人工智能技術(shù)在胃腸外科教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

李倩,李力,高云鶴（.北京京都兒童醫(yī)院,北京 02208;2.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心,北京 00853;3.解放軍醫(yī)學(xué)院研究生院,北京 00853）

人工智能（artificial intelligence，AI）的技術(shù)和概念起源自二十世紀(jì)中葉[1]，最早由英國(guó)數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈提出的圖靈機(jī)概念演變而來(lái)。1956年召開(kāi)的達(dá)特茅斯（Dartmouth）學(xué)院會(huì)議上，麥卡錫等人正式提出人工智能的概念并被廣泛接受，其主要是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和程序能夠模仿人類智能的學(xué)習(xí)、推理、感知、語(yǔ)言理解和問(wèn)題解決等方面的能力，并用以執(zhí)行各種任務(wù)。人工智能技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)有的醫(yī)學(xué)知識(shí)成系統(tǒng)地整合，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)適當(dāng)推理并模擬人體器官組織等感知信息，近年來(lái)也逐漸被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)知識(shí)和技能教學(xué)中。本文將匯總AI技術(shù)在外科學(xué)分支之一——胃腸外科教學(xué)中應(yīng)用的最新證據(jù)和研究，對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)況、發(fā)展趨勢(shì)和所存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行系統(tǒng)論述。

1 人工智能輔助病情評(píng)估及診療教學(xué)

1.1 模擬病史采集及體格檢查 患者病史的采集工作是胃腸外科教學(xué)的重要一環(huán)。人工智能領(lǐng)域中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠?qū)Ａ康牟v資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從中提取、總結(jié)規(guī)律和模式，再經(jīng)過(guò)自然語(yǔ)言處理（Natural language processing，NLP）[2]，向醫(yī)學(xué)生呈現(xiàn)患者的病史和癥狀等信息，再根據(jù)醫(yī)學(xué)生記錄書(shū)寫(xiě)的病歷資料進(jìn)行采集完整度的評(píng)估，從而協(xié)助提高受試者病史采集和病例特征的總結(jié)歸納能力。

標(biāo)準(zhǔn)化病人（Standardized patient，SP）是指經(jīng)過(guò)一定培訓(xùn)后，模擬臨床患者的癥狀、病史和心理狀態(tài)，在臨床教學(xué)和技能操作中扮演病人，起到指導(dǎo)教學(xué)和評(píng)估作用的人員。人工智能可將胃腸外科關(guān)于問(wèn)診和體格檢查的教學(xué)考核數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，并按一定的規(guī)則進(jìn)行清洗和整理，最終形成考核的不同要點(diǎn)。通過(guò)軟件模擬SP或協(xié)助真實(shí)SP指導(dǎo)學(xué)習(xí)人員掌握胃腸外科的教學(xué)知識(shí)。同時(shí)，人工智能技術(shù)還可以做到二次加工和深度學(xué)習(xí)，將已完成的問(wèn)診和體格檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、總結(jié)，從而進(jìn)一步完善人工智能模擬SP的問(wèn)診交流能力和知識(shí)儲(chǔ)備。

1.2 內(nèi)鏡檢查和影像學(xué)檢查 以胃腸外科最常見(jiàn)的消化道腫瘤為例，胃腸鏡檢查是較為常用的篩查確診手段。以人工智能為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助診斷（computer-aided detection，CAD）的胃腸鏡篩查的臨床研究均顯示計(jì)算機(jī)輔助診斷組的胃腸早癌診斷的敏感性和特異性均較人工組有顯著提升。近期，有國(guó)內(nèi)學(xué)者將人工智能技術(shù)應(yīng)用于小腸膠囊內(nèi)鏡檢查，AI輔助識(shí)別息肉、炎癥、憩室等病變的總檢出率提高了16.34%，并大幅縮短了閱片和診斷時(shí)間[3]。而在CT影像診斷方面，基于影像組學(xué)數(shù)據(jù)和人工智能挖掘的更多參數(shù)，如胃腸道腫瘤的精準(zhǔn)分期、分化程度、血流信號(hào)及脈管神經(jīng)浸潤(rùn)，在胃腸腫瘤的影像學(xué)教學(xué)中能夠得到更多的展示[4-6]。而在胃腸外科良性疾病，如急性腸系膜缺血性疾病、炎癥性腸病的疾病診斷、病程進(jìn)展方面，基于機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine learning-based）的評(píng)估模型的建立和應(yīng)用也為外科教學(xué)提供了新的思路和方向[7-8]。

1.3 人工智能輔助PBL及CBL教學(xué) 人工智能可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，充分檢索最新的循證醫(yī)學(xué)證據(jù)，針對(duì)不同的胃腸道疾病提供最新的診療指南和專家共識(shí)等專業(yè)信息，為不同的胃腸道外科病例提供較為全面的記錄、歸納和分析，進(jìn)而形成更新的病情評(píng)估分析教程，并可設(shè)置圍繞病例的相關(guān)引導(dǎo)問(wèn)題以及解答，提高PBL（Problem based learning）和CBL（Case study based learning）的教學(xué)效果。教學(xué)導(dǎo)師也可根據(jù)人工智能提供的病例情景設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，并對(duì)教學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的臨床知識(shí)點(diǎn)傳授、問(wèn)題解答、引導(dǎo)討論、臨床思維培養(yǎng)，不斷優(yōu)化、調(diào)整AI輔助教學(xué)的模式。

