英特爾利用人工智能輔助宮頸癌治療

近日，第六屆“英特爾杯”全國并行計(jì)算挑戰(zhàn)賽（PAC）在青島圓滿落幕，該大賽自2013年創(chuàng)辦已連續(xù)成功舉辦六屆，是全國范圍內(nèi)（含港澳臺）最大規(guī)模的并行挑戰(zhàn)賽，英特爾作為大賽聯(lián)合主辦方，為大賽提供了計(jì)算平臺以及相關(guān)培訓(xùn)，幫助選手順利進(jìn)行并行程序的開發(fā)以及優(yōu)化。

今年的PAC大賽有三個(gè)分類：并行優(yōu)化，HPC（高性能計(jì)算）應(yīng)用，AI（人工智能）應(yīng)用。在眾多的參賽項(xiàng)目中，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生導(dǎo)師、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究室主任安虹教授指導(dǎo)的選題為DSU-Net的項(xiàng)目吸引了大眾的眼球，讓AI在輔助醫(yī)療方面大顯身手。

近兩年，AI在醫(yī)療影像領(lǐng)域取得諸多突破，已經(jīng)可以幫助醫(yī)生看片，診斷宮頸癌、乳腺癌、食管癌、肺腫瘤等疾病。DSU-Net項(xiàng)目提出一種新型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型實(shí)現(xiàn)對宮頸癌放療靶區(qū)的自動勾畫。宮頸癌是一種早發(fā)現(xiàn)，早治療可以治愈的腫瘤。中國是世界上宮頸癌發(fā)病率最高的國家，約占世界新發(fā)病例的1/4。近年來，我國宮頸癌的發(fā)病呈現(xiàn)年輕化趨勢。目前放療是宮頸癌主要的臨床治療手段，其中包括四個(gè)過程：影像采集、靶區(qū)勾畫、放療計(jì)劃制定及優(yōu)化和放療計(jì)劃實(shí)施。DSU-Net項(xiàng)目旨在精準(zhǔn)地勾畫出腫瘤的臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）和危及的正常組織器官（Organ at Risk, OAR），提高放療計(jì)劃中照射范圍和劑量的制定，使醫(yī)生從繁瑣重復(fù)的閱片和勾畫工作中解脫出來。

宮頸癌放療靶區(qū)的深度學(xué)習(xí)模型-預(yù)測結(jié)果

一直以來，腫瘤CTV和OAR的勾畫通常由放射科醫(yī)生手工完成，這不僅對醫(yī)生造成很重的工作負(fù)擔(dān)，還會因?yàn)閻盒阅[瘤易轉(zhuǎn)移、浸潤性生長等特性導(dǎo)致誤診和漏診。安虹老師帶隊(duì)研發(fā)的宮頸癌CTV和OAR精準(zhǔn)自動勾畫計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，在算法方面，提出了基于深度監(jiān)督機(jī)制的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（DSU-Net），能夠?qū)m頸癌CTV和OAR進(jìn)行精準(zhǔn)勾畫。“目前深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，宮頸癌放療靶區(qū)自動勾畫這個(gè)項(xiàng)目的核心技術(shù)其實(shí)主要是高性能計(jì)算系統(tǒng)和軟件的并行優(yōu)化技術(shù)”，安虹老師表示，“龐大的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜多變的模型對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目的重點(diǎn)在于如何優(yōu)化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，項(xiàng)目整套系統(tǒng)全部采用英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器構(gòu)建的多機(jī)多路多核系統(tǒng)，訓(xùn)練、計(jì)算、勾畫都在上面完成。”這項(xiàng)成果應(yīng)用于臨床，一方面可以降低誤判、誤診率；另一方面醫(yī)生能夠?qū)⒕Ω嗟赝度氲揭呻y的影像信息分析診斷中去，這對提升宮頸癌放療效果具有重要意義。

英特爾至強(qiáng)融合可擴(kuò)展處理器

選擇英特爾的全CPU平臺，主要有幾個(gè)原因：

CPU系統(tǒng)易于搭建和使用，運(yùn)行和維護(hù)成本低，易于普及。

CPU系統(tǒng)具有通用性和可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，易于適應(yīng)臨床應(yīng)用中各種各樣復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)和不同的深度學(xué)習(xí)模型，可以根據(jù)模型復(fù)雜度的需要靈活擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的伸縮。

CPU系統(tǒng)可訪問更大的存儲空間，易于滿足大數(shù)據(jù)量醫(yī)學(xué)影像處理的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)DSU-Net采用8臺雙路至強(qiáng)服務(wù)器作為參數(shù)服務(wù)器，勾畫精確度要高于U-Net、FCN等醫(yī)療影像分析中常用的分割網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)達(dá)到了96.13%的精確度，可以獲得接近線性的加速比。該系統(tǒng)進(jìn)行宮頸癌臨床靶區(qū)勾畫時(shí)，6分鐘就能完成醫(yī)生需要不間斷工作2-3小時(shí)完成的工作量，已能很好滿足臨床需求。

從2018年3月至今，歷時(shí)8個(gè)月的PAC大賽終于圓滿落幕，英特爾深度參與到了賽前培訓(xùn)、線上答題、預(yù)選賽、決賽等各個(gè)環(huán)節(jié)，普及和培養(yǎng)學(xué)生的并行計(jì)算思想和并行計(jì)算系統(tǒng)能力，同時(shí)還挖掘出多個(gè)行業(yè)最佳應(yīng)用，將“國之重器”超算盡其用，讓中國制造發(fā)其聲，讓超算助推實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國夢。