劉 麗 李 夢(mèng) 吳 毅 肖晶晶

1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與影像醫(yī)學(xué)系數(shù)字醫(yī)學(xué)教研室 重慶 400038

2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 重慶 400037

隨著人工智能技術(shù)的興起，各行各業(yè)都發(fā)生著深刻的變化。教育作為一切行業(yè)發(fā)展的必要基礎(chǔ)，將人工智能應(yīng)用于教育領(lǐng)域，彌補(bǔ)當(dāng)前存在的種種缺陷和不足，對(duì)推動(dòng)教學(xué)現(xiàn)代化和教育發(fā)展改革具有深遠(yuǎn)意義[1]。醫(yī)學(xué)影像學(xué)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)間的橋梁[2]。日益增長(zhǎng)的臨床需求對(duì)高素質(zhì)的影像科醫(yī)生的培養(yǎng)提出了更高要求，而當(dāng)下傳統(tǒng)的影像學(xué)教學(xué)模式卻面臨挑戰(zhàn)。

1 醫(yī)學(xué)影像課程教學(xué)的現(xiàn)狀

1.1 醫(yī)學(xué)影像學(xué)課程內(nèi)容復(fù)雜 實(shí)踐性強(qiáng)

醫(yī)學(xué)影像學(xué)作為一門完整的課程體系，內(nèi)容廣泛，需要各類技術(shù)的深度融合與交叉，具體表現(xiàn)為，(1)不但要掌握人體解剖學(xué)、內(nèi)、外、婦、兒等醫(yī)學(xué)知識(shí)，還需掌握信號(hào)原理、影像技術(shù)等工科知識(shí)[3]；(2)影像學(xué)生還需具備影像的獨(dú)立分析和判斷的能力。影像診斷作為臨床診斷和治療依據(jù)，患者病狀表現(xiàn)多樣，病狀解讀不僅依靠專業(yè)知識(shí)，更依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)。如何積累診斷經(jīng)驗(yàn)，將理論知識(shí)用于實(shí)踐，是影像科學(xué)生成長(zhǎng)中的一道難題[4]。

1.2 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像教學(xué)模式有待完善

將解剖知識(shí)和影像知識(shí)相結(jié)合，理論知識(shí)和實(shí)踐過程相結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來了一定的挑戰(zhàn)。目前各大醫(yī)學(xué)院校的醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)多以講座為主，結(jié)合教材和多媒體課件的授課，受到教學(xué)時(shí)間和地點(diǎn)的限制，主要呈現(xiàn)以教師為中心的教學(xué)模式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性[5]；實(shí)踐教學(xué)主要為短暫的臨床實(shí)習(xí)帶教模式，通過案例式教學(xué)對(duì)疑難案例進(jìn)行教學(xué)，教師不了解學(xué)生，當(dāng)學(xué)生遇到問題時(shí)往往得不到及時(shí)有效的指導(dǎo)，缺乏個(gè)性化教學(xué)和交互式指導(dǎo)。

1.3 影像科醫(yī)生的專業(yè)水平有待加強(qiáng)

作為影像數(shù)據(jù)和臨床治療之間的紐帶，目前醫(yī)院影像的診斷主要依靠放射科醫(yī)生，影像數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，實(shí)踐教學(xué)時(shí)間的不足，導(dǎo)致高水平的放射科醫(yī)生的嚴(yán)重匱乏[6]，加重了放射科醫(yī)生的診斷壓力。特別是對(duì)于心臟類疾病，因?yàn)槠浣馄屎蜕砩系膹?fù)雜性，使得心臟的疾病診斷成為影像科醫(yī)生診斷的難點(diǎn)。

2 面向臨床醫(yī)學(xué)的對(duì)策分析

2.1 智能互動(dòng)教育平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的必要性

如何克服上述問題，促進(jìn)理論與影像診斷的融合，打破傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式，推進(jìn)以學(xué)生為主體的教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，快速培養(yǎng)具有高素質(zhì)的影像科醫(yī)生，從而緩解臨床影像科醫(yī)生短缺的壓力，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育面臨的問題。

重視人工智能在教育中應(yīng)用的研究，借助人工智能技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)理念，改變教學(xué)模式，為學(xué)生提供交互式的教育體系具有重要的作用[7]。人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中的引入，對(duì)于解決醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育當(dāng)前的困境，改革教學(xué)模式，培養(yǎng)適用于臨床的影像醫(yī)生具有重要意義。

以心臟影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能算法，開發(fā)心臟疾病虛擬診斷培訓(xùn)與考核的智能系統(tǒng)，為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的學(xué)生以及低年資醫(yī)生提供更為直觀的影像學(xué)習(xí)工具，有助于縮短他們對(duì)心臟疾病診斷的認(rèn)知學(xué)習(xí)周期。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體辦法

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

心臟影像數(shù)據(jù)包括CT血管造影(Computed Tomography Angiogram，CTA)和心臟MR影像數(shù)據(jù)。CTA成像作為一種無創(chuàng)影像檢查，是心血管診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。心臟MR由于其高密度分辨率，能較好地反映心肌的缺血、纖維化等情況，逐漸成為心功能檢測(cè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”[8]。

