約翰?霍普金斯大學(xué)的工程師們正在利用人工智能對(duì)簡(jiǎn)易聽診器進(jìn)行升級(jí)

某天早上你醒來(lái)時(shí)發(fā)現(xiàn)孩子病了：他的前額摸起來(lái)很燙，呼吸急促，并伴有肺鳴音。而你們住在非洲馬拉維，那里可選擇的醫(yī)療保健服務(wù)很少。當(dāng)?shù)卦\所開門后，你排隊(duì)等候唯一的工作人員。她雖不是醫(yī)生，但受過訓(xùn)練，能發(fā)現(xiàn)和處理日常問題。

她戴上聽診器，把聽診器的胸件貼在你兒子的前胸和后背，仔細(xì)聽他的肺音。天氣炎熱，透過打開的窗戶，傳來(lái)人們的說(shuō)話聲、發(fā)電機(jī)的嗡嗡聲以及主路上輕便摩托車的轟鳴聲。這名醫(yī)護(hù)人員努力地聽著，她會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌性肺炎的癥狀，給你開抗生素，并建議你去最近城市的醫(yī)院?jiǎn)幔窟€是她會(huì)認(rèn)為這些癥狀是普通感冒，然后讓你帶著兒子回家？如果她讓你回家是個(gè)錯(cuò)誤，你的兒子能活下來(lái)嗎？

全世界死于肺炎和其他肺部疾病的兒童比死于其他任何原因的兒童都多。每年有近100萬(wàn)兒童因急性下呼吸道感染而死亡，死亡人數(shù)超過因艾滋病毒和瘧疾死亡的兒童人數(shù)的總和。在發(fā)展中國(guó)家，只有不到5%的人有條件接受X射線診斷，而這種診斷方式是肺炎診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)。此外，許多生病的孩子甚至從來(lái)沒有機(jī)會(huì)去就診，因?yàn)樗麄兊淖∷x醫(yī)院很遠(yuǎn)，道路條件很差，交通費(fèi)用也很昂貴。在肺炎死亡發(fā)生率最高的撒哈拉以南非洲地區(qū)，只有40%有肺炎癥狀的兒童能夠接受專業(yè)醫(yī)療護(hù)理。

鑒于這些呼吸道疾病成為全球性問題，世界衛(wèi)生組織（WHO）為資源有限的國(guó)家制定了戰(zhàn)略。肺炎診斷指南最大程度地減少了對(duì)技術(shù)工具的依賴，以氣短、咳嗽和呼吸急促等可觀察到的癥狀作為診斷依據(jù)。為了挽救生命，世界衛(wèi)生組織建議對(duì)所有出現(xiàn)這些癥狀的兒童進(jìn)行抗生素治療，結(jié)果，接受肺炎治療的兒童中有一半實(shí)際上并沒有患肺炎。這種方法給社區(qū)增加了不必要的成本，而不必要的藥物治療也導(dǎo)致抗藥性細(xì)菌問題更為嚴(yán)重。

我們提出了一種基于聽診器的技術(shù)解決方案。聽診器自19世紀(jì)問世以來(lái)幾乎沒有出現(xiàn)什么變化。這種常見的臨床工具實(shí)際上有許多局限。為了達(dá)到最佳效果，使用者需處于安靜的環(huán)境中，因?yàn)楸尘霸肼暫苋菀籽谏w肺部的細(xì)微聲音。診斷者必須受過良好的訓(xùn)練，能夠正確地將胸件放在患者身體上，并對(duì)聽到的聲音進(jìn)行解釋，而如何解讀肺音并沒有精確的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)確解讀肺音，需要長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)并接受指導(dǎo)，即使是專家，對(duì)肺音的解釋也會(huì)各不相同。因此，即便是醫(yī)術(shù)高超的醫(yī)生也更喜歡將聽診器與其他技術(shù)（如胸部X光）結(jié)合使用。

我們希望能夠克服聽診器的局限性，更有效地利用它的低成本和易用性特點(diǎn)。在美國(guó)國(guó)家心肺血液研究所（NHLBI）、NASA以及比爾和梅林達(dá)?蓋茨基金會(huì)的資助下，我們開始徹底重新設(shè)計(jì)聽診器。

該項(xiàng)目由約翰?霍普金斯大學(xué)（位于巴爾的摩）的工程師、醫(yī)生和公共衛(wèi)生專家合作開展。經(jīng)過通力合作，我們發(fā)明了一種設(shè)備，它利用數(shù)字傳感技術(shù)來(lái)捕捉聲音，利用主動(dòng)聲學(xué)來(lái)降噪，利用人工智能來(lái)幫助醫(yī)護(hù)工作者準(zhǔn)確診斷肺炎。我們希望這種智能聽診器在世界各地得到廣泛應(yīng)用，從而防止兒童死于肺炎。我們?cè)跍y(cè)試其性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)它不僅能為發(fā)展中國(guó)家?guī)?lái)福音，對(duì)美國(guó)和其他富裕國(guó)家的醫(yī)院也大有裨益。

