机器学习在针灸应用中的靶点-个体化医疗及决策

吴永娜

机器学习与个体化医疗是近年来发展的两大热点,机器学习是一门涉及多领域的交叉学科,其目的主要在于让计算机具有自我学习的能力。主要研究计算机如何从数据中学习,从而获得数据中的内在规律性信息,获得新的经验和知识,以提高计算机的智能性,使计算机能够像人一样做出决策[1]。

个体化医疗主要是根据患者的基因组信息与相关个体特征,从而为患者提供个性化治疗方案的一种医疗模式[2]。由于人类生物学的复杂性、疾病的多样性,近年来个体化医疗的市场需求越来越大,而个体化技术与模式也越发广泛地应用于各个领域,个体化医疗主要体现在个性化诊断与个性化治疗两大方面:个性化诊断主要包括分子诊断、生化诊断、免疫诊断等;个性化治疗主要包括靶向免疫治疗、细胞治疗、靶向放疗、基因编辑等[2]。

目前,机器学习在个体化医疗的应用中主要体现在以下几个方面:监测和预防疾病、疾病预后评估、辅助诊疗、医疗图像识别、机器人辅助手术、药物警戒和新药研发以及医疗体系质量管理等[1]。

针灸疗法作为中国特有的传统疗法,一直沿用至今,已有两千多年的历史,其本质与中医体系的望闻问切,辨证论治一致,在遵循中医基础理论指导的前提下因人制宜,结合患者自身的情况,施行个体化治疗。而机器学习则能通过针灸相关疾病及患者的基因信息与相关个体特征的大数据学习,形成一套完整的诊疗方法,从而辅助医疗人员诊断疾病及制定个性化的医疗方案,为患者带来更好的临床疗效。

1 机器学习的概念及应用

1.1 机器学习的概念机器学习是一门多学科交叉专业,其内容涉及概率论知识,统计学知识,近似理论知识和复杂算法知识等。计算机作为机器学习的工具,致力于实时真实地模拟人类学习方式,并将现有内容进行知识结构划分来有效提高学习和工作效率[3],即机器学习不仅能够自动构建模型,对大量的数据进行分析,对未知事件进行预测,而且还能同时模仿人的学习行为,不断学习现有的知识,从而改善自身的性能,不断进步,以期达到和人类相似的思维模式[4]。

1.2 机器学习在个体化医疗行业中的应用应如今大数据时代的要求,机器学习在个体化医疗行业应用广泛。机器学习可以预测和评估疾病发生的风险,王孟等[5]建立基于机器学习的脑出血相关肺炎预测模型,可以对脑出血患者肺炎发生风险进行预估,更好地辅助临床决断。机器学习可以辅助临床诊断,有研究表明,KNN算法在乳腺癌诊断过程中表现突出,准确率可达到96.6%[6]。机器学习能够预测药物的有效性,冯佳季[7]对基于机器学习的抗癌药物反应预测研究,提出了一套基于关联规则挖掘和机器学习的药物反应预测方法,可以实现根据患者的基因组学特征预测其对上百种抗肿瘤药物的敏感性和耐药性,为患者制定个性化治疗方案。机器学习可以对医学图像进行识别。刘洋等[8]利用百度的图形化深度学习平台EasyDL构建的深度学习模型对机器学习在眼部疾病识别及分类进行研究。结果表明,学习模型对糖尿病视网膜病变、高度近视眼底病变、角膜溃疡等常见眼病的疾病识别及分类准确率达85%～94%,可以有效辅助临床诊断。不难看出,机器学习已经深入时代生活,带来便捷的同时,医疗也已经向着智能信息化模式转变,机器学习将拥有广阔的发展前景。

2 针灸疗法

2.1 针灸概念针灸作为中医的一种特定疗法,是针法和灸法的总称,主要是指在中医理论基础的指导下,利用针刺和灸法来治疗疾病。针刺即用针具刺入人体某个腧穴或特定的部位,施行提插捻转等手法,使患者得气,从而达到治疗作用。灸法,灸即烧灼的意思,主要是指借灸火的热力和药物的作用,对腧穴或病变部位进行烧灼、温熨,从而达到温经散寒、扶阳固脱、消瘀散结、防病保健的作用。针法和灸法二者合用,更能疏通经络、调和阴阳、扶正祛邪[9]。灸法种类繁多,但灸法中最常用的物质是艾,故无特指时,灸法一般指艾灸法。

