基于知識(shí)圖譜特征的影像病例庫構(gòu)建：設(shè)想與實(shí)踐

魏曉婷 周旭輝 馬微妹 謝新鳳 蔡南盛 張桂智

知識(shí)圖譜（knowledge graph）是由實(shí)體和關(guān)系組成的多關(guān)系圖，其中實(shí)體被視為“節(jié)點(diǎn)”，關(guān)系被視為“邊”，各“節(jié)點(diǎn)”通過“邊”相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀知識(shí)庫，把碎片化的信息、知識(shí)進(jìn)行融合、歸納、分析及管理［1］。

醫(yī)療領(lǐng)域知識(shí)具有專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)密集、信息復(fù)雜等特點(diǎn)，是知識(shí)圖譜應(yīng)用較為廣泛的垂直領(lǐng)域之一。近年來，多個(gè)醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用被提出，例如由北京大學(xué)、鄭州大學(xué)共同研發(fā)的中文醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜CMeKG［2］、上海曙光醫(yī)院構(gòu)建的中醫(yī)藥知識(shí)圖譜等［3］。除此之外，也有學(xué)者構(gòu)建了便利于患者的基于知識(shí)圖譜、深度學(xué)習(xí)和社交媒體的問診推薦系統(tǒng)［4］，從多個(gè)維度為患者提供就醫(yī)推薦服務(wù)。趙悅淑等［5］通過檢索1990—2020 年30 年間中國(guó)知網(wǎng)和PubMed 中文醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜文獻(xiàn)并分析，得出結(jié)論：中文醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜起步于2009 年，并在2018—2020 年快速發(fā)展，其中發(fā)展進(jìn)步較大的方向主要為中醫(yī)藥、影像智能及疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等。

當(dāng)知識(shí)圖譜被應(yīng)用于教育領(lǐng)域時(shí)，其實(shí)質(zhì)是將課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行解析，并挖掘各知識(shí)點(diǎn)間的潛在關(guān)系。在知識(shí)圖譜的幫助下，各種學(xué)習(xí)資源，如圖像、文字、測(cè)試、多媒體等，都能以其最適宜的方式、可視化地展示知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系和邏輯脈絡(luò)，形成緊密相連的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)隱藏的“知識(shí)孤島”，為學(xué)生提供全方位、多模態(tài)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于構(gòu)建知識(shí)體系［6］。

醫(yī)學(xué)影像學(xué)是一門應(yīng)用基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)相互交叉和滲透、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。傳統(tǒng)的大班理論教學(xué)結(jié)合示教課均以講授教學(xué)法為主，在醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)中存在比較多的局限性，例如缺乏空間立體感、難以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣及積極性、無法結(jié)合影像特征與病理生理關(guān)系等。因此，引入新型教育模式，實(shí)現(xiàn)多樣化、多層次、多模態(tài)教學(xué)，對(duì)提升醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)效果具有積極意義。

本研究將通過構(gòu)建一個(gè)基于知識(shí)圖譜特征的非在線局域網(wǎng)影像示教病例網(wǎng)頁，融合傳統(tǒng)教學(xué)模式，以期建立基礎(chǔ)-臨床-前沿相結(jié)合的立體知識(shí)結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、自主學(xué)習(xí)能力及獨(dú)立思考能力，提高綜合分析、增進(jìn)疾病診斷及鑒別診斷思路的能力。

1 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)模式存在的問題

醫(yī)學(xué)影像學(xué)通過影像技術(shù)手段對(duì)人體器官形態(tài)和功能改變進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合相關(guān)臨床指標(biāo)進(jìn)行綜合分析而作出診斷，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，逐漸由單純形態(tài)和功能評(píng)價(jià)進(jìn)展到代謝、分子學(xué)研究，由診斷向診斷和治療共存的臨床綜合學(xué)科發(fā)展［7］，涉及的相關(guān)知識(shí)碎片大量增長(zhǎng)，積沙成塔，如果無法將碎片化知識(shí)加以整合，則難以構(gòu)建診斷思路。

傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像學(xué)教課多基于器官疾病，以教師為中心傳授理論知識(shí)，通過1～3 張典型病例圖像展示最關(guān)鍵的影像特征，能即時(shí)形成對(duì)疾病直觀印象，但過于簡(jiǎn)單、局限，不僅缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，且無法形成立體結(jié)構(gòu)思維，實(shí)際應(yīng)用能力差，教學(xué)與臨床應(yīng)用存在較大斷層。

2 基于知識(shí)圖譜特征的影像病例庫設(shè)計(jì)理念

“熟悉正常，發(fā)現(xiàn)異?！?是醫(yī)學(xué)影像學(xué)臨床應(yīng)用第一步，解剖是影像診斷的形態(tài)基礎(chǔ)，只有熟悉解剖，才能識(shí)別正常組織和異常病變，并對(duì)病變做出定位。生理和病理是影像診斷的關(guān)鍵，理解正常生理改變，有助于對(duì)器官功能進(jìn)行評(píng)價(jià)；而疾病影像表現(xiàn)，包括病灶信號(hào)/密度、內(nèi)部征象、強(qiáng)化模式等均有其相對(duì)應(yīng)的病理改變，掌握疾病相關(guān)病理改變、了解病理機(jī)制有助于提高診斷信心，對(duì)準(zhǔn)確性及診斷是至關(guān)重要的。因此，整合生理學(xué)、病理學(xué)、解剖學(xué)及影像學(xué)知識(shí)，能更好地在臨床實(shí)踐中將理論知識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、應(yīng)用，為疾病診斷和鑒別診斷提供理論基礎(chǔ)。診治是影像診斷的目的，診斷是影像在臨床應(yīng)用中的首要目的，但為臨床提供治療依據(jù)及對(duì)治療后療效的評(píng)估也是影像的重要任務(wù)。關(guān)注疾病的相關(guān)治療指南，回答臨床關(guān)注問題并進(jìn)行延展性思考，例如提供是否有周圍侵犯、轉(zhuǎn)移等相關(guān)信息也是重要內(nèi)容。綜上所述，建立解剖-生理及病理基礎(chǔ)-臨床-前沿相結(jié)合的立體知識(shí)結(jié)構(gòu)或許是醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)改革的大方向。

基于知識(shí)圖譜特征的醫(yī)學(xué)影像學(xué)整合教學(xué)，將解剖、生理及病理、影像、臨床及前沿結(jié)合，在節(jié)約查閱、翻找資料的同時(shí)，提高了教學(xué)的效率及效果。將完整影像圖像拷貝、導(dǎo)入，由單調(diào)的單一或少數(shù)幾張圖像轉(zhuǎn)換為臨床工作所示一系列連續(xù)圖像，使學(xué)生可以自主瀏覽原始圖像及多平面重組（multi-planar reconstruction，MPR）、容積再現(xiàn)（volume rendering，VR）等重組圖像，為其提供多層次、多方位、多角度的學(xué)習(xí)資源，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高立體空間思維能力，使疾病相關(guān)影像特征更具體、形象，提高實(shí)踐能力并初步形成診斷思維決策樹。

3 基于知識(shí)圖譜特征的影像病例庫的構(gòu)建

基于知識(shí)圖譜特征的影像病例庫的構(gòu)建包括：病例信息獲取、處理及存儲(chǔ)，網(wǎng)站設(shè)計(jì)、應(yīng)用及管理。

3.1 知識(shí)圖譜實(shí)體（節(jié)點(diǎn)）的選取

根據(jù)中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)大綱的要求，扣緊教學(xué)目標(biāo)和知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合課堂講授的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容挑選具有代表性的典型病例。著重于五大系統(tǒng)（呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、骨與關(guān)節(jié)系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)等）中需要重點(diǎn)掌握和了解的典型病種，并適當(dāng)增加臨床常見但教學(xué)大綱中未提及的病種。

通過臨床病歷系統(tǒng)，查詢并收集患者病史，包括基本信息、主訴、現(xiàn)病史、既往史、婚育史、?？企w檢及實(shí)驗(yàn)室檢查（如血常規(guī)、腫瘤標(biāo)志物等）；收集PACS 系統(tǒng)上影像學(xué)檢查資料（包括DR、CT、MR）；收集病理、免疫組化結(jié)果；查詢疾病相關(guān)的專家共識(shí)與診治指南（圖1）。

