此隔離的方式監(jiān)控病患的一部分信息，且各設(shè)備之間無法協(xié)同工作——即無法捕捉或者分析豐富的數(shù)據(jù)流。ICU團(tuán)隊中的核心護(hù)理醫(yī)生、護(hù)士、呼吸治療師、藥劑師以及其他專家們顯然不可能隨時對每位病患加以密切關(guān)注。
未來的ICU將更好地利用機(jī)器及其產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流。各監(jiān)控裝置不再孤立運作，而是對信息加以匯總，從而向醫(yī)生全面展示患者的健康狀況。此外，這些信息還將流向人工智能（簡稱AI）系統(tǒng)，并由此類系統(tǒng)據(jù)此對設(shè)備設(shè)置進(jìn)行自動調(diào)整，最終確?；颊呤冀K處于最佳健康狀態(tài)。
在我們公司——位于新澤西州霍博肯的Autonomous Healthcare公司，我們正在為ICU設(shè)計并構(gòu)建首批人工智能系統(tǒng)。這些技術(shù)方案旨在提供細(xì)致且敏銳的護(hù)理服務(wù)，如同有專家長期守在病人床邊般仔細(xì)校準(zhǔn)治療方法。這類系統(tǒng)能夠顯著降低重癥監(jiān)護(hù)病房中工作人員的負(fù)擔(dān)，更重要的是，該技術(shù)還有望幫助患者更快離開ICU環(huán)境，從而降低醫(yī)療保健成本。我們最初將著眼點放在美國本土的醫(yī)院當(dāng)中，但隨著人口老齡化與慢性病患病率的增加，我們意識到此類技術(shù)在世界各地都能夠發(fā)揮重大作用。
由此帶來的收益很可能極為可觀。在美國，ICU是醫(yī)療保健體制內(nèi)最昂貴的組成部分。目前每天約有5萬5千名患者在ICU接受治療，而一般的日均費用從3千美元到1萬美元不等。相關(guān)累計成本每年超過800億美元。
隨著嬰兒潮一代逐步成為老人，ICU的重要意義也得到進(jìn)一步凸顯。當(dāng)下，美國超過半數(shù)的ICU患者年齡高于65歲——預(yù)計這部分人口將由2014年的4600萬增長至2030年的7400萬。歐洲與亞洲呈現(xiàn)出的類似趨勢，已經(jīng)使其成為一個世界性的難題。為了滿足日益增長的急性臨床護(hù)理需求，ICU需要進(jìn)一步提升自身功能與容量。在這方面，除了培養(yǎng)更多重癥監(jiān)護(hù)專家之外，引入自動化手段也是一種重要的實現(xiàn)途徑。當(dāng)然，人工智能系統(tǒng)的存在并不是為了取代人類，而是作為醫(yī)療團(tuán)隊的一部分，幫助醫(yī)生與護(hù)士在最需要他們的時間與地點運用自己的技能。
一部分重癥患者需要佩戴機(jī)械式呼吸機(jī)［1］。這些機(jī)器能夠?qū)⒖諝馔迫敕尾浚涔?jié)奏可能與自然呼吸模式并不同步，這將導(dǎo)致患者與呼吸機(jī)間“產(chǎn)生對抗”。智能控制系統(tǒng)可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實時讀取氣流通量［2］并識別不同類型的呼吸機(jī)異步［3］狀況。在這種完全自主的系統(tǒng)當(dāng)中，自適應(yīng)控制器［4］會不斷調(diào)整呼吸機(jī)的氣流，使其與患者之間保持同步。作為實現(xiàn)全面自主運作的第一步，可以利用類似的系統(tǒng)作為ICU中的決策支持工具，從而為呼吸治療師提供設(shè)備調(diào)整建議。
在目前的ICU當(dāng)中，由于顯示器每隔幾秒就會刷新一次，因此來自床邊監(jiān)視器的數(shù)據(jù)往往無法得到全程關(guān)注。雖然一部分先進(jìn)的ICU已經(jīng)在嘗試對這些測量值加以歸檔，但醫(yī)護(hù)人員仍然很難挖掘這些數(shù)據(jù)以獲得臨床見解。
人類醫(yī)生通常既沒有時間，也沒有工具以掌握這些快速積累起來的數(shù)據(jù)。然而，人工智能系統(tǒng)卻能夠做到這一點。此外，其還可以根據(jù)數(shù)據(jù)采取措施，例如調(diào)整關(guān)鍵ICU任務(wù)中涉及的機(jī)器。在Autonomous Healthcare公司，我們首先關(guān)注用于管理患者通氣與液體的人工智能系統(tǒng)。當(dāng)患者處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)或者患有肺衰竭（一種常見的ICU病癥）時，機(jī)械呼吸機(jī)即會發(fā)揮作用。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊后w管理將可保證患者的循環(huán)系統(tǒng)始終擁有適當(dāng)?shù)难毫魍?，從而使其所有組織與器官皆獲得充足的氧氣供應(yīng)。