CTA圖像數(shù)據(jù)采集采用雙源螺旋CT(SOMATOM Definition Flash，SIEMENS，德國(guó))，選擇碘帕醇為造影劑。利用CT獨(dú)立工作站的心功能分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行心臟三維重建、曲面重建、最大密度投影等處理后備用。

心臟MR圖像數(shù)據(jù)采用1.5 T磁共振掃描儀(Signa HDxt，GE，美國(guó))，定位二腔心位、四腔心位和左室短軸位掃描。得到圖像后由兩位有診斷經(jīng)驗(yàn)放射科醫(yī)師分析圖像，觀察圖像掃描質(zhì)量，心臟形態(tài)、結(jié)構(gòu)、電影以及延遲強(qiáng)化圖像后備用。

2.2.2 智能互動(dòng)教育平臺(tái)

智能互動(dòng)教育平臺(tái)包含3個(gè)模塊，分別為在線學(xué)習(xí)模式、培訓(xùn)環(huán)節(jié)和臨床輔助診斷環(huán)節(jié)。

在線學(xué)習(xí)模式，學(xué)生在教學(xué)或者臨床實(shí)習(xí)的過程中，可導(dǎo)入CTA/MR圖像，對(duì)圖像作預(yù)處理、標(biāo)注結(jié)構(gòu)病灶、圖像邊緣檢測(cè)、分割、測(cè)量等操作，并放大、縮小、旋轉(zhuǎn)三維圖像，360度全方位查看心臟結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，查看心臟對(duì)應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)的CTA/MR的影像學(xué)表現(xiàn)及影像專業(yè)用語，幫助學(xué)習(xí)心臟影像知識(shí)。

圖1 心臟四心腔圖像偽彩圖

培訓(xùn)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)提供海量的可視化三維心臟圖像，學(xué)生可根據(jù)需要選擇并對(duì)圖像作描述、分析、預(yù)判等，再由系統(tǒng)對(duì)診斷結(jié)果做出預(yù)判和評(píng)估，系統(tǒng)將記錄偏差最大的病例，并根據(jù)反饋算法，將找到具有類似屬性的病例進(jìn)行推送，便于學(xué)生對(duì)相似病例的強(qiáng)化訓(xùn)練(如圖2所示)。

圖2 智能聚類反饋強(qiáng)化學(xué)習(xí)流程

臨床輔助診斷環(huán)節(jié)，系統(tǒng)給出引導(dǎo)(如圖3所示)，學(xué)生根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)操作，引導(dǎo)學(xué)生完成培訓(xùn)或輔助診斷，并由高年資的醫(yī)生在整個(gè)過程進(jìn)行中評(píng)估和疑難解答。

圖3 智能反饋系統(tǒng)

2.2.3 軟件以及實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

項(xiàng)目以Python語言為交互式界面設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)的處理器為Intel(R)Core(TM) CPU i5-7300HQ@2.5GHz、內(nèi)存8.00GB、操作系統(tǒng)為Windows 7；平臺(tái)界面如圖4、圖5所示。

圖4 智能培訓(xùn)與考核系統(tǒng)二維界面

圖5 智能培訓(xùn)與考核系統(tǒng)三維界面

學(xué)生在該平臺(tái)注冊(cè)賬戶，通過賬戶登錄進(jìn)行影像學(xué)習(xí)，克服了時(shí)間和空間的限制。平臺(tái)含有記錄日志的功能，當(dāng)下一次登錄時(shí)同步更新學(xué)習(xí)記錄。除了具有在線學(xué)習(xí)、培訓(xùn)和臨床輔助診斷環(huán)節(jié)外，還設(shè)置討論區(qū)，學(xué)生可針對(duì)當(dāng)前病例實(shí)時(shí)討論或者留言發(fā)表自己的看法，促進(jìn)交流。平臺(tái)界面簡(jiǎn)單明了、操作輕松，通過反復(fù)練習(xí)和總結(jié)，便于學(xué)生臨床影像經(jīng)驗(yàn)的積累，為以后進(jìn)入臨床工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

構(gòu)建了一個(gè)面向心臟疾病的輔助醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)的智能互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)。該平臺(tái)可導(dǎo)入CTA/MR心臟影像數(shù)據(jù)，包含影像中心臟解剖結(jié)構(gòu)識(shí)別功能，影像學(xué)的診斷學(xué)習(xí)和反饋功能，對(duì)于幫助影像科學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)的融合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，縮短初上臨床時(shí)對(duì)心臟疾病影像表現(xiàn)的認(rèn)知周期，對(duì)提高培養(yǎng)高專業(yè)素養(yǎng)影像科醫(yī)生的效率具有重要意義。

人工智能技術(shù)對(duì)于醫(yī)學(xué)影像中的教學(xué)模式的改革，教學(xué)模式的創(chuàng)新發(fā)揮了巨大的作用。本文中僅僅使用了“弱人工智能”，實(shí)現(xiàn)的是教學(xué)流程的創(chuàng)新[9]，如何使“弱人工智能”向“類人工智能”過渡，影響醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)策略和教學(xué)評(píng)價(jià)等各方面，更好地服務(wù)于臨床高技術(shù)人才的培養(yǎng)，是今后醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育領(lǐng)域探索的方向。