第一章 心脑血管疾病智能诊断技术简介
第一节 心脑血管疾病现状
心脑血管疾病[F1]严重威胁人类健康，每年造成的死亡人数居所有非传染性疾病致死人数*位。据《2018世界卫生统计报告》，心脑血管疾病造成的死亡人数约为0.18亿，占所有非传染性疾病死亡人数的44%，约占全球死亡总人数的31%。
我国心血管疾病负担更重。据世界卫生组织不完全统计，我国心血管疾病造成的死亡人数占总死亡人数的43%。《中国心血管健康与疾病报告2019概要》(中国心血管健康与疾病报告编写组，2020)指出，我国心血管疾病患病率持续上升，估计现有患病人数为3.30亿。其中，高血压2.45亿，脑卒中1300万，冠心病1100万，肺源性心脏病500万，心力衰竭890万，风湿性心脏病250万，先天性心脏病200万。心血管疾病居我国城乡居民死亡原因*位，分别占43.56%和45.91%。如图1-1所示，2005～2017年城乡居民心血管疾病死亡率整体上呈上升趋势。心血管疾病威胁人类生命健康的同时，对应带来的经济压力也逐渐增大。近年来，心血管疾病带来的住院费用持续增加，且年均增长速度远高于我国国民生产总值的增速。
图1-1 [F2]2005～2017年我国城乡居民心血管疾病死亡率变化
常见的心脑血管疾病主要包括脑卒中、冠心病、风湿性心脏病、先天性心脏病、外周动脉疾病、深静脉血栓形成等。除此之外，常见的心脑血管疾病还包括心脏肿瘤、脑血管瘤、主动脉瘤、主动脉夹层、心肌病、心脏瓣膜疾病等(图1-2)。高血压、高血脂是引起以上心脑血管疾病的重要危险因素，因而常被作为评价心脑血管疾病风险等级的指标，以便更好地预防心脑血管疾病。
图1-2 常见心脑血管疾病[3]
1.脑卒中脑卒中又称为中风，是一种由大脑供血不足造成的神经系统损伤。造成大脑供血不足的原因包括动脉阻塞或破裂(出血)。动脉阻塞或破裂造成的供血不足会引起部分脑细胞因无法正常获得氧而损伤或死亡，*终导致对应脑部的功能障碍。脑卒中主要分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中两种，而大多数脑卒中属于缺血性脑卒中，产生的原因主要包括血栓形成、栓塞或灌注不足。出血性脑卒中产生的原因主要包括脑出血和蛛网膜下腔出血两种。如果不及时诊断和治疗，脑卒中可能导致永久的神经系统损伤，从而导致偏瘫甚至死亡。脑卒中是中老年人致残、致死的主要原因之一，一旦发病很难完全治愈。
2.冠心病冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，是指冠状动脉内粥样斑块堆积，造成冠状动脉供血不畅，进而引起的心肌缺血性病变。大多数冠心病患者的疾病发展较缓慢，通常是几年甚至几十年不出现明显的症状，而逐步发展直到*后突然发病。冠心病是目前*常见的导致突然死亡的疾病之一。冠心病较严重时，可引发心绞痛、心肌梗死，甚至死亡。
3.风湿性心脏病风湿性心脏病是指由链球菌感染引起的风湿热，进而导致的心肌和心脏瓣膜的损坏。风湿热容易损坏人体的结缔组织，尤其是心脏、关节、脑或皮肤中的结缔组织。这种疾病*容易发生在5～15岁儿童中，且其影响可能持续一生。
4.先天性心脏病先天性心脏病通常是指由于遗传因素或母体妊娠期间受到不利因素干扰导致的心脏结构畸形及功能异常。先天性心脏病有很多种，有些心脏结构的畸形可能几年甚至一生没有任何影响，有些可以通过药物治疗，有些则需要手术治疗。
5.外周动脉疾病外周动脉疾病是指外周动脉血管狭窄甚至完全被阻断。这种疾病是由脂肪在外周血管内壁逐渐堆积造成的，这种情况也常导致血块的形成，以至完全阻断外周动脉血管。这种情况常发生在大腿，其他动脉位置也可能出现狭窄或阻断等现象。冠状动脉狭窄，容易造成心绞痛、心脏病，若狭窄的位置是颈动脉，则容易产生脑卒中。
