人工智能,从至强® 开始

爱尔眼科利用 AI 识别糖尿病眼底病变,准确率大幅提升

英特尔® 技术和针对英特尔® 架构优化的 Caffe* 帮助加快深度学习吞吐速率,实现高效、高质量且经济实惠的眼部健康筛查。

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爱尔眼科医院集团和晋弘科技股份有限公司(MiiS)共同开发了深度学习解决方案,旨在改进对糖尿病视网膜病变和老年性黄斑变性的筛查。但是,该团队对原有架构的性能和成本并不满意。于是,MiiS 与英特尔公司携手合作,共同探究英特尔® 架构是否能够为实际临床工作流程提供更强大的性能。研究证明可以明显加快速度,因而 MiiS 和爱尔推出了基于英特尔® 至强® 可扩展处理器的设备,用于在社区诊所和小型医院进行临床推理。

挑战

随着糖尿病的发病率急剧上升,中国加强了对常见并发症的筛查,包括糖尿病视网膜病变。作为中国领先的眼科医疗连锁机构,爱尔眼科医院集团在这一领域拥有强大优势。爱尔和 MiiS 携手为 MiiS 的手持式检眼镜添加深度学习功能,从而增强其识别临床重大疾病的力。在预期部署该解决方案的同时,两家公司还要寻找实用的架构,要求能够提供出色的性能,而不会增加总体拥有成本(TCO)。

解决方案

MiiS 与英特尔公司合作移植该解决方案,在英特尔® 至强® 处理器上使用针对英特尔®架构优化的 Caffe*、面向深度神经网络的英特尔® 数学核心函数库,以及多个优化的开源数学和影像库测试其性能。他们开发了基于英特尔® 至强® 铜牌处理器的边缘设备,在临床工作流程中运行优化算法,结果令双方非常满意。

结果

与上一代处理器上的标准 Caffe 相比,英特尔® 至强® 铜牌处理器上的优化解决方案将模型加载速度提升了 100 倍以上。它还提供了很高的准确度并将区分患者病情的速度提升了七倍以上。中国政府计划使用该解决方案在全国的诊所和小型医院中实施高质量的眼部健康筛查。这样,医护人员和一般从业人员就能识别需要跟进治疗的患者。眼科专家则能够专注于需求最迫切的患者。

解决方案的优势

• 改进工作流程,实现更快速的筛查,提升工作效率,最充分地发挥训练有素的专家的作用

• 准确地识别需要针对两种最常见视力下降病因进行进一步筛查或治疗的患者

• 让医疗中心、诊所、国家医疗系统具备筛查能力,特别是大城市顶级医院之外的医疗机构

• 推动晋弘科技股份有限公司和爱尔眼科医院集团的业务增长

更智能、更快速的筛查有助减少失明

放眼全球,糖尿病视网膜病变和老年性黄斑变性是导致失明的罪魁祸首。这两种疾病可能在多年内都不会表现出任何症状,未经眼科专家检查,很难做出诊断。随着人口老龄化、肥胖症增加和糖尿病发病率急剧上升,很多人都面临这些流行病的风险。

这已经成为全球关注的问题,而中国的需求尤为迫切。中国的糖尿病和前驱糖尿病的患病率几乎接近美国,1 据国家卫生计生委办公厅预测,到 2020 年,患老年性黄斑变性的公民人数将增加一倍,达到 800 万人。2 另外,中国还面临着眼科专家严重短缺的问题,特别是在大城市医院以外的地方。

“ 爱尔能够帮助解决眼科医师短缺问题,为农村地区的患者提供高质量医疗服务。”
—Xu Ming
爱尔眼科医院集团总经理

预防糖尿病,寻找治疗其并发症的可持续方式,将是中国政府在未来数年内关注的一大重点问题,3在全世界其他地区也同样如此。中国采取的措施包括将很大一部分糖尿病治疗工作(包括视网膜病变筛查)从医院转移至基层诊所。在中国和其他地区,要在这项工作上取得成功,就需要经济高效的可扩展方法来识别视网膜病变和黄斑变性,防止其导致视力受损而影响患者的人生。此外,在中国农村地区,一旦患者离开医疗点,很难再联络他们进行跟进治疗,因此应在患者到院时一次性提供诊断结果,这一点至关重要。

