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讓醫療技術走向普惠:VR時代來自芯片的技術溫度

 2023-01-12 15:45  來源:A5專欄  我來投稿 撤稿糾錯

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來源:雷峰網

作者:李雨晨

醫療與各行各業一樣,實現數字化轉型和智能化發展,是推動公立醫院高質量發展的核心內涵。英特爾與火山引擎的合作踏出了先行的一步,盡早尋找VR和醫療結合的最佳實踐,推動VR醫療乃至數字化醫療的大發展。

早在1935年,科幻小說家斯坦利·溫鮑姆的小說《皮格馬利翁的眼鏡》中,就構想了一款實現虛擬現實(VR)的眼鏡。近年來,除游戲、娛樂等大眾熟知的應用場景外,VR逐漸涉足醫療、教育、生產制造等各種領域。

以醫療為例,VR可能幫助減輕醫療資源有限且分布不均、診斷方式單一等問題,實現遠程診療、遠程醫療教學等一系列新的業態,從而進一步成為傳統醫學手段的有效補充。

2016年,一名八十多歲的右半結腸癌患者成功接受了腫瘤切除手術,并首次通過VR對手術全程進行了直播,這也是國內較早用虛擬現實身臨其境般“圍觀”的手術。

盡管在此之后,不少醫院都開展了VR方面的研究。但在2016年之后經歷了起起伏伏,甚至受到了諸多質疑后,VR的風頭遠不及同時期的人工智能創業。

一位業內專家表示,“我們不得不承認,VR技術還并沒有到實質生產的真正成熟期,尤其對于醫療這樣特殊的行業,真正走向高可用階段,還有很長一段路要走,也要經歷不斷的試錯和驗證。”

不過,外界對VR在醫療行業的期待,也正在慢慢走向現實。根據Perkins Coie的一份數據,2021年VR/AR在醫療健康領域的應用滲透率最高,超過35%,頗有一種“雖遲但到”的感覺。引入VR系統之后,一些走在前列、勇于嘗試的醫院體驗到了技術帶來的真實便利,為自身以及行業的智慧醫療之路開了一個好頭。

VR與醫療的結合,是不是鏡中之花?

自“Virtual Reality”概念被提出以來,各行業陸續開展了豐富的有關VR設備的研究,而VR在醫療領域的應用可以追溯到上世紀80年代。

1985年,美國國立醫學圖書館就開始人體解剖圖像數字化研究,并利用虛擬人體開展虛擬解剖學、虛擬放射學及虛擬內窺鏡學等學科的計算機輔助教學。1994年英國曼斯特皇家醫院成立了歐洲第一個虛擬現實開發中心,用于最小刺入療法。

2003年初,我國第一軍醫大學宣布完成了國內首例女虛擬人的數據采集。

而在此后的多年里,VR技術的發展經歷了一段蟄伏期,在醫療領域似乎也未掀起太多水花。難道VR與醫療的結合終究只是“鏡中之花”?

火山引擎的一位相關專家向雷峰網表示,“任何新技術的發展都會經歷5個階段,科技誕生的促動期,過高期望的峰值期,泡沫化的低谷期,穩步爬升的光明期和實質生產的高峰期,這也就是為什么大家感知到了VR概念和技術從熱潮到了低谷。而如今,VR重新走進大家的視線,受到各行各業的重視。從發展史來看,VR已經進入了穩定爬升的光明期。”

從行業數據也可以看到,融合VR技術的各類前沿應用在醫療領域正在發揮越來越重要的作用。

國際數據公司(IDC)的數據顯示,全球AR/VR支出的五年復合年增長率為78.3%。預計到2023年,全球AR/VR支出將達到1600億美元,遠高于2019年預測的168億美元。而在醫療領域,AR/VR醫療正在經歷大幅度的提升,其預期復合年增長率為33.36%,市場價值預計將從2018年的6.217億美元增至2024年的34.97億美元。

行業巨頭也正在進一步布局VR及其在醫療領域的產品和解決方案。2020年2月,強生發布了與OSSOVR合作開發的VR頭盔,專門用于培訓外科手術醫生;今年5月,西門子醫療開始提供沉浸式虛擬現實(VR)培訓服務,幫助外科醫生和技術人員進行術中質量控制和手術工作流程指導。

醫院能從VR應用中得到什么?