圖1 知識(shí)圖譜構(gòu)建框架。

3.2 知識(shí)圖譜信息處理、存儲(chǔ)

對(duì)收集的病例資料進(jìn)行篩選、分類及歸納，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性。重點(diǎn)篩選與所收集病例相關(guān)的臨床病史和體征，關(guān)注并提取與疾病相關(guān)的影像特征。為確保全面性，每個(gè)病種盡量提供多個(gè)病例，以最大程度地涵蓋疾病相關(guān)的影像特征。以病理結(jié)果為診斷金標(biāo)準(zhǔn)，闡述影像特征與病理、病生、解剖基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)，分析影像特征、基礎(chǔ)知識(shí)與臨床的內(nèi)在聯(lián)系、構(gòu)建關(guān)系網(wǎng)，并提供診斷與鑒別診斷思路、專家共識(shí)與診斷指南等知識(shí)圖譜特征。所有收集的病例相關(guān)資料將存儲(chǔ)在一臺(tái)固定且獨(dú)立的計(jì)算機(jī)上。

3.3 影像示教病例庫網(wǎng)站的設(shè)計(jì)

遵循五大系統(tǒng)分類，構(gòu)建病例庫目錄，并根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)立各系統(tǒng)子目錄，例如，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)類別下，包含顱腦外傷、腦血管疾病、顱內(nèi)腫瘤、感染性疾病等分支。創(chuàng)建界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單方便的示教病例庫網(wǎng)站，以提供病例信息查詢、提交和交流等功能，實(shí)現(xiàn)病例信息的展示、查詢和分析。

3.4 影像示教病例庫網(wǎng)站的應(yīng)用

學(xué)生課前、課后可以利用自己的電腦或訪問多媒體教室中的網(wǎng)站，通過校園局域網(wǎng)或與其他學(xué)校的學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)信息的共享和交流［8］。教師授課時(shí)可利用病例庫內(nèi)病例更直觀、方便地輔助教學(xué)。

3.5 影像示教病例庫網(wǎng)站的管理

鑒于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含患者私密信息，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，必須消除相關(guān)身份標(biāo)識(shí)，確保隱私得到充分保護(hù)。同時(shí)，需限制局域網(wǎng)使用范圍，以確保數(shù)據(jù)安全性。

針對(duì)影像示教病例庫，設(shè)計(jì)者需實(shí)施日常管理，對(duì)病例信息數(shù)字化服務(wù)過程進(jìn)行監(jiān)控和質(zhì)量控制，包括對(duì)數(shù)據(jù)的審核、對(duì)網(wǎng)站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、對(duì)用戶反饋的處理等。由于醫(yī)學(xué)知識(shí)更新周期日益縮短，病例庫應(yīng)定期進(jìn)行病例補(bǔ)充、更新或修正治療指南和專家共識(shí)。隨著病例庫內(nèi)容逐步完善、優(yōu)化，將有效提升學(xué)生相關(guān)知識(shí)水平及資源獲取效率，同時(shí)有助于提高教學(xué)效率及效果。

圖2 以骨肌系統(tǒng)的化膿性骨髓炎為例，展示影像示教病例庫的示意圖。

圖2 影像示教病例庫系統(tǒng)平臺(tái)示意圖。

4 討論

醫(yī)學(xué)教學(xué)改革是當(dāng)今我國(guó)醫(yī)學(xué)教育發(fā)展趨勢(shì)。2020 年9 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確指出深化本科醫(yī)學(xué)教育教學(xué)內(nèi)容、推進(jìn)醫(yī)學(xué)教育課堂教學(xué)改革、著重提高教學(xué)水平的要求，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代信息技術(shù)手段與醫(yī)學(xué)教學(xué)的融合，關(guān)注基于器官系統(tǒng)的基礎(chǔ)與臨床整合式教學(xué)改革［9］。近年來多種教學(xué)模式被研究、應(yīng)用，包括翻轉(zhuǎn)課堂、思維導(dǎo)圖、以問題為導(dǎo)向（problem-based learning，PBL）或以案例為基礎(chǔ)（case-based learning，CBL）的混合式教學(xué)等［10］。