6.深静脉血栓形成深静脉血栓形成是指在深静脉中形成血块(血栓)导致的腿部疼痛或并发症。这种疾病容易发生在小腿，也可能发生在手臂等其他部位。深静脉血栓形成的并发症并不常见，若未经有效治疗，也可能引起肺栓塞等并发症。具体来说，若血块在血流中传播进入肺部，进而阻断肺部血流，则容易发生肺栓塞，导致胸痛、呼吸急促等症状。另外，深静脉血栓形成也可能破坏静脉瓣膜，导致小腿疼痛、肿胀或溃疡。
7.高血压高血压是指以体循环动脉血压(收缩压/舒张压)增高为主要特征，可伴有心、脑、肾等器官的功能或器质性损害的临床综合征。血压长期持续在较高水平可导致全身性动脉硬化，血管阻力增加，并造成心、脑、肾等重要器官的损害和相关疾病的发生，*常见的如脑卒中、心肌梗死和肾衰竭。
8.高血脂高血脂是指血脂水平过高，可直接引起一些严重危害人体健康的疾病，如动脉粥样硬化、冠心病、胰腺炎等。高血脂是引起人体动脉粥样硬化性疾病(如冠心病、脑梗死等)的主要危险因素，对人体的健康有较大的危害。
第二节 心脑血管疾病的诊断
随着科学技术的飞速发展，心脑血管疾病的诊断技术也迅猛发展，新的诊疗技术层出不穷，以下简要介绍几种常用的心脑血管疾病诊断技术。
1.胸部X线摄影胸部X线摄影是评估心脏和大血管*常用的影像学检查技术。X射线成像技术利用X射线的穿透性和摄影效应，使人体在荧屏上形成影像。人体不同组织的密度和厚度存在较大差异，因此当X射线穿过人体不同组织时，被吸收的程度不同，到达荧屏上的X射线就有一定差异，从而形成灰度不同的影像，为医师的诊断提供依据。胸部X线摄影通常用于检查心、肝、肺的异常。
2.超声心动图超声心动图(echocardiography)即采用二维、三维或彩色多普勒超声的心脏成像技术。这种技术可以实现心脏疾病的无创诊断，是诊断心脏疾病的*常用方法之一。超声心动图可以提供心脏的结构、组织损坏情况等信息，也可以计算或估算心输出量、射血分数或评价心脏舒张功能等。通过测量心室壁的移动，超声心动图也可以有效检测心室壁的异常移动，从而实现心肌梗死的早期诊断。随着超声技术的发展，实时三维超声心动图、应变成像、应变率成像和斑点追踪成像等，极大增强了心脏超声诊断冠心病的能力。
3.计算机断层成像计算机断层成像(computed tomography，CT)的基本原理是人体不同组织对X射线的吸收能力不同，采用不同角度的X射线照射人体，可以重建出人体组织的断层影像。通过堆叠二维断层影像，还可以重建三维立体影像。CT通常指X射线CT，另外两种类型的CT包括正电子发射计算机断层成像和单光子发射计算机断层成像。CT可用于检测脑梗死、肿瘤、血管钙化、脑出血等。对于心血管系统，CT主要用于冠状动脉成像、心脏瓣膜修复术等。
4. CT血管成像 CT血管成像(computed tomography angiography，CTA)即采用造影剂辅助获得图像的技术。数字减影血管造影可以有效避免成像过程中骨骼阻挡血管的细节。CT血管成像可以提供较多的解剖学细节和较高的分辨率。
5.磁共振成像磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是一种非侵入式医学成像技术。相比于CT，其*大的优势是成像过程中没有电离辐射。心脏MRI在MRI技术的基础上针对心血管系统的特点进行对应的调整和优化，使得心脏MRI成为无创心脏成像的主流技术。MRI可用于检测心血管系统的结构和功能，常用于检测心肌缺血、心肌病、心肌炎、血管疾病、先天性心脏病等。除此之外，MRI也可很好地检测脑血管、大脑皮质的状态，从而诊断脑血管疾病、阿尔茨海默病、癫痫等。
6.经颅多普勒超声经颅多普勒超声通过发射和接收经过颅骨的超声波，分析接收到的超声波信号，从而测量脑血管的血流速度。这种技术可与MRI、CT等技术结合，辅助诊断脑血管疾病。经颅多普勒超声可以辅助诊断血栓、脑动脉狭窄、蛛网膜下腔出血引起的血管痉挛等疾病。
