肺結(jié)節(jié)人工智能在影像醫(yī)學(xué)本科生教學(xué)中的分析*

張聲旺，冷文潔，容鵬飛，陳 倩

(中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院:1.放射科;2.病理科，湖南 長沙 410013)

隨著計算機硬件和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，人工智能(AI)逐漸深入到影像醫(yī)學(xué)的臨床、教學(xué)與科研中[1-3]。影像醫(yī)學(xué)包括放射、超聲、核醫(yī)學(xué)等范疇，影像醫(yī)學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式為教師課堂授課、學(xué)生閱片實習(xí)的形式，教學(xué)主體主要以教師為主、學(xué)生為輔，傳統(tǒng)的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率不高、理論知識與臨床應(yīng)用脫節(jié)[4]。隨著現(xiàn)代影像技術(shù)的進步，影像醫(yī)學(xué)圖片已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化，尤其適合計算機深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用[5]。多項研究已經(jīng)證實，AI展示出相當(dāng)高甚至超越臨床醫(yī)生的能力[6-9]，已經(jīng)越來越多地融合到醫(yī)學(xué)教學(xué)中[10-12]。AI可以快速分析大量的圖像，提取病灶多層次定量特征，為肺部結(jié)節(jié)的定位、定性診斷提供可靠的依據(jù)[13]。將AI應(yīng)用于影像醫(yī)學(xué)教學(xué)中，幫助本科生能夠更好地識別、定性結(jié)節(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，在一定程度上可以實現(xiàn)教學(xué)的智能化、個性化。

1 輔助識別肺部結(jié)節(jié)

肺部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含血管、淋巴管、支氣管、肺泡等結(jié)構(gòu)，而且多類疾病如腫瘤、炎癥、結(jié)核、結(jié)締組織疾病等均可導(dǎo)致肺部結(jié)節(jié)形成，且結(jié)節(jié)形態(tài)各異、大小不一，人眼睛對于肺部小結(jié)節(jié)尤其是亞厘米結(jié)節(jié)辨認困難，對于密度較低的磨玻璃結(jié)節(jié)更是難上加難。因此，臨床醫(yī)生在診斷過程中或本科生在學(xué)習(xí)過程中會花費較長的時間去識別結(jié)節(jié)，且非常容易漏診。AI通過計算機的深度學(xué)習(xí)，應(yīng)用于肺部影像診斷中能夠快速、敏銳地識別各類結(jié)節(jié)，尤其是人眼睛容易漏診的微小結(jié)節(jié)，可以給臨床醫(yī)生和初學(xué)影像的本科生節(jié)約大量的寶貴時間。傳統(tǒng)教學(xué)模式下初學(xué)影像的本科生非常容易將血管斷面誤診肺部結(jié)節(jié)，也非常容易漏診為肺部小結(jié)節(jié)，因此初學(xué)影像學(xué)的本科生，很容易從心理上受到打擊，從而主觀性地認為肺部結(jié)節(jié)診斷非常困難、很難學(xué)好。AI輔助教學(xué)新模式下，學(xué)生首先自行識別肺部結(jié)節(jié)，再對照AI判斷的肺部結(jié)節(jié)，篩查假陽性結(jié)節(jié)、總結(jié)分析自己不足之處；AI能夠敏銳發(fā)現(xiàn)人眼較難分辨的5 mm以下的微小結(jié)節(jié)及磨玻璃結(jié)節(jié)，減少肺部結(jié)節(jié)的漏診。AI的輔助學(xué)習(xí)，幫助本科生及時分析、發(fā)現(xiàn)自己的不足，并且逐步深入學(xué)習(xí)肺部結(jié)節(jié)的診斷經(jīng)驗，有助于培養(yǎng)本科生的學(xué)習(xí)信心和學(xué)習(xí)興趣。因此，AI在影像教學(xué)中的應(yīng)用，將教師為主體的教師講授-學(xué)生閱片-教師答疑的傳統(tǒng)教學(xué)模式改變?yōu)閷W(xué)生觀察-AI診斷-學(xué)生對照學(xué)習(xí)-教師答疑的以學(xué)生為主體的智能化教學(xué)模式。

影像醫(yī)學(xué)對于臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生來說是一門非常重要的橋梁課程，在臨床工作中會遇到很多肺部結(jié)節(jié)查因的患者，肺部解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)節(jié)定位診斷需要精確到肺段水平，很多有經(jīng)驗的臨床醫(yī)生也難以較好地掌握肺部結(jié)節(jié)定位診斷的要領(lǐng)。而AI作為計算機科學(xué)的一個分支，能夠精準(zhǔn)定位肺部結(jié)節(jié)，作為一名本科生，在學(xué)習(xí)階段首先需要做到能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)節(jié)并定位結(jié)節(jié)。因此AI輔助教學(xué)有助于學(xué)生精準(zhǔn)定位肺部結(jié)節(jié)，在一定程度上緩解了本科生的難點、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在教師為主體的傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生單純聽教師授課，理論與實踐容易脫節(jié)[14]，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過程中容易漏診、誤診肺部結(jié)節(jié)，學(xué)習(xí)效率不高，引入AI后通過對照學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)、定位結(jié)節(jié)，因而更容易獲取結(jié)節(jié)診斷的經(jīng)驗。