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我們的任務(wù)起源于兒童健康肺炎病因研究所（PERCH）2008年初開始的一項(xiàng)雄心勃勃的全球肺炎研究，并得到了蓋茨基金會(huì)的資助。該項(xiàng)研究探討了非洲、亞洲和南美洲多個(gè)國(guó)家兒童罹患肺炎的原因。

在這項(xiàng)研究過程中，約翰?霍普金斯大學(xué)的一個(gè)醫(yī)生團(tuán)隊(duì)開始研究肺音在肺炎診斷的作用。起初，研究人員為當(dāng)?shù)氐尼t(yī)護(hù)人員配備了商用聽診器，并在聽診器上安裝了小型數(shù)字記錄儀。醫(yī)護(hù)人員記錄了他們?cè)谵r(nóng)村診所和城市醫(yī)院接診時(shí)聽到的兒童的肺音，然后將這些文件傳送給約翰?霍普金斯大學(xué)的肺科專家。專家在聽了這些肺音后提供了更有根據(jù)的醫(yī)療意見。

然而，使用商用聽診器很快出現(xiàn)了問題。要從肺部獲得較好的錄音結(jié)果，醫(yī)護(hù)人員需將聽診器的胸件放在孩子胸部和背部的正確位置。可惜當(dāng)?shù)氐墓ぷ魅藛T通常只接受過該工具的基本使用培訓(xùn)，而且往往找不到能將肺音傳輸?shù)铰犜\器耳塞的“最佳聽音位置”。此外，他們經(jīng)常在嘈雜的環(huán)境中錄音，完全比不上安靜的醫(yī)生辦公室（這也是聽診器的設(shè)計(jì)使用場(chǎng)所）。人、機(jī)器、汽車和摩托車的背景音會(huì)和肺音混合在一起，專家最終聽到的錄音中有很多雜音。另外，當(dāng)?shù)氐墓ぷ魅藛T需要接入互聯(lián)網(wǎng)來(lái)傳輸錄音文件，而網(wǎng)絡(luò)連接限制和故障導(dǎo)致他們需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能拿到專家的診斷。

約翰?霍普金斯大學(xué)的醫(yī)生們意識(shí)到，要想得到有用的聲音，就必須重新考量聽診器。所以他們聯(lián)系了我們電氣和計(jì)算機(jī)工程系，我們倆是本系教授，專攻音頻工程，所以非常樂意接受這項(xiàng)挑戰(zhàn)。

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傳統(tǒng)聽診器的工作原理如下：人體器官產(chǎn)生聲音，這些聲波在聽診器的胸件處引起震動(dòng)，胸件起到了共振器的作用。胸件是雙面的，形狀都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)——一面是一個(gè)扁平的圓盤狀隔膜，另一面是一個(gè)中空的杯形鐘罩，兩面在不同的頻率范圍內(nèi)形成自然振蕩，用于不同的診斷任務(wù)。聲音振動(dòng)通過連接到兩個(gè)耳塞的導(dǎo)音管傳播，從而將患者體內(nèi)的聲音傳遞給聽診者。雖然聽診器的設(shè)計(jì)目的是最大程度地接收聲音，并將其傳送到使用者的耳朵里，但聲級(jí)通常很低。

更加現(xiàn)代的電子聽診器可將聲波轉(zhuǎn)換成可以在設(shè)備中進(jìn)行處理的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲音放大。其中采用了一個(gè)可通過傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，取代了雙面胸件，將失真和噪聲影響降到了最低。用戶可以在膜式和杯式之間切換，還可以通過其他方式調(diào)整進(jìn)入耳朵的聲音。

約翰?霍普金斯大學(xué)的聽診器是一種電子聽診器，改進(jìn)了目前市場(chǎng)上的數(shù)字設(shè)備。升級(jí)從硬件開始——胸件部分安裝了傳感器陣列，從而在整個(gè)有效區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了統(tǒng)一的靈敏度。即使胸件沒有準(zhǔn)確地放在正確位置上，通過這種設(shè)計(jì)也能傳遞強(qiáng)有力的信號(hào)，對(duì)未經(jīng)培訓(xùn)的用戶有很大幫助。我們?cè)囼?yàn)了多種傳感器，包括便于將大量麥克風(fēng)封裝到較小空間的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），以及可減少信號(hào)丟失的符合皮膚聲學(xué)特性的納米纖維材料。