除了醫療巨頭的積極布局,VR技術也慢慢進入實際使用方,即醫院管理者的視野中。

近年來,一系列行業政策的發布對醫院的收支平衡能力、生存能力都提出了巨大挑戰。醫院需要主動求變,將目光投向醫院的智慧化升級,提高醫院的服務能力和生存競爭能力。對于更高級別的醫院來說,除了日常的診斷工作,他們還承擔了重要的醫學教學和基層幫扶任務。

北京某三甲醫院院長表示,“VR技術在醫療體系是十分重要的,尤其是醫學教育。而醫學教育既面向醫務工作者,也承擔面向老百姓的科普教育。通過VR技術,讓他們身臨其境地感受醫療知識,是一個非常好的途徑。”

他認為,醫療與各行各業一樣,實現數字化轉型和智能化發展,是推動公立醫院高質量發展的核心內涵。

2021年,英特爾攜手火山引擎,幫助北京某三甲醫院基于全新的VR醫療培訓應用,打造集人工智能、全息/VR和物聯網等技術為一體的醫學應急教育培訓中心,并有效提升了醫院在醫療培訓領域的工作效能。

火山引擎總裁譚待透露,合作有兩個部分:一個是VR遠程巡診,通過技術來解決時間和空間對專家資源的限制;另一個是VR急診培訓,通過仿真、沉浸式的VR場景,為急診人員進行輔導和培訓。

從系統部署的具體實施路徑來看,北京某三甲醫院VR醫療培訓方案的整體架構,由部署在第一現場 (病房)、邊緣云和第二現場的不同處理設備和顯示終端 (VR 眼鏡)組成。

其中,第一現場部署有音視頻采集設備 (如全景高清攝像頭),這些數據將經由5G網絡被高速同步到部署在醫療培訓中心附近的邊緣云中進行音視頻渲染和數據計算處理。

經渲染后的VR視頻流,將在編碼壓縮后通過高速5G網絡推送到第二現場的VR眼鏡中,方便使用者 (教學中的醫生、醫學生以及志愿者等) 進行VR遠程查房、VR遠程指導、AED (自動體外除顫器) VR無線急救等行為。

而進行中的用戶行為數據也會被同步回傳至邊緣云進行處理,由此形成整個VR醫療培訓閉環流程。

合作過程中,VR培訓系統面臨著一些通用性的行業挑戰:

首先,遠程實時查房等VR應用帶來海量的數據采集、處理和傳輸需求,如全部工作負載均通過遠端數據中心/云服務完成,勢必帶來巨大網絡壓力。而VR應用中的沉浸式、交互式體驗,也需要方案能有效縮短系統的端到端整體時延;

其次,醫療場景的特殊性需要VR應用能在現有網絡帶寬下,提供更高分辨率的視頻格式 (例如8K) 來展現各類細節,這對視頻編解碼過程的優化能力提出了巨大挑戰。

面對兩大挑戰,方案的核心關鍵詞就是兩點:更快、更真。譚待表示,“快和真在很多時候是矛盾的,破解這個矛盾就需要有更好的算法,更強的工程能力和更好的基礎設施來支持。”

火山引擎與英特爾一起,通過引入英特爾® 高級矢量擴展512 (英特爾® AVX-512),優化BVC編解碼器,為邊緣云數據中心的渲染計算處理提供強勁支撐,來使VR應用加速增效,實現超清、高質視頻的實時快速解碼。

BVC編解碼器是火山引擎多媒體實驗室自研產品,在VR醫療培訓應用方案中,用以提高VR醫療培訓應用使用時的沉浸感和交互感,以及支持8K視頻分辨率帶來的編碼與傳輸壓力。

英特爾® AVX-512是由英特爾提供的單指令多數據 (Single Instruction Multiple Data,SIMD) 指令集。 得益于其在寄存器位寬等方面的優勢,內置英特爾® AVX-512 指令集的英特爾® 至強® 可擴展處理器,在音視頻處理、數據加密壓縮以及深度學習等高密度計算處理場景中有著出色的性能表現。

而最新一代的第四代英特爾® 至強® 可擴展處理器更內置一系列加速器,包括全新的AI加速器——英特爾®高級矩陣擴展(英特爾®AMX),覆蓋包括訓練和微調在內的更多深度學習使用場景,可以為不斷變化且要求日益增高的應用提供更為可觀的計算性能。

圍繞著醫院部署VR的需求,英特爾與火山引擎一起,分別針對BVC編解碼器中處理器資源占用比較高的插值模塊和一些基礎計算模塊,通過英特爾® AVX-512 指令集進行優化,以提高視頻編解碼和壓縮的能力,從而滿足醫院VR醫療培訓應用影像壓縮率高、編碼速度快、占用帶寬低等的復雜需求。

英特爾云及行業解決方案集團首席技術官吳聞新表示,“總體來看,從視頻的采集、渲染到推送,我們最終達到了醫院的要求,延遲在20毫秒以內,也能在15M的低帶寬下,實現8K的效果,有效解決醫生教學間的畫面精細度問題,為帶教和問診提供了更加科學的現場參考環境。”

目前,在三方合力之下,該北京三甲醫院醫學應急教育培訓中心已經獲得成功部署,并開展了大量的醫療培訓實踐,并且將培訓內容VR化重復使用,達到了一次投入、永久使用的效果。每次使用的邊際成本幾乎僅有5G流量費,有效幫助壓降培訓成本,提升經濟效益。

除了大幅提升培訓效能外,這套VR應用解決方案還能為醫生們提供更為科學、真實的現場帶教環境,更能為邊遠、基層地區的受訓醫生提升業務水平提供前所未有的途徑。更重要的一點是,有別于傳統遠程會診,借助VR醫療培訓應用,可以讓專家通對一線醫生進行遠程指導,并能和病人實時交流,為遠程智慧醫療帶來了更多可能。VR技術在醫療健康領域的成功實現,對于國家一直倡導的區域醫聯體建設、強化基層診療能力,都將產生深遠的影響。

云邊協同,醫療VR如何普惠健康中國?