2.2 针灸个体化的历史源流针灸个体化诊疗,并不是一个全新的概念,中国古代医籍中所记载的“辨证论治、同病异治、异病同治、三因制宜”等治疗原则及中医学的体质学说都反映了个体化诊疗的思想。针灸个体化诊疗主要体现在“辨-诊断”和“治-治疗”两大方面。

2.2.1 辨“辨”在《说文解字》中意为判也,即判断之意。针灸治疗过程中可辨体质形神、辨寒热虚实、辨脉象差异、辨经络不同。《灵枢·九针十二原》言:“凡将用针,必先诊脉,视气之剧易,乃可以治也”。诊察脉象差异,判断正邪之气的强盛,然后思考如何针刺治疗。同样的病,脉象的不同,则针刺疗法不同,体现针灸个体化在辨脉象中的应用。《灵枢·经脉》言:“盛则泻之,虚则补之,热则疾之,寒则留之,陷下则灸之”。《灵枢·九针十二原》言:“凡用针者,虚则实之,满则泄之,宛陈则除,邪盛则虚之”。这两句都体现病症寒热虚实的不同,针灸疗法也各不相同。《灵枢·卫气失常》说:“夫病变化,浮沉深浅,不可胜穷,各在其处,病间(轻)者浅(刺)之,甚(重)者深之,间者小之,甚者众之,随变而调气”。这句主要是辨病变部位的深浅和病情的轻重等情况,而后分别采用适当的刺法以达到调气。《灵枢·终始》云:“凡刺之法,必察其形气”。《灵枢·寿夭刚柔》云:“人之生也,有刚有柔,有弱有强,有短有长,有阴有阳”。针灸治疗前必须诊察患者体质、形态的强弱与神气的盛衰。即辨体质形神,而后分而论治,体现针灸个体化。《灵枢·本输》言:“凡刺之道,必通十二经络之所终始,络脉之所别处,五输之所留,六腑之所与合,四时之所出入,五脏之所溜处,阔数之度,浅深之状,高下所至”。施行针灸首先要熟悉经络理论,是以针刺补泻法的运用须以经络理论为指导。临床上辨证施治,都离不开经络。

2.2.2 治针灸治疗的过程主要是选穴、进针、行针补泻、出针,而每一个步骤都体现了针灸个体化。《素问·刺腰痛》言:“足太阳脉令人腰痛……刺其郄中……少阳令人腰痛……刺少阳成骨之端出血……阳明令人腰痛……刺阳明于胻前三痏……足少阴令人腰痛……刺少阴于内踝上二痏”。《素问·刺疟疾》言:“足太阳之疟,令人腰痛头重……刺郄中出血。足少阳之疟,令人身体解?傱?……刺足少阳。足阳明之疟,令人先寒,洒淅洒淅……刺足阳明跗上。足厥阴之疟,令人腰痛少腹满,小便不利如癃状……刺足厥阴”。同样的疾病,致病因素不同,针刺选穴也不尽相同。选穴完毕进针时也得根据穴位所处位置的不同采用不同的进针方法。肌肉浅薄、邪气表浅处可浅刺,如《灵枢·官针》言:“半刺者,浅内而疾发针,无针伤肉,如拔毛状,以取皮气,此肺之应也”。肌肉丰厚、邪气深入可深刺,如《灵枢·官针》言:“合谷刺者,左右鸡足,针于分肉之间,以助肌痹,此脾之应也”。《灵枢·邪客》言:“持针之道,欲端以正,安以静,先知虚实而行疾徐”。即行针补泻得在辨清疾病寒热虚实的基础上,方可施行。《素问·针解》言:“刺实须其虚者,留针阴气隆至,乃去针也;刺虚须其实者,阳气隆至,针下热,乃去针也”。《灵枢·官能》言:“泻必……摇大其孔,气出乃疾;补必……气下而疾出之,推其皮,盖其外门,真气乃存”。出针也需个体化,需把握好出针的时机以及出针的方式。由此可见,针灸个体化体现在针灸治疗过程中的多个环节,也为针灸个体化医疗向着现代化发展提供了新的临床思路。

2.3 针灸个体化的现代研究—中医体质针灸个体化及针灸辨证论治的核心是以人为本,而人体质的差异正是针灸个体化的着力点。早在中国秦汉《黄帝内经》时期各派医家已对体质进行研究,一直到今天,体质研究仍旧是一大热点[10]。每个人的体质都不相同,那么体质可以改变吗?王琦[11]认为,体质是指“人体生命过程中,在先天禀赋和后天获得的基础上所形成的形态结构、生理功能和心理状态方面综合的、相对稳定的固有特质”,而体质的相对稳定性和动态可变性决定体质的可调性,是可以进行干预的[12]。 也就是虽然体质受到先天遗传因素的影响,但并不是稳定的,一成不变的,根据改变后天的环境等因素,调节人体的整体机能,体质是可以被改变的,从而对针灸调控人体机能环境具有很好的指导意义。