要使聽診器在發(fā)展中國(guó)家的診所中發(fā)揮作用，噪聲處理是最重要的任務(wù)。對(duì)傳統(tǒng)聽診器而言，環(huán)境噪聲會(huì)在3處污染信號(hào)：胸件、橡膠導(dǎo)音管和用戶的耳朵。約翰?霍普金斯大學(xué)的設(shè)計(jì)改善了患者身體和胸件之間的耦合，將橡膠導(dǎo)音管換成了電纜，并采用了數(shù)字噪聲控制技術(shù)，從而確保了用戶的耳朵能夠接收到較強(qiáng)的信號(hào)。該聽診器的胸件部分還有一個(gè)外部麥克風(fēng)，可收集環(huán)境聲。通過對(duì)環(huán)境聲的自適應(yīng)信號(hào)分析，可降低噪聲，詳情請(qǐng)見下一節(jié)。

該聽診器的智能之處在于它包含了一個(gè)板載微處理器，可作為操作系統(tǒng)，因此我們可以開發(fā)各種應(yīng)用程序，根據(jù)不同的需要定制設(shè)備。到目前為止，我們的團(tuán)隊(duì)已專注研發(fā)了兩款我們認(rèn)為對(duì)發(fā)展中國(guó)家診所至關(guān)重要的應(yīng)用。一款可以降低噪聲水平，另一款可以提高專業(yè)水平。

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降低外部噪聲是一件復(fù)雜的事。設(shè)計(jì)一款能夠識(shí)別正常呼吸產(chǎn)生的信號(hào)模式并過濾掉其他聲音的噪聲消除軟件相對(duì)容易，但在類似肺炎的病理狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生異常的信號(hào)模式，而一款過度活躍的噪聲消除濾波器會(huì)消除這些關(guān)鍵信息。例如，如果一個(gè)孩子出現(xiàn)了哮喘，除了正常的呼吸聲外，他的身體還會(huì)發(fā)出尖銳的哮鳴音，“去噪”算法不能將這種哮鳴音誤認(rèn)為是孩子哭鬧等造成的尖銳環(huán)境噪聲。然而，保留異常信號(hào)模式也會(huì)保留環(huán)境噪聲。我們的應(yīng)用程序旨在抑制不必要的噪聲，同時(shí)保持來(lái)自患者肺部的信號(hào)的完整性。

在設(shè)計(jì)噪聲消除算法時(shí)，我們考慮到了兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。首先，表示可能存在病理的肺部聲音是不可預(yù)測(cè)和無(wú)規(guī)律的。第二，在繁忙的診所里，噪聲變化很大——檢查室里可能有人們的閑聊聲、電話鈴聲和呼呼作響的風(fēng)扇聲；接受檢查的孩子可能在檢查臺(tái)上哭鬧；聽診器的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電子噪聲。

考慮到這些問題，我們的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種采用主動(dòng)自適應(yīng)聲學(xué)的噪聲消除算法。我們的系統(tǒng)并非只是簡(jiǎn)單安裝了一個(gè)被動(dòng)運(yùn)行的濾波器，還會(huì)分析外部麥克風(fēng)記錄的肺音和環(huán)境聲，查看它們?cè)谝纛l頻譜上的頻率。然后，隨著算法持續(xù)跟蹤這兩個(gè)信號(hào)，該應(yīng)用會(huì)調(diào)整噪聲消除的程度和頻譜范圍。我們通過一項(xiàng)盲聽測(cè)試驗(yàn)證了這一方法。在測(cè)試中，我們讓小兒胸內(nèi)科醫(yī)生小組對(duì)比了使用農(nóng)村診所的商用聽診器獲取的聲音質(zhì)量和通過約翰?霍普金斯大學(xué)算法處理的相同信號(hào)。95%的情況下，專家們認(rèn)為我們的去噪信號(hào)效果更好。

我們還用該音頻軟件處理人體發(fā)出的無(wú)關(guān)聲音。醫(yī)護(hù)人員聽病人的肺音時(shí)，病人的心跳聲可能會(huì)使人分心，并掩蓋肺音。胸內(nèi)科醫(yī)生經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，能夠忽略心跳聲，專注呼吸模式，我們也對(duì)算法進(jìn)行了類似訓(xùn)練。我們的應(yīng)用程序可以消除心跳聲，為使用者提供了來(lái)自肺部的純粹信號(hào)。

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為了挽救發(fā)展中國(guó)家兒童的生命，我們希望內(nèi)科專家能夠?yàn)槊總€(gè)偏遠(yuǎn)的診所和擁擠的醫(yī)院服務(wù)。因此，我們做了第二件很棒的事：開發(fā)了一款可以將醫(yī)生的專業(yè)知識(shí)傳送到這些地方的應(yīng)用程序。