MiiS 发现深度学习有助于提升准确度

为了满足这些需求,爱尔眼科医院集团和 MiiS 为 SC1* 影像处理软件增加了深度学习功能,在 MiiS 屡获殊荣的 Horus* 数字手持式眼底照相机上使用。Horus 照相机可采集和处理人眼内部的影像,让医师能够观察到神经、血管、结构遭受的破坏,这些破坏可能预示着初期视力下降。

集成深度学习功能之后,一般从业人员和社区医疗工作人员可以采集影像,然后将其传输至解决方案的推理系统,该系统是一款高性能设备,用于在网络边缘进行快速分析,这种方法可在农村诊所或小型医院使用。推理引擎也可在爱尔的安全私有云上运行,对问题区域进行分类和标记,为医疗工作人员提出建议,确定是否让患者前往眼科专家处就医。采集的影像和检查结果自动输入到爱尔的电子病历系统中,当需要转诊时,可以节省时间和加快协作,让患者能够即时知道他们是否需要进一步的评估或治疗。

爱尔和 MiiS 使用来自爱尔数据文件的数千个受隐私保护的影像,以及 26 层 SqueezeNet* 卷积神经网络来训练深度学习模型,以识别和区分糖尿病视网膜病变和老年性黄斑变性的关键指标。人工筛查只能达到平均 70% 和 80% 的准确率,而在对 5,000 名爱尔患者影像数据进行的分析中,MiiS 和爱尔报告说,采用深度学习解决方案进行检测的准确度猛增到 93%。

爱尔总裁唐仕波表示:“高质量深度学习解决方案在整体准确度上超过专家医师的人工诊断,这种情况并不罕见,因为计算机不会出现疲惫、眼睛疲劳、注意力不集中等情况。准确度提升是我们率先采用医疗影像分析的原因之一,因为它有助于我们更快地为患者提供治疗,最充分地利用我们的医务人员。”

利用英特尔® 技术和专业知识加快工作流程

在对模型准确度感到满意的同时,MiiS 和爱尔还希望让临床工作流程的性能高于原架构提供的性能。英特尔® 至强® 可扩展处理器能够凭借强大的计算引擎和大存储容量,消除 MiiS 原来遇到的性能瓶颈吗?

于是,MiiS 邀请英特尔公司帮助移植该解决方案。来自英特尔的深度学习优化专家与 MiiS 携手合作,充分利用主流 Caffe 深度学习框架版本,该版本已由英特尔工程师针对英特尔® 架构进行过优化。优化团队使用英特尔® 至强® 处理器 E5-2620 v4 上的标准 Caffe 运行推理代码,然后再使用英特尔® 至强® 处理器 E5-2620 v4 和新型英特尔® 至强® 铜牌处理器 E3-1245 v5 上的针对英特尔® 架构优化的 Caffe 运行推理代码。该团队还使用了开源 Numerical Python*(NumPy)和 SciKit* Image(SKImage)库的优化版本。

即便是使用英特尔® 至强® 可扩展处理器的入门级产品,MiiS 和爱尔也实现了显著的速度提升。使用针对英特尔® 架构优化的 Caffe 和英特尔® 至强® 铜牌处理器后,该解决方案针对大批量影像执行加载模型和创建存储缓冲区等关键任务,结果显示,速度比上一代英特尔® 至强® 处理器上的标准 Caffe 提升了 100 倍以上。英特尔® 至强® 铜牌处理器上的优化 Caffe 还将执行区分患者病情所需的推理速度提升了 7.4 倍以上(见表 1)。

MiiS 的首席执行官郑竹明表示:“我们使用了英特尔的专业技术、新型英特尔® 至强® 可扩展处理器和针对英特尔® 架构优化的 Caffe,这三者的结合达到了非常出色的效果,我们后续还会结合使用英特尔® 至强® 铜牌处理器和英特尔经过优化的 Caffe 框架。我们还计划在基础设施中增加英特尔提供的企业级固态盘。这些技术将为我们客户的临床工作流程提供出色的容量和效率,而且由于这些技术兼容很多其他基础设施,因此还将帮助我们降低 IT成本。”

改进医疗服务和实现业务增长

MiiS 解决方案凭借在性能、准确度、总体拥有成本方面的综合优势,为采用这一方案的医疗系统带来了诸多益处。爱尔计划 2018 年在 200 家分支医院使用该解决方案,目标是将其推广到中国 30,000 家基层诊所,为 3000 万中国患者进行糖尿病视网膜病变筛查。中国中央政府已经表示,到 2020 年,中国将对所有基层诊所进行升级,计划将 MiiS 和爱尔的眼部健康筛查系统作为诊所的标准配置。