目前中医体质学研究主要涉及到理论研究、临床应用研究、基础研究等类型,例如在体质与证、体质类型与疾病关系、体质与治则关系、体质与食疗的关系、体质治疗学、体质药物学、体质预防学、体质与康复、体质遗传基础、不同体质类型特征等方面的研究都取得了较多的成果。同时对于一些顽固性疾病,例如过敏性疾病、免疫系统疾病、男性更年期、亚健康状态有望实现新的突破[13]。随着目前科技手段的不断创新,体质研究的不断深入,已不仅仅停留在宏观层面,目前已涉及细胞、分子、蛋白、基因、免疫等各个层次各个方面各个角度,使之研究进入了全新的阶段。

3 机器学习与针灸个体化

3.1 大数据技术是诊断和治疗的桥梁众所周知,机器学习以计算机互联网大数据为基础,随着时代的发展,互联网已经广泛地应用于各个领域,深入民众生活,尤其是在医疗领域,更发挥了其独特的作用,互联网的广泛应用同时也彰显着人类大数据时代的到来。由于医疗行业数据的复杂性,多维性,使得医疗数据难以得到有效的保存和利用,大数据时代的到来,掀起了医疗行业信息化的浪潮,各大医院加紧进行信息化平台和体系的建设。

患者就诊时,通过对大数据的使用,及时共享医疗资源及数据,快速对患者的情况进行整合,进行多角度、多方面的分析,协助医生完成个体化诊断,同时,对后续的治疗方案给出合适的指导,协助医生完成个体化治疗,形成完整的诊疗方案,由此可以看出大数据技术为医疗行业提供了强有力的技术支撑,也为个体化诊断和个体化治疗之间搭起了桥梁。

针灸学相对于西方医学来说,属于传统医学,目前针灸临床诊疗决策模式主要以经验为主,即决策方案的确定一般依靠医生的直觉、以往的经验和已有的知识结构[14]。因此这样的诊疗模式在一定程度上降低了医疗效率,同时也在一定程度上阻碍了针灸临床疗效的进一步提高。不仅如此,随着分子医疗水平的提高,目前针灸个体化的现代研究也不断深入到基因分子等生物层面,要想针灸个体化在现代医学背景下得到良好的应用和研究,就必须利用好大数据,汲取他人的经验和疗法,使针灸个体化诊断的结果更好地为个体化治疗服务,让大数据技术成为针灸个体化诊疗的阶梯,为患者提供更好的个性化体验和临床疗效。

3.2 针灸个体化与分子诊断针灸个体化已在前文中提到,就是针灸的辨证论治等概念和中医学的体质学说,而目前在现代研究中较多的便是体质研究,中医的体质的不同在中医上讲是先天遗传和后天发育的不同,而放到西医上讲就是细胞分子蛋白基因的不同,其实就是宏观与微观的不同。针灸个体化就是针灸个体化诊断和个体化治疗,目前个体化诊断主要是分子诊断、生化诊断、免疫诊断、其他诊断。目前研究较多的便是分子诊断技术,诊断是治疗的基础,分子诊断技术的不断进步,也为针灸个体化治疗奠定了坚实的基础,为针灸个体化阐明了发展方向。目前分子诊断涉足的领域主要包括感染性病原体检测分型、遗传性疾病诊断、肿瘤个体化检测等[2]。

3.3 针灸研究现状目前针灸也在感染性疾病、过敏性疾病、肿瘤、免疫调节等方面进行了相关的研究。以针灸在肿瘤和免疫方面的研究应用为例。研究表明,针灸的调节作用几乎涉及免疫系统的各个环节[15]。针灸既能改变机体的特异和非特异的免疫功能,又对免疫细胞和免疫分子有明显的影响。目前研究表明针灸对免疫的调控主要是固有免疫的调控即免疫细胞的影响,主要是对T细胞、NK细胞、B细胞、肥大细胞、巨噬细胞、小胶质细胞等免疫细胞产生影响。同时对适应性免疫、体液免疫、神经-免疫等方面都有调控。大量临床研究及动物实验证明,针灸可以通过对机体免疫进行调节,增强对肿瘤患者免疫力,达到预防和治疗肿瘤的目的[16]。

