1.介紹

在人工智能技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，基于人工智能方法的智慧醫(yī)療系統(tǒng)也逐漸吸引了大量研究人員的目光，計算機(jī)輔助的分診、診斷等應(yīng)用可以一定程度地緩解部分地區(qū)的醫(yī)療條件緊張問題，同樣可以為醫(yī)生的決策提供輔助參考。在數(shù)字化醫(yī)療系統(tǒng)的普及下，與病患相關(guān)的醫(yī)療數(shù)據(jù)，如電子醫(yī)療記錄、醫(yī)囑、生物化學(xué)檢測結(jié)果以及基因組信息也已經(jīng)基本實現(xiàn)電子化［1］，因此，通過數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等方法對上述電子化信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而得到患者與患者之間的相似程度，是實現(xiàn)疾病判斷、病情預(yù)測以及精準(zhǔn)醫(yī)療（precision medicine）等應(yīng)用的重要的前提條件，且上述過程也受啟發(fā)于實際臨床中醫(yī)生的診療過程。病患相似度度量方法的流程大致如圖1，首先根據(jù)患者的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象化，并選擇合適算法與度量方法對抽象化結(jié)果進(jìn)行相似度評估，進(jìn)而將相似度結(jié)果應(yīng)用于相應(yīng)的下游任務(wù)中。

圖1 病患相似度分析工作的基本流程［3］

2.病患數(shù)據(jù)

病患相關(guān)數(shù)據(jù)是天然多模態(tài)（multi-modal）且異構(gòu)（heterogeneous）的，可能涵蓋文本信息（如病歷）、圖像信息（如CT影像）、時序信號信息（如心電圖）和數(shù)值信息（如血常規(guī)檢查結(jié)果）等等，從病患相似度的歷史研究中所包括的類型來看，一般可將病患數(shù)據(jù)分為以下五類［2］：

臨床數(shù)據(jù) Clinical data

分子數(shù)據(jù) Molecular data

圖像與生物信號 Imaging and bio signals

實驗室結(jié)果 Lab results

病患所述結(jié)果 Patient-reported outcomes

臨床數(shù)據(jù)包括電子病歷信息、醫(yī)保數(shù)據(jù)等；分子數(shù)據(jù)包括DNA信息、蛋白質(zhì)序列信息等；圖像與生物信號包括CT、MRI、心電圖等；實驗室結(jié)果包括血液檢測結(jié)果、核酸抗體檢測結(jié)果等；病患所述結(jié)果包括患者出院后的回訪信息以及相關(guān)口述信息等。從形式上看，病患數(shù)據(jù)等的醫(yī)學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)都屬于縱向數(shù)據(jù)（longitudinal data），即數(shù)據(jù)來源于不同個體在不同時間節(jié)點測得的數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上信息可知，病患數(shù)據(jù)特征一般有著較多的維度，每維特征的采樣次數(shù)與分辨率有所不同，且數(shù)據(jù)完備程度也不一樣［3］，因此病患數(shù)據(jù)中大多存在噪聲、異常數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)缺失等問題。同時，由于患者在患病就醫(yī)后，病癥的減輕或加重都會導(dǎo)致患者的多次來訪和復(fù)檢，因此病患數(shù)據(jù)多為縱向數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)來源于每個個體在不同時間點上的觀測值［4］。

3.病患相似度度量相關(guān)數(shù)據(jù)

3.1 UCI 數(shù)據(jù)集［5］

UCI數(shù)據(jù)集是機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)中使用率很高的領(lǐng)域豐富的數(shù)據(jù)集倉庫，其中也涵蓋與醫(yī)學(xué)健康相關(guān)的數(shù)據(jù)集，相關(guān)數(shù)據(jù)也為病患相似度度量工作的數(shù)據(jù)來源，包括帕金森氏癥數(shù)據(jù)集［6］、心臟病數(shù)據(jù)集［7］、糖尿病數(shù)據(jù)集［8］、癌癥數(shù)據(jù)集［9］等等。

3.2 ADNI數(shù)據(jù)集［10］

ADNI（Alzheimer‘s Disease Neuroimaging Initiative）是一個通過生物標(biāo)記與臨床數(shù)據(jù)追蹤阿爾茲海默癥發(fā)展過程的縱向研究計劃，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括臨床診斷、生物樣本、藥物使用歷史、基因組數(shù)據(jù)以及腦補(bǔ)成像數(shù)據(jù)，疾病的診斷工作每數(shù)月進(jìn)行一次并持續(xù)數(shù)年，研究對象被分為三組，分別為正常對照組、中度認(rèn)知障礙（MCI， Mild Cognitive Impairment）和阿爾茲海默癥患者（AD， Alzheimer’s Disease）。

3.3 SOF數(shù)據(jù)集［11］

SOF（Study of Osteoporotic Fracture）是一個長達(dá)二十余年的針對年長白人女性骨質(zhì)疏松病癥的醫(yī)院來訪縱向研究，研究旨在分析高齡白人女性患骨質(zhì)疏松的風(fēng)險因素，研究對象被分為正常對照組、骨質(zhì)減少（osteopenia）以及骨質(zhì)疏松（osteoporosis）。

