人工智能輔助培訓(xùn)在產(chǎn)前超聲教學(xué)中的實證研究

雷 婷 鄭 巧 林美芳 謝紅寧

中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院 廣東廣州 510080

產(chǎn)前超聲是一項重要的醫(yī)學(xué)技術(shù),在妊娠并發(fā)癥和胎兒發(fā)育監(jiān)測中起著至關(guān)重要的作用[1-2]。然而,不同國家、地區(qū)、不同經(jīng)驗水平的操作者之間的效果差異很大[3-4]。產(chǎn)科超聲檢查具有高度的操作者依賴性,其所需技能是復(fù)雜的,包括手眼協(xié)調(diào)和圖像解讀,這突出了標準化培訓(xùn)對提高產(chǎn)科超聲整體質(zhì)量的重要性。

國際與國內(nèi)指南均制定了一組產(chǎn)前超聲篩查標準切面,可以很好地顯示胎兒的解剖結(jié)構(gòu),可作為培訓(xùn)的參考[5-7]。然而,在傳統(tǒng)產(chǎn)前超聲培訓(xùn)仍存在各種挑戰(zhàn)。根據(jù)文獻報道,造成超聲臨床實踐培訓(xùn)困難的主要因素包括孕婦志愿者資源有限[8]、具備超聲專業(yè)技能的教師缺乏[9]。此外,在傳統(tǒng)的臨床實踐訓(xùn)練中,學(xué)員獲取的圖像質(zhì)量通常在掃描完成后進行評估,這限制了提供及時反饋以進行改進的能力。因此,為了解決產(chǎn)前超聲實踐培訓(xùn)的巨大需求,與專家指導(dǎo)以及孕婦志愿者的資源有限之間的矛盾,亟需新的培訓(xùn)范式。

近年人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)取得了許多突破,而其在產(chǎn)科超聲領(lǐng)域的迅猛發(fā)展為產(chǎn)前超聲培訓(xùn)提供一個有希望的解決方案[10-12]。在產(chǎn)前超聲教學(xué)中,人工智能可以通過分析和解讀超聲圖像,提供即時的反饋和診斷輔助,這為學(xué)生和醫(yī)生提供了一個更加互動和實踐的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用人工智能算法來識別標準切面,可以使學(xué)員接受專家級別的實時指導(dǎo),彌合與專業(yè)知識的距離。近期,中國國家藥品監(jiān)督管理局(廣東機械注冊證號20211221372)批準了一種新的軟件——產(chǎn)前篩查人工智能輔助系統(tǒng),可以在掃查時實時評估所獲取的切面的質(zhì)量,提示超聲圖像中存在和缺失的結(jié)構(gòu),類似于產(chǎn)前超聲的實時掃查的GPS定位系統(tǒng)。

本中心針對目前產(chǎn)科超聲培訓(xùn)臨床實踐教學(xué)中存在的主要問題,開展相關(guān)實驗教學(xué)改革,并取得的一定成效。本文旨在通過對現(xiàn)有實踐分析,探討產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的潛力和優(yōu)勢,并提出相關(guān)的實施策略和挑戰(zhàn),推動產(chǎn)前超聲醫(yī)學(xué)教育的改革和創(chuàng)新。

1 對象與方法

1.1 研究對象

于2022年9月始,我們試點實施了產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的教學(xué)改革措施,招募16名沒有產(chǎn)科超聲經(jīng)驗的規(guī)培醫(yī)師。所有學(xué)員自愿參與,沒有任何補償。培訓(xùn)在中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院(國家認證的產(chǎn)前超聲培訓(xùn)基地)進行,所有學(xué)員都接受了人工智能輔助的臨床培訓(xùn)。