孙斌[17]对64例溃疡性结肠炎患者选用相应腧穴进行针灸治疗对患者的T细胞亚群进行观察研究,结果表明针灸治疗组的患者CD3+T细胞、CD4+T细胞水平均有显著升高,加速了患者的康复水平。蓝怡[18]对69例霍纳综合征治疗后低病毒载量、免疫功能重建不良的艾滋病脾肾阳虚证患者进行为期12周的临床疗效观察,结果表明艾灸联合霍纳综合征治疗组CD4+T淋巴细胞计数升高,免疫重建有效率为36.96%,有效促进了免疫功能的重建,促进了免疫水平的恢复。路玫等[19]选择40只带瘤小鼠进行实验观察,结果发现针疗组和灸疗组的小鼠骨髓细胞Notch信号通路中关键基因jag1、notch2 基因蛋白表达及含量均降低,为临床中针灸减轻肿瘤化疗患者骨髓抑制、提高生存质量及改善造血机能方面提供实验室依据及新的治疗思路。龚君君等[20]对70 例消化道恶性肿瘤患者放化疗期应激反应及免疫功能进行观察,结果表明,温针灸联合西药治疗组的消化道应激反应评分低于对照组,体液免疫及免疫功能各项指标和炎症因子水平、白细胞计数和血小板水平均高于对照组,有效地降低了患者的应激反应状态,改善了患者骨髓抑制状态及炎症因子水平,提高了机体免疫功能。

由此可见,如今针灸治疗的水平已经逐层深入,不断细化,对于人体的基因、免疫等研究已经较为深入,有坚实的数据及实践基础来完成针灸个体化的信息化进程,为今后针灸个体化的现代化发展提供了新的临床治疗方向,使得针灸治疗不仅仅是在病证等大的层次,而且可以深入到细胞分子等小的层面。也就是针灸个体化的着眼点在于基因分子层面,而这一切都离不开如今的大数据的支持。机器学习在大数据的浪潮下,为针灸个体化提供了新的思路和技术手段,要实现针灸医学信息化、现代化,就得与机器学习大数据相结合。

3.4 针灸个体化医疗的可行性

3.4.1 针灸临床循证决策信息化支持随着循证医学的快速发展,为了能够对积累几千年的信息资源进行整合,对针灸临床研究证据能够准确和快速获取,且使得针灸医学从经验医学向科学决策方向转化,针灸临床循证决策信息化的建设与应用对此提供了很好的技术支持。目前针灸循证决策信息数据库的构建、针灸循证决策信息智能检索平台的构建、针灸临床循证决策数据挖掘模型的构建、基于电子病历的针灸临床循证决策支持平台的研制、循证决策信息的经穴诊疗设备的研制等的研制与应用,为未来针灸个体化医疗的发展奠定了很好的信息化基础[21]。

3.4.2 计算针灸学的提出与发展21世纪的今天,各类信息数据不断发展,大数据时代应运而生。在针灸学发展的这两千多年,各类医家学派为针灸学积累了丰富且宝贵的资源,但这些数据却很难得到深度的挖掘和利用,由此,计算针灸学的概念正式提出。计算针灸学涉及包括数学、统计学、中医针灸学、生物学和计算机科等在内的多个学科[22]。计算针灸学的发展使得针灸本身的实验数据,或者是数据的进一步挖掘,提取特征规律等问题都有了解决依据,更使得针灸与现代科学,现代实践医学等相结合,真真切切地把针灸信息化提上日程,更为针灸个体化医疗发展奠定了基础。

3.4.3 个体化医疗发展是时代大趋势随着生物医疗工程和大数据时代的到来,个体化医疗思想已经逐渐渗入当下的医疗实践,个体化医疗将会是未来医疗发展的大方向,大趋势。针灸医学要想更好地提高临床疗效,在时代中更好地发展,针灸就必须迎合当下的时势,完成自身信息化模式的转变,时刻发扬以人为本的医疗思想,形成全新的诊疗模式。

4 总结

在如今以信息为载体的时代,数据就是这个时代发展的命脉。机器学习在各行各业应用广泛,完美地契合了数据时代的发展,基于机器学习的现代医疗发挥了其特有的优点,且基于机器学习所建立的医疗模型,能够在临床应用中不断改进自身的缺点,切实提高临床诊疗水平,促进医学事业的不断发展。如今,针灸医学是研究的热点,而针灸医学的发展离不开现代信息化科技手段,针灸的发展与机器学习相结合是顺应时代发展的趋势,而个体化医疗与决策则是切入点。