3.4 MIMIC數(shù)據(jù)集［12］

MIMIC-III（Medical Information Mart for Intensive Care III）是大規(guī)模的匿名化健康數(shù)據(jù)庫，包括了十余年間超過四千名患者在危重癥監(jiān)護(hù)病房的相關(guān)記錄，包括患者個人信息、生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)、實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像報告等多種病患數(shù)據(jù)信息。

3.5 ICD-9-CM 編碼集［13］

ICD-9-CM（The international classification of disease， ninth revision， clinical modification） 是在臨床中將診斷結(jié)果編碼表示的一種官方標(biāo)準(zhǔn)，包括疾病編碼列表，疾病類型分類以及手術(shù)、診斷、診療手段分類系統(tǒng)。

4.深度病患相似度學(xué)習(xí)［14］

圖2 患者數(shù)據(jù)樣例（橫軸為病患來訪醫(yī)院序列，縱軸為醫(yī)療事件對應(yīng)的ICD9編碼）

Suo等人［14］于2018年在IEEE TRANSACTIONS ON NANOBIOSCIENCE上發(fā)表了一種基于深度學(xué)習(xí)的病患相似度學(xué)習(xí)方法，模型分為兩個模塊，分別是表示學(xué)習(xí)和相似度學(xué)習(xí)。病患數(shù)據(jù)是由代表醫(yī)療相關(guān)事件對應(yīng)的ICD編碼形成的獨熱編碼矩陣，如圖2，每名患者對應(yīng)一個矩陣，橫軸代表患者來訪醫(yī)院的時間序列，縱軸為醫(yī)療事件對應(yīng)的ICD9編碼，若患者患有疾病或有相關(guān)癥狀，則矩陣對應(yīng)位置為1。在表示學(xué)習(xí)中，作者通過全連接層將患者的高維稀疏獨熱向量矩陣映射到低維稠密空間，并依托卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)捕捉病患信息的連續(xù)的時序特征；對于相似度學(xué)習(xí)，作者使用基于softmax的有監(jiān)督分類方法并通過triplet loss使每兩個患者對相似的患者距離更近而不相似的患者距離更遠(yuǎn)，以此在患者聚類任務(wù)上實現(xiàn)較好的效果。

圖3 模型結(jié)構(gòu)

5.病患相似度度量的可解釋性

在各種病患相似度度量方法被初步探索后，在真實的使用場景下，醫(yī)療相關(guān)從業(yè)人員在關(guān)注模型的性能的同時，更加關(guān)注模型輸出結(jié)果過程中的透明度和可解釋性。Huai等人［15］因此在BIBM 2020提出了一種為所學(xué)習(xí)到的病患相似度模型行為提供全局解釋的模型無關(guān)的方法。一般來說，病患相似度的研究工作可能包括數(shù)十種特征，作者認(rèn)為通過篩選選擇眾多特征中數(shù)量最少且足以解釋模型判斷結(jié)果的特征子集作為解釋模型判斷的依據(jù)可以很好地為實際場景下的相關(guān)人員提供參考。對于數(shù)據(jù)集中的患者個體，每兩個患者間即可計算一次相似度，相似度結(jié)果一般為相似或相異，而當(dāng)隨機(jī)減少數(shù)據(jù)集中的特征數(shù)量后重新計算每兩個患者間的相似度，結(jié)果會產(chǎn)生一定的變化，而通過量化評估這一變化即可評價去除的特征的重要性，并以此作為該特征在度量病患間相似度時的貢獻(xiàn)程度。

6.病患數(shù)據(jù)安全

在數(shù)據(jù)驅(qū)動的病患相似度度量方法不斷發(fā)展的同時，方法背后所使用數(shù)據(jù)的安全性也逐漸成為了患者、醫(yī)療機(jī)構(gòu)以及相關(guān)監(jiān)管部門關(guān)心的話題，同時很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)出于對患者個人信息的保護(hù)，不愿將敏感的醫(yī)療相關(guān)數(shù)據(jù)對研究人員開放，在這種背景下，在不訪問所有人數(shù)據(jù)的前提下進(jìn)行模型學(xué)習(xí)成為了解決這一數(shù)據(jù)安全問題的前提。Huai等人［16］在SDM 2018上，在提出不相關(guān)特征提取模型的前提下，還考慮了上述數(shù)據(jù)安全問題，進(jìn)而提出了分布式病患相似度度量模型，即分布在不同地點的數(shù)據(jù)在進(jìn)行度量模型學(xué)習(xí)時，只將學(xué)習(xí)得到的參數(shù)上傳學(xué)習(xí)器，而學(xué)習(xí)器通過對全局參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化迭代將結(jié)果回傳至每個節(jié)點進(jìn)行迭代直至全局收斂。Xu等人［17］在AAAI 2019的工作中將聯(lián)邦學(xué)習(xí)（Federated Learning）方法引入病患相似度度量工作，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)本地保存的同時完成模型的訓(xùn)練，并通過最小化相似度留存損失以及異質(zhì)信息損失進(jìn)而同時保留同類與異類數(shù)據(jù)間的關(guān)系。
編輯：lyn