2 虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助手術(shù)教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是AI技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方向和領(lǐng)域，其主要通過(guò)計(jì)算機(jī)和傳感器設(shè)備，創(chuàng)造和模擬一種完全沉浸的虛擬人機(jī)交互環(huán)境，使體驗(yàn)者可以感受到身臨其境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬患者與醫(yī)務(wù)工作者的互動(dòng)溝通環(huán)境，提高醫(yī)學(xué)生在檢查、溝通過(guò)程中病史采集、病歷分析歸納、診療決策的能力。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是將虛擬數(shù)字信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，通過(guò)圖像、聲音、文本等感知元素豐富和增強(qiáng)體驗(yàn)者對(duì)真實(shí)世界感知的技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)目前主要依靠虛擬圖像和人體真實(shí)圖像的同步疊加實(shí)現(xiàn)。有研究[9]表明，經(jīng)過(guò)AR模擬系統(tǒng)訓(xùn)練的外科醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線和手術(shù)成功率均有明顯改善。

基于VR或AR技術(shù)的胃腸外科培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)通常利用多媒體技術(shù)、數(shù)字影像技術(shù)和仿真技術(shù)相結(jié)合，生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)一體化的虛擬手術(shù)環(huán)境，受訓(xùn)者可借助改進(jìn)的手術(shù)操作設(shè)備對(duì)虛擬或虛擬疊加現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的組織器官進(jìn)行操作訓(xùn)練。VR和AR技術(shù)可在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)操作的模擬，如在虛擬環(huán)境中進(jìn)行腹腔鏡器械訓(xùn)練[10]，包括器械的熟悉使用、雙手配合、夾持、分離切割、凝血止血、縫合打結(jié)等，甚至可模擬小型組織器官手術(shù)的施行等。研究表明，VR和AR技術(shù)在縫合打結(jié)等復(fù)雜操作方面較傳統(tǒng)箱式訓(xùn)練器效果更勝一籌。除此以外，VR和AR技術(shù)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)根據(jù)空間信息模擬3D環(huán)境，根據(jù)電運(yùn)動(dòng)計(jì)算模擬觸覺(jué)反饋，為醫(yī)學(xué)生提供多維度的感知信息。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以模擬手術(shù)中出血、器官損傷等并發(fā)癥或意外情況的案例，并提供相應(yīng)的處理方法，在安全的條件下提高醫(yī)學(xué)生處理復(fù)雜疑難問(wèn)題的能力。

3 遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教學(xué)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，通訊系統(tǒng)的高速率、低延時(shí)優(yōu)勢(shì)與機(jī)器人系統(tǒng)的日臻成熟，使遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)和遠(yuǎn)程手術(shù)成為可能，并在近年來(lái)發(fā)展迅速。2023年內(nèi)已有多例通過(guò)5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)器人輔助胃癌根治術(shù)、結(jié)腸癌根治術(shù)、膽囊切除術(shù)等開(kāi)展的報(bào)道[11]，術(shù)者端與患者端最長(zhǎng)跨越地域超過(guò)3000千米，從術(shù)者端到手術(shù)器械的信號(hào)傳導(dǎo)延遲在1-10ms，對(duì)手術(shù)操作的精確度和完成度已日臻完善。遠(yuǎn)程機(jī)器人胃腸外科手術(shù)不但解決了患者異地就醫(yī)不便的困難，同時(shí)也給手術(shù)操作教學(xué)帶來(lái)了新的契機(jī)，能夠使身處不同地域的學(xué)員實(shí)時(shí)觀摩、交流，精進(jìn)手術(shù)操作技巧，進(jìn)一步縮短疑難復(fù)雜手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。

遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教學(xué)還可設(shè)置于門(mén)診實(shí)踐教學(xué)中，晚期胃腸腫瘤和復(fù)雜胃腸外科疾病的患者往往需要多學(xué)科協(xié)作診療，在聯(lián)合門(mén)診設(shè)置5G可視化云平臺(tái)，通過(guò)高清攝像系統(tǒng)和5G信號(hào)傳輸，能夠較好地展示患者的癥狀體征和輔助檢查，并能完整展示多學(xué)科專家討論、分析病情的全過(guò)程，起到近似于面對(duì)面教學(xué)的作用。

4 展望與挑戰(zhàn)

盡管人工智能在許多領(lǐng)域均展示了其高效性與準(zhǔn)確性，但其在醫(yī)學(xué)及醫(yī)學(xué)教育中的廣泛和深度應(yīng)用仍存在一定的局限性。人工智能在胃腸外科教學(xué)應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：①人工智能系統(tǒng)的信息來(lái)源的準(zhǔn)確性：由于人工智能的信息來(lái)源主要依賴于互聯(lián)網(wǎng)抓取，在專業(yè)性知識(shí)的獲取和呈現(xiàn)方面難免出現(xiàn)良莠不齊；②人工智能技術(shù)生成信息過(guò)程的黑箱性：因教育者或醫(yī)學(xué)生對(duì)內(nèi)容生成過(guò)程的算法不了解，在內(nèi)容生成的方法上需要同計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)人員保持密切溝通，以確保人工智能生成算法的準(zhǔn)確性和專業(yè)性；③人工智能的成本：人工智能技術(shù)依賴于編譯的算法，也基于計(jì)算機(jī)芯片的運(yùn)算能力、內(nèi)容輸出設(shè)備的先進(jìn)性以及操作訓(xùn)練設(shè)備的獨(dú)特性，故目前人工智能輔助醫(yī)學(xué)訓(xùn)練的成本仍然較高，需要通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)、優(yōu)化才能付諸大規(guī)模應(yīng)用。

但隨著人工智能理念和技術(shù)的進(jìn)一步完善，其在醫(yī)學(xué)尤其是胃腸外科教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展也將朝著更加真實(shí)、更加科學(xué)和更加低成本的方向邁進(jìn)，并逐步成為推動(dòng)我國(guó)智能醫(yī)學(xué)教育改革的重要組成部分，從而進(jìn)一步提高胃腸外科的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，使廣大患者受益。