深度學習能否改變心臟衰竭的預防？ | 麻省理工學院新聞

心臟的重要性

古希臘哲學家亞里士多德曾經認為，人類的心臟有三個腔室，並且是整個身體中最重要的器官，負責運動、感覺和思考。今天，我們知道人類的心臟實際上有四個腔室，而大腦主要控制運動、感覺和思考。但亞里士多德觀察到心臟是個重要的器官，這一點是正確的，因為心臟負責將血液泵送到身體的其他重要器官。如果發生像心臟衰竭這樣的危險情況，心臟會逐漸失去供應其他器官足夠血液和養分的能力，這會影響它們的正常運作。

新研究的發現

麻省理工學院 (MIT) 和哈佛醫學院的研究人員最近在《自然通訊醫學》上發表了一篇開放存取的論文，介紹了一種非侵入性的深度學習方法，能夠分析心電圖 (ECG) 信號，準確預測患者發展心臟衰竭的風險。在臨床試驗中，這個模型的準確度與傳統的但更具侵入性的檢查方法相當，這給那些有心臟衰竭風險的人帶來了希望。最近，心臟衰竭的死亡率急劇上升，特別是在年輕人中，這可能與肥胖和糖尿病的普遍增加有關。

研究的目標

這篇論文的主要作者科林·斯圖茲 (Collin Stultz) 表示：“這篇論文是我多年來在其他場合所談論的事情的總結。這項工作的目標是識別那些即使在出現症狀之前就開始生病的人，這樣你就可以及早介入，防止住院。”

心臟的結構

心臟有四個腔室，其中兩個是心房，兩個是心室——右側有一個心房和一個心室，左側也是如此。在健康的人類心臟中，這些腔室以有節奏的方式協同運作：缺氧的血液通過右心房流入心臟。右心房收縮，產生的壓力將血液推入右心室，然後血液被泵送到肺部進行氧合。來自肺部的富氧血液流入左心房，左心房收縮，將血液泵入左心室。隨後再一次收縮，血液從左心室通過主動脈排出，流向全身的靜脈。

心臟壓力的影響

斯圖茲解釋說：“當左心房的壓力升高時，來自肺部的血液流入左心房受到阻礙，因為這是一個高壓系統。”除了擔任電機工程和計算機科學的教授外，斯圖茲還是麻省總醫院 (Mass General Hospital, MGH) 的心臟病專家。“左心房的壓力越高，你會出現的肺部症狀就越多，比如呼吸急促等。因為心臟的右側將血液泵送到肺部，左心房的壓力升高會導致肺部的壓力也升高。”

目前的標準檢查方法

目前測量左心房壓力的金標準是右心導管檢查 (RHC)，這是一種侵入性程序，需要將一根細管（導管）插入右心和肺動脈。醫生通常會在進行RHC之前，先非侵入性地評估患者的風險，包括檢查患者的體重、血壓和心率。

新技術的提出

斯圖茲認為，這些測量方法不夠精確，因為有四分之一的心臟衰竭患者在30天內會再次住院。“我們尋求的是能提供像侵入性設備一樣的信息，而不僅僅是簡單的體重秤，”斯圖茲說。

心臟監測系統

為了獲得更全面的心臟狀況信息，醫生通常使用12導程心電圖，這需要將10個粘貼式貼片貼在患者身上，並連接到一台可以從12個不同角度獲取心臟信息的機器上。然而，12導程心電圖機器通常只在臨床環境中可用，並且通常不會用來評估心臟衰竭的風險。

CHAIS系統的比較

斯圖茲和其他研究人員提出了一種心臟血流動力學人工智慧監測系統 (CHAIS)，這是一種深度神經網絡，能夠分析來自單一導程的心電圖數據——換句話說，患者只需在胸部佩戴一個單一的粘貼式貼片，這樣他們就可以在醫院外自由活動，而不需要連接到機器上。

臨床試驗的結果

為了將CHAIS與目前的金標準RHC進行比較，研究人員選擇了已經安排進行導管檢查的患者，並要求他們在手術前24到48小時佩戴貼片，雖然患者在進行導管檢查之前需要將貼片取下。“當你在手術前一個半小時內時，準確度為0.875，非常好，”斯圖茲解釋說。“因此，這個設備的測量結果相當於你在下一個一個半小時內進行導管檢查所獲得的信息。”

心臟病專家的看法

麻省總醫院的心臟病專家亞倫·阿吉雷 (Aaron Aguirre) 說：“每位心臟病醫生都明白測量左心房壓力在描述心臟功能和優化心臟衰竭患者的治療策略中的重要性。這項工作很重要，因為它提供了一種非侵入性的方法來估計這一重要的臨床參數，使用一種廣泛可用的心臟監測設備。”

未來的期望

阿吉雷在麻省理工學院獲得醫療工程和醫療物理的博士學位，他期望隨著進一步的臨床驗證，CHAIS將在兩個關鍵領域發揮作用：首先，它將幫助選擇最需要進行更具侵入性檢查的患者；其次，該技術可以使心臟病患者的左心房壓力進行連續監測和追蹤。“一種非侵入性和定量的方法可以幫助優化患者在家中或醫院的治療策略，”阿吉雷說。“我很期待看到麻省理工學院團隊接下來的進展。”

對患者的影響

但這些好處不僅限於患者——對於那些難以管理的心臟衰竭患者，防止他們再次住院變得很有挑戰性，而不需要永久植入設備，這樣會佔用更多的空間和時間，對已經人手不足的醫療工作人員造成壓力。

持續的臨床試驗

研究人員還在麻省總醫院和波士頓醫療中心進行另一項使用CHAIS的臨床試驗，希望能很快結束以開始數據分析。

AI在醫療中的潛力

斯圖茲表示：“在我看來，人工智慧在醫療中的真正潛力是為每個人提供公平、先進的護理，無論他們的社會經濟地位、背景和居住地點如何。這項工作是實現這一目標的一步。”