2021年6月16日，陜西科技大學(xué)創(chuàng)造性地利用亞馬遜云科技的算力、機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，以及云上開源數(shù)據(jù)集進(jìn)行人類腦部活動(dòng)的研究，將項(xiàng)目研發(fā)實(shí)踐時(shí)間從使用本地算力、自建機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境所需的一年減少至105天，縮短三分之二，加快科研進(jìn)度，通過皮膚聽聲致力于為全球數(shù)億聽障人士帶來福音。

人類腦部活動(dòng)研究是陜西科技大學(xué)著名的皮膚聽聲研究項(xiàng)目的一個(gè)延伸課題。皮膚聽聲是通過聲電轉(zhuǎn)化，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流，刺激人體皮膚，信息反饋到相關(guān)的大腦功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)聽聲效果。通過反復(fù)訓(xùn)練，能夠讓聽障人士獲得語言能力。此技術(shù)不依賴于人體的任何殘余聽力，讓全聾人士也可以感受到聲音信號(hào)，比助聽器及電子耳蝸有更大的優(yōu)越性。

當(dāng)今，全球有4.6億人受到聽障問題的困擾，其中，在中國有2600萬聽障殘疾人士，零聽力人士超過500萬。對尚具微弱聽力的聽障人士，目前可以利用人工耳蝸進(jìn)行補(bǔ)救，但是數(shù)十萬的設(shè)備費(fèi)用、手術(shù)費(fèi)用、專業(yè)教師訓(xùn)練費(fèi)，阻礙了大多數(shù)患者的求醫(yī)之路。與此同時(shí)，人工耳蝸仍不能治愈零聽力。該研究團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目如果能讓皮膚聽聲技術(shù)得到推廣，將是全球數(shù)億聽障人士的福音。

要更好地實(shí)現(xiàn)皮膚聽聲，就要更準(zhǔn)確地知道聲音和皮膚刺激是如何作用于腦部拓?fù)涔δ軈^(qū)的具體區(qū)域，以保證刺激信號(hào)的一致性?！豆δ艽殴舱駡D像 (fMRI) 解碼的無參數(shù)注意力》研究，是利用開源的功能磁共振圖像數(shù)據(jù)集，對大量的腦部磁共振圖像進(jìn)行可視化分析。分析過程中，需要分批獲取原始數(shù)據(jù)集，對原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，匯入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出可視化的結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)使用的高質(zhì)量開源數(shù)據(jù)集全部存儲(chǔ)于Amazon Simple Storage Service (Amazon S3) 上，數(shù)據(jù)量高達(dá)12TB。如果將數(shù)據(jù)下載到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，需要數(shù)周時(shí)間才能完成下載。同時(shí)，如果利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的算力來處理這些數(shù)據(jù)，在開始處理數(shù)據(jù)之前，需要花費(fèi)很多時(shí)間搭建和配置機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境;在開始處理數(shù)據(jù)之后，面對高達(dá)12TB的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室的本地工作站猶如小馬拉大車，速度往往以周計(jì)算。

最終，研究團(tuán)隊(duì)決定采用上云方式，使用亞馬遜云科技的云上算力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不僅節(jié)省了長達(dá)數(shù)周的數(shù)據(jù)下載時(shí)間，而且通過使用Amazon SageMaker機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，不需要自己搭建機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境，既省時(shí)也省力。研究團(tuán)隊(duì)使用Amazon SageMaker處理Amazon S3上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存取速度比使用本地實(shí)驗(yàn)室算力提高了10倍，并僅用3個(gè)多月時(shí)間，就處理完成了包括1200份受試者數(shù)據(jù)的開源數(shù)據(jù)集，獲得了解碼精度達(dá)88.7%腦功能區(qū)可視化數(shù)據(jù)，讓整個(gè)研究項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短了三分之二，研究總周期減少了一半。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人齊勇博士表示，“使用亞馬遜云科技最大的好處就是方便快捷。不僅能快速準(zhǔn)備好海量數(shù)據(jù)，而且由于使用Amazon SageMaker開展機(jī)器學(xué)習(xí)，不用自己搭建機(jī)器學(xué)習(xí)環(huán)境，數(shù)據(jù)的處理均可以在云上進(jìn)行，從而解放了團(tuán)隊(duì)大量的精力。在2020年疫情期間，研究團(tuán)隊(duì)不用集中到實(shí)驗(yàn)室，通過遠(yuǎn)程即可實(shí)現(xiàn)協(xié)作，真正做到讓團(tuán)隊(duì)專注于研究項(xiàng)目上，節(jié)省了大量的寶貴時(shí)間。”

研究團(tuán)隊(duì)在此項(xiàng)目中形成的腦功能解碼可視化分析平臺(tái)，有望為腦科學(xué)研究提供腦部功能拓?fù)錉顟B(tài)探測儀器，借助功能核磁共振圖像(fMRI)探究皮膚觸覺與大腦認(rèn)知區(qū)域中血紅蛋白變化速率的定量分析方法。同時(shí)，運(yùn)用基于注意力模型的深度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)，與現(xiàn)有的醫(yī)療影像分析框架相結(jié)合，將大腦圖像信息快速解耦，分離得到腦部的拓?fù)涔δ芊峙錂C(jī)制，分析大腦皮層功能區(qū)域的變化特點(diǎn)，有助于識(shí)別各類腦疾病，判斷病灶部位，并對進(jìn)一步了解腦部功能機(jī)制提供非主觀可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本。

亞馬遜云科技大中華區(qū)商業(yè)事業(yè)部總經(jīng)理李曉芒表示，“亞馬遜云科技在云計(jì)算以及人工智能領(lǐng)域的愿景，簡單總結(jié)就是普惠。我們非常高興看到亞馬遜云科技的產(chǎn)品和服務(wù)能夠幫助陜西科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在人類腦部活動(dòng)這樣領(lǐng)先的科研項(xiàng)目中，做出有望讓眾多患者受益的研究成果，造福大眾，讓普惠的內(nèi)涵得到進(jìn)一步延伸?！?