第二款應(yīng)用程序使約翰霍?普金斯大學(xué)研發(fā)的聽診器真正實(shí)現(xiàn)了智能化。它通過區(qū)分正常和異常的呼吸模式，自動(dòng)篩選肺炎病例，能夠?qū)ふ冶砻鞣尾看嬖诜e液和炎癥的喘鳴音或噼啪聲。

我們的人工智能方法受到了大腦聽覺系統(tǒng)的啟發(fā)，它既分析了整體的音頻信號(hào)，也分析了其具體特征。大腦將主要處理能力投入到了隨時(shí)間變化的頻率以及它認(rèn)為與情況最相關(guān)的頻率上。設(shè)想一下，在一個(gè)熱鬧的雞尾酒會(huì)上，你是如何做到忽略嘈雜的背景聲，專注地聽你面前的人說(shuō)話的。應(yīng)用程序在分析去噪后的肺音時(shí)，會(huì)接收整個(gè)信號(hào)，但會(huì)著重處理表示肺炎的具體聲音。

我們使用了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)訓(xùn)練該應(yīng)用程序，為其提供了大量數(shù)據(jù)，然后要求其選擇最有用的特征。來(lái)自非洲5個(gè)國(guó)家和亞洲兩個(gè)國(guó)家的約1500名患者的肺部錄音組成了數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該算法進(jìn)行了訓(xùn)練。經(jīng)測(cè)試，這款人工智能應(yīng)用程序可以自動(dòng)區(qū)分健康人群和肺炎患者，準(zhǔn)確率達(dá)87%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他自動(dòng)診斷方法。我們的團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研究該算法，希望用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提高其性能。

農(nóng)村診所的醫(yī)護(hù)人員即便無(wú)法訪問互聯(lián)網(wǎng)，也可以使用我們的智能聽診器；板載技術(shù)可以完成所有信息處理，并利用內(nèi)置小型LED顯示屏提供即時(shí)診斷建議。我們的設(shè)想是，智能聽診器的最終版本可以通過藍(lán)牙連接用戶的手機(jī)或平板電腦，用戶可以在手機(jī)或平板電腦上獲得更多診斷信息，實(shí)現(xiàn)肺部聲音信號(hào)的可視化，并回放以前錄制的聲音。

該智能聽診器有一個(gè)可編程的平臺(tái)，因此我們正在開發(fā)其他應(yīng)用程序，使其可用于多種疾病的診斷和更多場(chǎng)景。我們認(rèn)為，它能幫助診斷心力衰竭和各種腸道疾病。我們正在與心內(nèi)科和胃腸科專家合作，收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)算法。

目前，電子聽診器的價(jià)格一般在500美元左右，這對(duì)許多發(fā)展中國(guó)家的醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)過于昂貴。約翰?霍普金斯大學(xué)的智能聽診器則便宜得多，其電子元件價(jià)格實(shí)惠，可選的供電方式和計(jì)算功能成本較低，我們希望它能有益于資源水平較低的社區(qū)。

目前，我們正在對(duì)該智能聽診器進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。秘魯、孟加拉國(guó)和馬拉維的診所工作人員與約翰?霍普金斯大學(xué)兒科急診室的醫(yī)生都在試用樣機(jī)。通過這些測(cè)試和驗(yàn)證研究，對(duì)該聽診器在嘈雜環(huán)境中的作用水平以及在不同病人群體中肺炎診斷的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。在這些研究中，我們將使用客觀的信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)來(lái)評(píng)估肺音，并將其與胸部X光診斷和肺科專家的聽診評(píng)估進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其診斷結(jié)果。

除了學(xué)術(shù)界的研究工作，我們的同事還成立了一家名為Sonavi實(shí)驗(yàn)室的初創(chuàng)公司，以便迅速將我們的原型機(jī)變成商業(yè)可行的產(chǎn)品。Sonavi實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是開發(fā)能夠有效利用肺部聲音診斷疾病的現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備。他們將于2019年初推出首批名為Feelix及FeelixPro的數(shù)字聽診器。

我們希望，我們重新設(shè)計(jì)的聽診器能夠幫助當(dāng)?shù)蒯t(yī)護(hù)人員利用便于操作的廉價(jià)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)篩查，從而緩解全球兒童肺炎健康危機(jī)。從宏觀上看，我們希望通過更多的努力，挽救數(shù)十萬(wàn)條生命。在微觀層面上，哪怕只有一位家長(zhǎng)的孩子因?yàn)榈玫皆缙谠\斷而康復(fù)，那么我們所有的努力就是值得的。