事實上，我們的方法來自一個看似無關(guān)的領(lǐng)域：航空航天領(lǐng)域。我們兩個——Haddad與Gholami——原本都是航空航天領(lǐng)域的控制工程師。我們第一次見面是在喬治亞理工學(xué)院的航空航天工程學(xué)院，Haddad當(dāng)時是院里的動力系統(tǒng)與控制學(xué)教授，Gholami則是博士研究員。2000年之后Bailey也加入了我們的團(tuán)隊，當(dāng)時他在埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院擔(dān)任麻醉學(xué)副教授。Haddad與Bailey最初著手研究控制方法，希望能夠在手術(shù)室當(dāng)中以自動化方式實現(xiàn)麻醉劑量供應(yīng)與分娩處理。相關(guān)的臨床研究測試在亞特蘭大埃默里大學(xué)醫(yī)院以及喬治亞州蓋恩斯維爾的東北喬治亞醫(yī)療中心進(jìn)行。在此之后，我們將目光投向更為復(fù)雜且廣泛的ICU控制方向。2013年，Haddad與Gholami成立了Autonomous Healthcare公司，旨在將我們的人工智能系統(tǒng)商業(yè)化。Gholami擔(dān)任公司的CEO，Haddad出任首席科學(xué)顧問，Bailey則為首席醫(yī)療官。
那么，航空航天科學(xué)與醫(yī)學(xué)之間到底存在哪些共通點？具體來講，二者都涉及大量數(shù)據(jù)，必須快速處理這些數(shù)據(jù)以便在生命面臨威脅時做出決策； 此外，兩者都要求同時執(zhí)行多種任務(wù)并保持平穩(wěn)的運作狀態(tài)。更具體地講，我們已經(jīng)看到反饋控制技術(shù)在重癥監(jiān)控醫(yī)學(xué)中的作用。這些技術(shù)利用算法與反饋通過感測、計算以及驅(qū)動等修改工程系統(tǒng)的行為。事實上，此類技術(shù)在飛行控制與空中交通管制等重要安全系統(tǒng)中可謂無處不在。
然而，飛機(jī)與醫(yī)院病患之間存在著重大差異。飛機(jī)的設(shè)計與控制基于完善的力學(xué)與空氣動力學(xué)理論，而人體則屬于極為復(fù)雜的生物系統(tǒng)——事實上，時至今日我們?nèi)匀粵]有完全理解這些系統(tǒng)的運作方式與相互作用。
下面回到機(jī)械式呼吸機(jī)的管理方面。存在直接創(chuàng)傷、肺部感染、心力衰竭或者膿毒癥等炎癥綜合征的ICU患者可能需要呼吸機(jī)的支持，利用其將空氣壓入肺部以實現(xiàn)被動式換氣呼吸。該設(shè)備會不斷運作以替代或者幫助患者完成自主呼吸。
然而，人與機(jī)器之間的互動往往非常微妙。人體擁有自己的自動呼吸控制機(jī)制，其中神經(jīng)系統(tǒng)觸發(fā)膈肌收縮并向下拉伸肺部，從而開始吸入空氣。呼吸機(jī)必須具備同樣的固有驅(qū)動方法，即以自然的方式同步患者的吸氣與呼氣過程，并盡可能與患者自主呼吸時的氣流量相匹配。
為了讓患者及時利用機(jī)械式呼吸機(jī)進(jìn)行呼吸輔助，Autonomous Healthcare公司的Syncrom－E系統(tǒng)能夠?qū)饬鬟M(jìn)行分析。
遺憾的是，患者的需求與機(jī)器的輸送能力之間往往存在著嚴(yán)重的不匹配問題——這可能導(dǎo)致患者與呼吸機(jī)間“產(chǎn)生對抗。”舉例來說，患者可能天然需要更長的時間進(jìn)行吸氣，但呼吸機(jī)卻過早地轉(zhuǎn)換至呼氣階段。機(jī)械式呼吸機(jī)以及其它類型呼吸機(jī)普遍存在這種同步問題，且其直接關(guān)系到ICU內(nèi)病患的駐留時長甚至是死亡風(fēng)險。此外，專家們還沒有徹底弄清這種異步狀況會產(chǎn)生哪些更具體的不利影響； 但可以肯定的是，當(dāng)機(jī)器將空氣硬性推入肺部時，未同步的患者顯然會感到不適，而肌肉性反應(yīng)將會帶來額外的體能消耗。在美國的ICU當(dāng)中，存在嚴(yán)重呼吸機(jī)不同步問題的患者比例估計在12％至43％之間。
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