深度学习是爱尔国内外业务发展计划的重要部分。爱尔眼科医院集团总经理 Xu Ming 表示:“人们对经济实惠的高质量眼部健康筛查的需求非常庞大,而且还在不断增长。通过帮助诊所提供快速准确的筛查,爱尔能够解决眼科医师短缺问题,为只能通过农村诊所就医的农村地区居民提供高质量治疗。即便是在大城市,我们也可以帮助眼科治疗专业人员节省时间,让他们能够全力投入对病情最严重的患者的治疗。通过早期检测,我们能够提供及早诊断和治疗的机会,帮助保护患者的视力。”

解决方案组成部分

• 晋弘科技股份有限公司的 Horus* 手持式眼底照相机。用于采集眼睛内部高分辨率影像的便携式设备。灵活的 Horus 照相机可在各种场景下使用,例如社区诊所、救护车和医院病房。

• 英特尔® 至强® 可扩展处理器。英特尔最新的高性能、高能效处理器家族,针对数据中心和云计算环境进行了优化。

• 英特尔® 固态盘数据中心系列。高吞吐量的固态盘,适用于数据密集型应用和高性能存储。

• 针对英特尔® 架构优化的 Caffe*。由伯克利视觉学习中心(BVLC)开发的开源深度学习框架。针对英特尔® 架构优化的 Caffe 现已成为 BVLC 的一个正式分支。

• 面向深度神经网络的英特尔® 数学核心函数库(英特尔® MKL)。一个高性能函数库,旨在加速多代英特尔® 处理器上的常见影像识别功能,提升应用性能并缩短开发时间。面向深度神经网络的英特尔® MKL 既可作为英特尔® MKL 的一部分提供,也可作为独立开源软件包提供。

MiiS 的总经理郑竹明表示:“深度学习和其他形式的人工智能将为医疗行业创造极高的价值。借助该解决方案以及我们与爱尔和英特尔的合作,爱尔眼科医院集团提升了在这个激动人心的领域的技术实力,巩固了在全球眼科保健服务领域的领先地位。”

寻找适合贵公司的解决方案。请联系您的英特尔代表或访问 intel.cn/healthcare

爱尔眼科医院集团简介

爱尔眼科医院集团是中国领先的眼科医疗连锁机构。该集团已在中国大陆 30 个省市区建立 200 余家专业眼科医院,年门诊量超过 400 万人次。

作为国际性高质量眼科医疗服务提供商,爱尔取得了快速发展。集团总部位于中国长沙,在奥地利、法国、意大利和西班牙设有分支机构。2017 年,爱尔收购了位于田纳西州纳什维尔的王明旭眼科中心,标志着集团正式进军美国市场。有关更多信息,请访问 en.aierchina.com

晋弘科技股份有限公司(MiiS)介绍

MiiS 成立于 2010 年,致力于设计和制造数字手持式诊断镜。该公司推出了 Horus 数字医疗镜全套产品系列,集成了高质量光学系统和实时影像处理功能,通过了多项 ISO 和其他认证。该公司总部位于中国台湾。有关更多信息,请访问 miis.com.tw

了解更多

• 解决方案简介:推理解决方案促进了人工智能在医疗影像领域的普及

• 投入使用的 MiiS Horus* 检眼镜

相关英特尔® 产品

• 针对英特尔® 架构优化的 Caffe*

• 英特尔® 至强® 可扩展处理器

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其他解决方案要素

• MiiS Horus 数字眼底照相机

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产品和性能信息

1《美国医学会杂志》网站,“High Prevalence of Diabetes, Prediabetes in China”(中国成人糖尿病和前驱糖尿病的高患病率),2017 年 6 月 27 日,media.jamanetwork.com/news-item/high-prevalence-diabetes-prediabetes-china。
2中国卫生部,“国家卫生计生委办公厅关于印发糖尿病视网膜病变分级诊疗服务技术方案的通知”,2017 年 4 月 1 日,moh.gov.cn/yzygj/s7653/201704/3524f29f1599419aa04bbe4e068c962a.shtml。<Translated from Chinese using Google Translate*.>
3孔灵芝,“健康中国背景下的中国防治慢性病中长期规划(2017–2025)”,ScienceDirect,2017 年 9 月,sciencedirect.com/science/article/pii/S2095882X17300324。此处提供的所有信息可在不通知的情况下随时发生变更。关于英特尔最新的产品规格和路线图,请联系您的英特尔代表。