7.心电图心电图是一种通过皮肤上的电极记录心脏电生理活动的技术。每次心跳过程中，心肌细胞去极化时皮肤表面会产生一个很小的电势变化，心电图可以记录这个微小变化，从而用于描述心脏电生理过程。这种技术一方面可以用于诊断，另一方面也可以用于监测心血管系统状态(如心率)的变化。近年来，心电图机体积逐渐减小，更加适合采集24h动态心电图，或监测人体健康状况。
8.血压测量血压测量即测量人体动脉血管内压力的方法。血压测量方法有很多种，初步可以分为有创血压测量和无创血压测量。有创血压测量需要采用导管刺穿血管将压力传感器直接与血管相连，这被认为是血压测量的“金标准”。大多数应用场景的血压测量是无创血压测量，分为有袖带的无创血压测量和无袖带的无创血压测量。有袖带测量根据测量方法主要包括听诊法和示波法。听诊法血压测量是无创血压测量的“金标准”，是目前应用*普遍的无创血压测量方法。现有的血压计大都采用袖带测量方法，而近年出现了一些基于智能手表、手环的无袖带测量方法，然而其性能还有待提高。
9.脉搏波脉搏波通常指人体某一动脉位置压力变化的曲线，可用于计算心率、脉搏波传播速度等心血管系统状态参数。常用的脉搏波包括桡动脉、肱动脉、颈动脉、股动脉等的脉搏波。
10.脑电图脑电图是指捕获并记录大脑中神经元的离子电流产生的电压波动而得到的曲线图。由于易受干扰，脑电图通常只用于辅助诊断脑部疾病，*常用于癫痫的诊断，也可用于诊断睡眠障碍、昏迷、脑血管疾病等。
第三节人工智能技术在心脑血管疾病诊断方面的应用
尽管近年来心脑血管疾病诊断技术飞速发展，心脑血管疾病的诊断仍然存在一定的问题，如医疗资源(高级临床医师、医疗设备等)分布不均、初级临床医师的误诊率较高、疾病未能及时确诊等。人工智能技术的迅猛发展有望在一定程度上解决以上问题。“人工智能”这个词的*次出现是在1956年。1958年，Rosenblatt提出了神经网络基础——感知器。1986年，Rumelhart等专家提出了神经网络的训练方法——反向传播算法。2012年，Krizhevsky等专家凭借深度卷积神经网络赢得了ImageNet大规模视觉识别挑战赛(ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge，ILSVRC)的冠军，基于深度学习的人工智能技术从此迅速发展，并被广泛应用到人类发展建设的各个领域。
人工智能技术在疾病(辅助)诊断、精准医疗、药物开发、智能手术机器人等方面均有广泛应用。在心脑血管疾病诊断方面的应用也较多，如超声心动图在检测过程中，不同操作者之间存在一定差异，可能导致不同的诊断结果。采用人工智能技术可以有效减小操作者之间的差异，提高可重复性。另外，人工智能技术在图像分析上可能提供无法被人眼察觉的信息。在心脏MRI中，人工智能技术在心室分割方面的应用可以有效优化心室容积计算，提高效率及重复性。采用人工智能技术分析脑CT可以有效诊断脑卒中。采用人工智能技术分析心脏CT图像也可以有效检测动脉粥样硬化。除医学影像分析外，人工智能技术也可以自动检测心电图异常，为24h动态心电图及常规心电图监测提供方便。
参考文献
中国心血管健康与疾病报告编写组，2020.中国心血管健康与疾病报告2019概要.中国循环杂志，35(9):833-854.
Alsharqi M， Woodward W J， Mumith J A， et al.，2018. Artificial intelligence and echocardiography. Echo Res Pract，5(4): R115-R125.
Cleve J， McCulloch M L，2018. Conducting a Cardiac Ultrasound Examination//Nihoyannopoulos P， Kisslo J. Echocardiography. Cham， Switzerland: Springer，31-46.
Madani A
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