1.2 實施產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的策略

1.2.1 技術(shù)支持和基礎(chǔ)設(shè)施 配備先進的超聲設(shè)備和人工智能算法,以支持產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的實施。這些軟件和平臺應(yīng)具備友好的用戶界面和操作體驗,方便教師和學(xué)生進行使用。此外,應(yīng)根據(jù)實際需求進行功能拓展和優(yōu)化,以滿足不同教學(xué)場景和目標的要求。同時,為了確保學(xué)生和教師能夠隨時隨地使用超聲影像和分析結(jié)果,需要提供穩(wěn)定的云服務(wù)和遠程訪問。通過云端存儲和共享超聲影像和數(shù)據(jù),學(xué)生和教師可以方便地進行遠程學(xué)習(xí)和教學(xué),避免受到時間和空間的限制。產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的軟件和算法也需要不斷更新和優(yōu)化,特別是需要建立相應(yīng)的更新和維護機制,及時修復(fù)軟件漏洞和提供技術(shù)支持,以確保培訓(xùn)平臺的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2.2 教師培訓(xùn)和支持 教師在使用產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)時需要適應(yīng)新的教學(xué)模式和工具[13]。為教師提供相關(guān)的培訓(xùn)和支持,使他們熟悉產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的操作和應(yīng)用。教師需要了解超聲技術(shù)、人工智能算法和診斷知識,并學(xué)習(xí)如何解釋和引導(dǎo)學(xué)生正確理解和應(yīng)用產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)。此外,教師還需要學(xué)習(xí)如何引導(dǎo)學(xué)生正確理解和應(yīng)用產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn),建立教師交流和合作的平臺,促進經(jīng)驗共享。通過系統(tǒng)的教師培訓(xùn)和支持,可以幫助教師充分掌握產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的教學(xué)技能,提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

1.2.3 課程整合和設(shè)計 ①利用人工智能導(dǎo)航軟件在臨床實踐培訓(xùn)中實時導(dǎo)航(見圖1),解析圖像切面類別及切面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。人工智能導(dǎo)航軟件能夠準確識別超聲圖像中的切面類別,并輔助學(xué)生解析圖像內(nèi)部的結(jié)構(gòu),圖2為展示智能導(dǎo)航系統(tǒng)圖像解析過程典型圖片。這樣,學(xué)生在臨床實踐中就能夠更快地準確定位和識別相關(guān)解剖結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)前超聲檢查的準確性和效率。②將人工智能提供實時輔助解讀融入多樣化的案例學(xué)習(xí),整合入理論課程與病例分析課程:傳統(tǒng)的超聲培訓(xùn)中,學(xué)生通常通過回放歷史病例的超聲視頻來學(xué)習(xí)胎兒的正常解剖和異常聲像。而通過將人工智能提供的實時輔助解讀融入多樣化的案例學(xué)習(xí)中,學(xué)生可以在實際檢查中體驗并學(xué)習(xí)超聲影像的分析和解讀。將這種實時輔助解讀與理論課程和病例分析課程整合,能夠讓學(xué)生在不同場景中反復(fù)練習(xí),培養(yǎng)他們的觀察能力和判斷力。通過多樣化的案例學(xué)習(xí),學(xué)生可以接觸到不同類型和復(fù)雜程度的超聲影像,提高其診斷能力和實踐水平。③人工智能還可以根據(jù)學(xué)生在訓(xùn)練過程中的表現(xiàn),提供個性化的學(xué)習(xí)路徑和訓(xùn)練計劃。通過對學(xué)生訓(xùn)練過程中表現(xiàn)的分析,人工智能可以了解每個學(xué)生的弱點和知識盲區(qū),為其提供針對性的教學(xué)內(nèi)容和練習(xí)。這樣的個性化學(xué)習(xí)計劃可以最大程度地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,幫助他們更好地理解和掌握產(chǎn)前超聲技術(shù)。

圖1 人工智能軟件實時導(dǎo)航輔助產(chǎn)前超聲臨床實踐培訓(xùn)

圖2 智能導(dǎo)航系統(tǒng)圖像解析過程典型圖片

1.2.4 倫理和隱私保護 確保產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)過程中的數(shù)據(jù)安全和隱私保護。建立嚴格的數(shù)據(jù)管理和訪問權(quán)限控制機制,確保醫(yī)學(xué)影像和個人信息得到充分的保護和合規(guī)處理。同時,制定相關(guān)的準則,明確產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的使用和應(yīng)用范圍,防止濫用和誤解。