2 輔助定性肺部結(jié)節(jié)

影像發(fā)現(xiàn)、定位肺部結(jié)節(jié)的目的是定性結(jié)節(jié)，給臨床提供有價值的治療決策。肺部結(jié)節(jié)的定性需要從結(jié)節(jié)的大小、形態(tài)、位置、密度、與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系等方面綜合分析，才能推斷結(jié)節(jié)的良、惡性，幫助臨床制定肺部結(jié)節(jié)的治療決策。即使有經(jīng)驗的臨床醫(yī)生，對肺部結(jié)節(jié)的定性診斷也需要細致分析結(jié)節(jié)特點才能得出相對可靠的診斷。對于初學(xué)影像診斷的本科生，分析結(jié)節(jié)的細節(jié)特點定性結(jié)節(jié)難度較大，且教師也沒有足夠的時間針對每名學(xué)生輔導(dǎo)、講授結(jié)節(jié)特點及定性證據(jù)。通過計算機深度學(xué)習(xí)開發(fā)的AI軟件能夠迅速分析結(jié)節(jié)特點，判斷結(jié)節(jié)內(nèi)是否包含實性或磨玻璃部分、結(jié)節(jié)的形態(tài)、結(jié)節(jié)邊緣輪廓及結(jié)節(jié)與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系等，能夠初步判斷結(jié)節(jié)的性質(zhì)。因此，本科生在自主診斷結(jié)節(jié)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合AI輔助診斷進行綜合分析，更容易準(zhǔn)確定性結(jié)節(jié)。因此AI也給教師節(jié)約了大量的講解時間，讓學(xué)生有更多的課堂時間進行自主、主動學(xué)習(xí)。因此，AI能夠幫助學(xué)生更好地自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生從被動學(xué)習(xí)改變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，更容易培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

3 實現(xiàn)教學(xué)精準(zhǔn)化、個性化

AI輔助教學(xué)將學(xué)生從被動學(xué)習(xí)改變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)模式，且在學(xué)習(xí)過程中能隨時對照AI進行學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是以教師為主體、由教師主導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，可能會導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)效率低、學(xué)習(xí)效果不理想，教師也沒有充足的時間對學(xué)生進行有針對地單獨講授。AI輔助教學(xué)模式下學(xué)生可以根據(jù)自身知識掌握情況隨時調(diào)整學(xué)習(xí)進度，遇到疑難的問題可以及時提問，教師也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況實施個性化輔導(dǎo)。傳統(tǒng)教學(xué)模式下教師統(tǒng)一安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度，不能兼顧不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進度，而AI輔助影像教學(xué)給教師創(chuàng)造了相對多余的時間實施個性化輔導(dǎo)。因此，AI在一定程度上實現(xiàn)了教學(xué)的精準(zhǔn)化、個性化。學(xué)生應(yīng)用AI軟件可以在任意時間、任意地點進行學(xué)習(xí)，可以根據(jù)其他課程進度自主調(diào)整影像學(xué)習(xí)的時間和進度。因此，AI在一定程度上也實現(xiàn)了影像教學(xué)的智能化。隨著計算機科學(xué)的快速發(fā)展，結(jié)合影像學(xué)學(xué)課的特點，精準(zhǔn)化、個性化、智能化教學(xué)已經(jīng)逐漸深入到影像醫(yī)學(xué)教學(xué)與臨床當(dāng)中。

4 提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教師教學(xué)效率

AI可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教師教學(xué)效率。傳統(tǒng)教學(xué)模式下教師統(tǒng)一安排學(xué)習(xí)進度，不能照顧學(xué)生的不同知識掌握情況，容易導(dǎo)致學(xué)生知識掌握不牢、學(xué)習(xí)效率低下、理論與臨床應(yīng)用脫節(jié)。AI輔助影像教學(xué)，學(xué)生可以自主、對照學(xué)習(xí)，可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況自主安排復(fù)習(xí)、預(yù)習(xí)，大大減少了教師答疑的時間，而且學(xué)生在與AI對照學(xué)習(xí)時處于相對封閉的環(huán)境，不會具有傳統(tǒng)上與教師溝通的壓力，更不會產(chǎn)生恐懼感。因此，AI輔助教學(xué)尤其適合不善于與教師溝通的學(xué)生。AI輔助影像教學(xué)也能夠提高對學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)[15]。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能夠體驗到AI分析肺部結(jié)節(jié)的思路和特點，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的思維能力，而且AI的使用留給學(xué)生更多的思考和想象時間，有助于學(xué)生影像思維能力的培養(yǎng)。因此，AI有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。對于教師而言，教師可以根據(jù)學(xué)生AI輔助下自主學(xué)習(xí)情況，針對學(xué)生的疑難問題實施精準(zhǔn)化、個性化教學(xué)，針對學(xué)生反映比較突出的少數(shù)問題可以具體講解，因此AI輔助教學(xué)在一定程度上也提高了教師的教學(xué)效率。