知識(shí)圖譜理論的學(xué)習(xí)方法在教學(xué)改革中受到的關(guān)注日益增多，已經(jīng)有多個(gè)專業(yè)、學(xué)科進(jìn)行基于知識(shí)圖譜理論的教學(xué)改革研究［11］。劉振丙等［12］將知識(shí)圖譜應(yīng)用到信息論這一新興學(xué)科，通過調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐能力、加深對(duì)信息論的理解和引用以達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。在醫(yī)學(xué)方面，在流行病學(xué)教學(xué)中構(gòu)建教育知識(shí)圖譜以提供教育智能服務(wù)、優(yōu)化教育決策、促進(jìn)教育公平，可提升教育教學(xué)過程的效率與效果［13］。既往已有學(xué)者嘗試構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型讀片知識(shí)圖譜以輔助影像診斷、為臨床提供較為專業(yè)的輔助決策，但尚未有關(guān)于醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育方面的知識(shí)圖譜被構(gòu)建及應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)影像學(xué)被認(rèn)為是鏈接基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的一門重要橋梁課程［14］，也是近年教學(xué)改革研究的重要發(fā)展課程之一。醫(yī)學(xué)影像學(xué)課程教學(xué)目前多仍采用傳統(tǒng)的“大班理論教學(xué)聯(lián)合示教課”圍繞器官系統(tǒng)進(jìn)行授課［15］，存在較多局限性。有學(xué)者認(rèn)為PBL 的教學(xué)方法適用于醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)，它使學(xué)生具有探索性、主動(dòng)性，但是該教學(xué)方法耗費(fèi)時(shí)間較多，并不適宜普及到教學(xué)大綱中全部章節(jié)的學(xué)習(xí)［16］。既往已有學(xué)者構(gòu)建并應(yīng)用基于PACS 的醫(yī)學(xué)影像資源庫以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和臨床思維能力，提升教學(xué)質(zhì)量［17］。本研究建立基于知識(shí)圖譜特征的醫(yī)學(xué)影像學(xué)整合教學(xué)，以臨床病例的影像學(xué)表現(xiàn)為中心，將解剖、病理、影像和臨床整合成知識(shí)圖譜，可為學(xué)生提供整合和應(yīng)用相關(guān)醫(yī)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)工具，帶動(dòng)更廣泛的臨床認(rèn)知，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的記憶，發(fā)揮醫(yī)學(xué)影像學(xué)作為鏈接基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)橋梁課程的重要作用。同時(shí)，知識(shí)圖譜的應(yīng)用，使教育過程變得更加個(gè)性化，學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求和興趣，探索知識(shí)圖譜中的不同分支，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，知識(shí)圖譜還能實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議；教師可通過知識(shí)圖譜輔助教學(xué)、優(yōu)化教學(xué)方案、提高教學(xué)質(zhì)量，并可根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度及情況，根據(jù)其對(duì)不同模塊學(xué)習(xí)應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)大致判斷學(xué)生對(duì)疾病理解的難點(diǎn)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方式，使教學(xué)更加精準(zhǔn)、有效。

本研究所構(gòu)建的基于知識(shí)圖譜特征的非在線局域網(wǎng)影像示教病例網(wǎng)頁存在一些局限性。首先，當(dāng)前圖像存儲(chǔ)方式不夠高效，且導(dǎo)出的圖像存在無法進(jìn)行窗寬、窗位調(diào)節(jié)、后處理重組等問題，這不僅會(huì)影響圖像觀感，也可能對(duì)圖像分析及診斷造成困擾。后續(xù)需對(duì)圖像存儲(chǔ)方式進(jìn)行優(yōu)化，提高其效率及實(shí)用性。其次，目前病例的選擇以臨床影像教學(xué)為主要目的，對(duì)于正常影像解剖圖譜關(guān)注不足，后續(xù)需在病例庫中引入正常影像解剖圖譜，使其更加全面。最后，目前的病例庫覆蓋面窄，僅供小范圍的學(xué)生使用，這在一定程度上限制了其影響力和作用，為了使更多醫(yī)學(xué)生和臨床工作者受益，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)病例庫網(wǎng)頁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)病例進(jìn)行補(bǔ)充及完善以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。