1.2.5 考核評價指標 考核評價指標包括學(xué)員獲取產(chǎn)前超聲圖像的能力、解讀產(chǎn)前超聲圖像的能力以及學(xué)員問卷調(diào)查三個方面:①獲取產(chǎn)前超聲圖像的能力評價:這個指標旨在評估學(xué)員在臨床真實場景中獲取產(chǎn)前超聲圖像的準確能力。學(xué)員需要掌握產(chǎn)前超聲指南要求的基本標準切面(丘腦平面、小腦橫切面、腹圍切面、心臟四腔心切面、肱骨及股骨長軸切面),并且能夠在實際操作中正確識別和獲取這些切面。評價通過模擬真實場景的產(chǎn)前超聲操作,在規(guī)定時間內(nèi),對其獲取圖像的準確性進行評估,根據(jù)2022版產(chǎn)科超聲規(guī)范化培訓(xùn)考核標準中國專家共識的評分規(guī)則進行評分[14]。②解讀產(chǎn)前超聲圖像的能力評價:這個指標著重評估學(xué)員對產(chǎn)前超聲圖像的解讀能力。通過設(shè)置一系列正常和異常圖像,學(xué)員需要在圖像中準確識別和鑒別不同器官和異常情況,這通過擬仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)[15-16]。評價人員可以根據(jù)學(xué)員對圖像的解讀準確性進行評估,從而評估其對產(chǎn)前超聲圖像的理解和診斷能力。③學(xué)員問卷調(diào)查評價:學(xué)員問卷調(diào)查是一種重要的反饋方式,可以幫助了解學(xué)員對人工智能輔助培訓(xùn)的感受和意見。問卷內(nèi)容包括兩個主要方面:a,人工智能輔助培訓(xùn)的益處:學(xué)員將被要求評價人工智能在產(chǎn)前超聲教學(xué)中的益處,是否對他們的學(xué)習(xí)有所幫助,是否提高了學(xué)習(xí)效率和技能水平。b,人工智能輔助培訓(xùn)的幫助方面:學(xué)員將被問及人工智能輔助培訓(xùn)中哪個方面對他們的幫助更大,提供的實時導(dǎo)航反饋是否更有價值,或者對于線下病例分析是否更有幫助。這將幫助教育者了解學(xué)員對不同教學(xué)模式的傾向,以優(yōu)化教學(xué)計劃。

2 教學(xué)實踐效果

2.1 獲取產(chǎn)前超聲圖像的能力評估結(jié)果

如表1所示,接受人工智能輔助培訓(xùn)改革后的學(xué)員在臨床真實場景中準確獲取產(chǎn)前超聲指南要求的標準切面的能力得到明顯提升。學(xué)員能夠熟練地操作超聲設(shè)備,按照規(guī)范要求定位和采集不同器官的圖像。評估結(jié)果顯示,絕大多數(shù)學(xué)員能夠達到或超過改革前預(yù)期的水平。

表1 人工智能輔助培訓(xùn)教改前后學(xué)員達到獲取切面能力所需培訓(xùn)量對比

2.2 解讀產(chǎn)前超聲圖像的能力評價結(jié)果

通過設(shè)置100張正常與異常圖像,在培訓(xùn)4周后進行考核,以準確率達80%以上為考核合格。其中,100.0%學(xué)員(16/16)考核合格,如表2顯示,與改革前相比產(chǎn)前超聲圖像的解讀能力上表現(xiàn)更出色。

表2 人工智能輔助培訓(xùn)教改前后學(xué)員達到獲取切面能力所需培訓(xùn)量對比

2.3 學(xué)員問卷調(diào)查評價

所有學(xué)員均認為人工智能輔助培訓(xùn)是有益的。其中,62.5%的學(xué)員(10/16)認為在臨床實踐中,人工智能實時反饋對他們的幫助更大。另有6.25%的學(xué)員(1/16)認為線下人工智能病例分析更有幫助,而31.25%的學(xué)員(5/16)認為兩者同樣有用。

3 討論

教學(xué)實踐結(jié)果顯示學(xué)員對產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的反饋普遍較為積極。通過人工智能的輔助,學(xué)員能夠更有效地獲取產(chǎn)前超聲圖像并解讀圖像,提高了他們的實踐技能和臨床能力。在臨床實踐中,學(xué)員從實時反饋中受益匪淺,能夠及時糾正錯誤和改進操作,增強了他們獲取標準切面的能力。鑒于所有學(xué)員在產(chǎn)前超聲圖像的解讀能力上表現(xiàn)合格,表明人工智能輔助培訓(xùn)在提升學(xué)員診斷能力方面發(fā)揮了積極的作用。產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)的潛力和優(yōu)勢總結(jié)如下:

3.1 提供實時反饋,提升學(xué)習(xí)效果

超聲圖像是以二維灰階成像為基礎(chǔ)的,抽象的超聲圖像對初學(xué)者來說很難理解,需要較強的空間想象能力[17]。在傳統(tǒng)的臨床實踐訓(xùn)練中,規(guī)培學(xué)員獲取的產(chǎn)前超聲圖像質(zhì)量通常在掃描完成后由教導(dǎo)老師進行點評,甚至?xí)驗榻虒?dǎo)老師繁忙的臨床工作及醫(yī)患溝通任務(wù)而延后,這限制了提供及時反饋以進行改進。產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)可以為學(xué)生提供快速的標準切面識別與異常聲像的檢測。通過人工智能算法對大量超聲影像進行分析和識別,學(xué)生可以獲得圖像標準化程度準確評價、解剖結(jié)構(gòu)檢測、異常聲像特征的反饋。這有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,加深對胎兒發(fā)育和相關(guān)疾病的理解。此外,與成人超聲不同,胎兒的位置由于胎動而變化很大,圖像采集具有很大的挑戰(zhàn)性。通過提供實時的反饋,可以幫助學(xué)員迅速調(diào)整探頭方向,類似于駕駛時的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。這種反饋性的學(xué)習(xí)可以提高學(xué)生的技能水平,使他們更加熟練地進行胎兒超聲檢查,并更好地應(yīng)對臨床實踐中的挑戰(zhàn)。