5 推動教學(xué)模式的改革

AI屬于計算機科學(xué)的分支，主要目的是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的工作，而對于影像學(xué)教學(xué)，本科生面對的主要為數(shù)字化圖像，所以AI具有獨到的優(yōu)勢。醫(yī)療設(shè)備越來越精密，在教學(xué)及臨床工作中患者的CT或MRI圖像量多、信息量非常大，決定了單純根據(jù)人眼診治疾病難度很大，尤其是初學(xué)影像學(xué)的本科生。教師講授教學(xué)內(nèi)容花費時間比較長、且教學(xué)效果不一定明確，AI輔助影像教學(xué)，推動了傳統(tǒng)的教師講授-學(xué)生被動聽課的教學(xué)模式，改變?yōu)榻處?、學(xué)生、人工智能三者結(jié)合的智能化教學(xué)模式。不僅僅針對本科生，影像專業(yè)的住培醫(yī)生、研究生同樣可以采用AI輔助進行學(xué)習(xí)。因此，AI推動了影像醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的深度改革與發(fā)展，使影像醫(yī)學(xué)的教學(xué)實現(xiàn)高度的數(shù)字化、智能化、精準(zhǔn)化成為可能。

6 引導(dǎo)學(xué)生合理應(yīng)用AI

隨著醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，影像醫(yī)學(xué)圖片已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化，AI作為計算機科學(xué)的一個分支能夠快速分析數(shù)字化圖片，且能準(zhǔn)確、快速地識別、定位并輔助定性肺部結(jié)節(jié)，可能會導(dǎo)致部分學(xué)習(xí)積極性不高的學(xué)生過度依靠AI軟件，而忽略了自主分析判斷步驟，可能會導(dǎo)致這部分學(xué)生的學(xué)習(xí)浮于表面、知識掌握不牢固，在臨床遇到類似問題時不能完全依靠自身知識結(jié)構(gòu)進行解決。因此，教師需要加強監(jiān)督，引導(dǎo)學(xué)生合理運用AI進行輔助學(xué)習(xí)。另外，在AI輔助教學(xué)模式下，與傳統(tǒng)教學(xué)模式比較，教師講授時間會相對減少，可能導(dǎo)致部分學(xué)生認為監(jiān)督減少，從而放松學(xué)習(xí)。因此，在影像醫(yī)學(xué)教學(xué)中教師需要加強管理，制定相應(yīng)的管理制度，明確影像學(xué)習(xí)的目的和要求，引導(dǎo)學(xué)生正確應(yīng)用AI輔助學(xué)習(xí)。學(xué)生合理利用AI輔助影像學(xué)習(xí)，增加了學(xué)習(xí)的自主性，提升了學(xué)習(xí)效率。目前。AI輔助教學(xué)還處于初級階段，難免還有各種問題，因此還需要教師加強管理和引導(dǎo)。

7 AI在教學(xué)中的不足與弊端

AI在影像醫(yī)學(xué)教學(xué)中帶來了很多的便利，具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景，但AI也具有一定不足。例如，AI在教學(xué)與臨床中的使用需要一定的經(jīng)費支持，對于經(jīng)費相對較少的偏遠地區(qū)存在經(jīng)費短缺問題，導(dǎo)致在教學(xué)中不能及時使用及更新。AI是計算機對一定的病例進行深度學(xué)習(xí)、具有一定的知識儲備后才能在教學(xué)與臨床中使用，所以診斷時不可能完全正確，會存在假陰性與假陽性，需要教師與學(xué)生結(jié)合個人知識儲備進行綜合研判。另外，科學(xué)合理使用AI輔助教學(xué)才能提高教師的教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，但過分依賴AI有可能導(dǎo)致教學(xué)與學(xué)習(xí)效率的退步。目前，AI在教學(xué)與臨床中的使用還處于初級階段，在教學(xué)中還處于初級的輔助地位，不能具體分析學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的優(yōu)勢與不足，針對不同學(xué)生還不能進行完全精準(zhǔn)的智能化輔導(dǎo)，不能將學(xué)生掌握的知識程度及時反饋給教師。因此，工程師還需要不斷升級AI軟件，完善軟件的不足之處，提高AI軟件在教學(xué)與臨床中的人性化、精確化、智能化水平，不斷提高AI軟件在教學(xué)中的地位與角色。

綜上所述，將AI融合到影像醫(yī)學(xué)教學(xué)中，推動以教師為主體的傳統(tǒng)教學(xué)模式改變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的智能化教學(xué)模式，解決了教師與學(xué)生之間缺少互動的問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效率。因此，在一定程度上實現(xiàn)了影像教學(xué)的精準(zhǔn)化、個性化、智能化，從而推動影像醫(yī)學(xué)教學(xué)模式的改革與發(fā)展。