依托VR醫療培訓方案的成功落地和有效支持,醫學應急教育培訓中心實現了培訓模式創新,這也是近年來諸多醫療政策引導與醫院智能化轉型的真實寫照。

2021年11月3日,國家衛生健康委印發《“千縣工程”縣醫院綜合能力提升工作方案(2021-2025年)(以下簡稱《工作方案》)。

《工作方案》明確,推動省市優質醫療資源向縣域下沉,結合縣醫院提標擴能工程,補齊縣醫院醫療服務和管理能力短板,逐步實現縣域內醫療資源整合共享,到2025年,全國至少1000家縣醫院達到三級醫院醫療服務能力水平,發揮縣域醫療中心作用,為實現一般病在市縣解決打下堅實基礎。

而從另一方面看,以“東數西算”全面啟動、年中3000億新基建補充投資以及5G規?;瘧眉涌斓葹闃酥?,2022年的中國在重大算力與數字基礎設施建設工程上邁出了新步伐,進一步助推著企業的數智化轉型。

英特爾與火山引擎的合作,為這兩個宏觀建設目標踏出了先行的一步,在一定程度上驗證了VR在醫療健康領域的發展潛力。

火山引擎相關專家認為,如今VR在醫療行業的創新應用和實驗,尤其是醫療培訓、輔助診療和臨床輔助中,正逐步顯現出其不可替代的優勢和價值。

“我們不得不承認VR技術還并沒有到實質生產的真正成熟期,尤其對于醫療這樣特殊的行業,真正走向高可用階段,還有很長一段路要走,也要經歷不斷的試錯和驗證。因此,更需要從現在開始探索和共創,在技術本身高速發展的同時,盡早尋找到VR和醫療結合的最佳實踐,推動VR醫療的發展,輔助整體數字化醫療發展。”

而從“技術與醫療結合的實踐”角度而言,吳聞新表示,將VR視為一個重要的用戶入口,也是英特爾云邊協同解決方案中的重要一環,推動醫療行業加速數字化變革。英特爾的云邊協同架構將在至少三個方面給醫療相關組織帶來價值。

“第一,讓數據處理更快速的同時,兼顧數據安全;第二,讓醫療應用更加智能,例如利用AI技術輔助基層醫生的診斷和治療;第三,讓醫療服務更加普惠,通過VR的沉浸式交互模式,讓邊遠地區、社區診所學到三甲醫院的診療經驗,也可以讓患者得到大醫院的醫生診治,推動智慧醫療在中國的推廣普及。”

2021年12月28日,工信部等十部門聯合發布《“十四五”醫療裝備產業發展規劃》,其中,提出要推進“5G+”醫療健康新模式發展:

推動智慧醫療健康裝備和應用創新,支持遠程問診、遠程會診等加快發展,為構建有序有效的分級診療格局、促進優質醫療資源下沉服務基層打好基礎、做好支撐;加強臨床應用創新研究。支持醫療相關組織、科研機構、生產企業等深度合作,對標國際先進水平,強化醫工協同發展,開展醫療裝備臨床應用創新研究。

“支持醫療相關組織、科研機構、生產企業等深度合作”,這樣的產學研組合對于智能時代的行業轉型需求,都尤為重要。

近年來,英特爾和多方合作伙伴一起,持續探索醫療健康領域的技術創新應用。例如,中國移動5G遠程醫療,基于英特爾®至強®可擴展處理器和GPU,推出5G云網融合的整體解決方案設計,打造多網融合、原生安全、云網協同以及廣域互聯的一張網,幫助醫院實現遠程超聲、遠程會診、5G應急救援等,并通過遠程操作微型機器人進行遠程手術,助力醫療扶貧。

英特爾也一直活躍在“AI for Science”前沿,以內置AI加速技術的至強®可擴展處理器,以及容量數倍于傳統內存的傲騰™持久內存的組合,在CPU平臺上對AlphaFold2實施了端到端的高通量優化,助力以晶泰科技為代表的AI制藥公司,突破新藥研發的算力瓶頸,廣泛賦能更加數字化的、智能化的藥物研發效率升級。

這種技術與行業的完美契合,對于國家的“健康中國”戰略而言,將有著重要的推動作用。

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