3.2 減少專家指導(dǎo)依賴

產(chǎn)前超聲篩查作為一項高度依賴操作者技能的醫(yī)學(xué)檢查,通常需要經(jīng)驗豐富的專家提供指導(dǎo)和反饋[18]。受訓(xùn)者至少需要在專家指導(dǎo)下進行300次以上的產(chǎn)前超聲掃查才能達到要求。這意味著每個學(xué)員至少需要消耗100 h以上的專家指導(dǎo)時長。在某些國家和地區(qū),特別是低收入國家和地區(qū),專家資源相對稀缺,這給學(xué)員獲得充足的專家指導(dǎo)帶來了困難。然而,通過產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn),可以顯著減少對專家指導(dǎo)的依賴。人工智能輔助培訓(xùn)系統(tǒng)具備實時反饋功能,能夠?qū)W(xué)員的操作進行即時分析和評估。在學(xué)員進行產(chǎn)前超聲掃查的過程中,人工智能系統(tǒng)可以即時識別和糾正錯誤操作,并提供準確的檢查結(jié)果評估。這種實時反饋有助于學(xué)員及時發(fā)現(xiàn)和糾正問題,避免了在等待專家指導(dǎo)時可能產(chǎn)生的錯誤和誤解。此外,通過反復(fù)練習(xí)和與人工智能系統(tǒng)的互動,學(xué)員可以逐漸提高其技能水平和自信心。因此,這種自主學(xué)習(xí)的模式有助于培養(yǎng)學(xué)員的臨床思維和判斷能力,減少對專家指導(dǎo)的依賴。

3.3 虛擬仿真培訓(xùn),節(jié)約孕婦志愿者資源

產(chǎn)前篩查的超聲臨床實踐培訓(xùn)通常需要大量孕婦志愿者的參與,以提供足夠的真實超聲影像供學(xué)生練習(xí)。然而,對于地廣人稀的國家和地區(qū),招募足夠的志愿者是非常困難的。通過人工智能的虛擬仿真技術(shù),學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)前超聲檢查的實踐培訓(xùn),而無需實際的孕婦參與。這樣可以節(jié)約寶貴的孕婦志愿者資源,減輕對她們的負擔,并確保學(xué)生的實踐機會不受限制。另外,與傳統(tǒng)的臨床實踐相比,虛擬仿真培訓(xùn)可以模擬真實的產(chǎn)前超聲檢查過程,包括操作儀器、選擇探頭、調(diào)整參數(shù)等。學(xué)生可以通過與虛擬模型互動,了解每個步驟的正確操作和注意事項。這種真實模擬有助于學(xué)生逐步熟悉檢查流程,培養(yǎng)臨床思維和判斷能力。第三,受益于虛擬仿真培訓(xùn),學(xué)生可以在低壓力的環(huán)境下進行實踐,減少由于初學(xué)者不熟練而可能帶來的影響。他們可以在錯誤和失誤中學(xué)習(xí),并逐漸提高技能水平。

需要注意的是,雖然人工智能在產(chǎn)前超聲教學(xué)中具有很大的潛力,但它并不能完全取代傳統(tǒng)的教學(xué)方法和臨床實踐。傳統(tǒng)的教學(xué)和實踐經(jīng)驗仍然是不可或缺的,而人工智能只是作為輔助工具來增強教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

總體而言,人工智能的培訓(xùn)新范式在產(chǎn)前超聲教學(xué)改革中提供了許多創(chuàng)新和潛力。通過結(jié)合人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)的教學(xué)方法,推動產(chǎn)前超聲人工智能輔助培訓(xùn)在醫(yī)學(xué)教育中的廣泛應(yīng)用,從而實現(xiàn)更高效、更精準的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果,最終更有效地培養(yǎng)專業(yè)的產(chǎn)前超聲醫(yī)師,并為孕產(chǎn)婦和胎兒的健康提供更好的醫(yī)療服務(wù)。