人工智能时代下骨科领域教学的现状及未来前景

刘禧澳，陈 锴，童文文，翟 骁，孙 瑜，白玉树，李 明

(海军军医大学:1.基础医学院；2.长海医院骨科脊柱外科；3.长海医院骨科关节外科；4.长海医院外科教研室,上海 200433)

第四次科技革命，是以人工智能、清洁能源、机器人技术、量子信息技术、虚拟现实以及生物技术为主的全新技术革命，而中国具有超稳定的发展环境、宏远的国家战略和丰厚的人才储备,必将实现全面赶超[1]。其中人工智能格外值得重视，2016年AlphaGo大放光彩，在世界公认的最难最复杂的围棋战胜了人类，使得人工智能进入大众的视线。如今人工智能已经完全融入我们的日常生活，通过深度学习以及大数据使我们接收到的建议都是贴切我们的需求。与其他行业相比，医疗行业采用人工智能方面相对缓慢，在亚学科的发展中更是具有极大的潜力与空间。

对于骨科而言，以智能骨科手术与康复机器人、智能骨科内植物、AI辅助诊断、3D打印、虚拟现实(Virtual Reality, VR)、增强现实(Augmented Reality, AR)与混合现实技术(Mixed Reality, MR)等为代表的一批智能技术应用到疾病的诊疗中，帮助骨科医生精准、微创、安全、智能化的诊疗[2]。然而，骨科医生的培养贯穿了本科生、研究生、进修生等多个阶段，智能时代下人才的培养如何与技术相结合仍是一个亟待解决的问题。本文就针对目前人工智能时代下骨科领域三生培养的现状及未来前景总结综述，以期能为未来的教学模式改革提供一定的思路。

1 什么是人工智能时代

1.1 人工智能的范畴

人工智能(Artifcial Intelligence)最早是1956年由美国计算机科学家John McCarthy等人在达特茅斯学会上提出的，这年也被人们称为“人工智能元年”。人工智能是计算机科学的一个分支，它的诞生主要是为了解人类智能的实质，并生产出一种模拟人类智能的机器。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考、也可能超过人的智能。

1.2 人工智能在整体医疗领域的应用

人工智能现在已经逐步应用于医疗保健行业，在整个诊疗过程中都有参与，目前使用较多的是医疗保健管理与医疗诊断方面，这两者一般是大量重复的数据的可视化与分析再运用。首先在预防保健方面，常见的应用就有血氧监测、心率监测、睡眠呼吸监测，数据实时可见，能够预防疾病的发生。

在医院内主要多用于影像学对肺结节的诊断，基于人工智能的诊断系统在胸部CT中对肺结节检出的能力，已经可以与拥有10年以上工作经验的高级职称医师相媲美[3]，尤其8mm以下结节明显优于专科医生水平，并且相比更具高效的时间效率。除此之外，在心血管疾病中人工智能可以通过冠状动脉 CT血管成像诊断冠心病[4]，还能够辅助解释心电图与超声心动图，从而对相关疾病进行鉴别诊断[5-7]。

在肿瘤学中，人工智能在鉴别诊断和治疗上得到了相当大的应用。人工智能作为一个拥有庞大数据库的工具，首先采集患者的临床症状与检验得到的数据，再通过分析来筛选不同肿瘤类型，识别其相关性，从而指导医生进行针对性的抗癌治疗。 IBM沃森肿瘤系统(IBM Watson for Oncology)在乳腺癌和胃癌等领域就是最好的例子[8-10]，沃森肿瘤系统可以根据肿瘤的特征、生物标志物及患者整体的健康状况分析判断并得出最适用患者的治疗计划。

1.3 人工智能在骨科领域的应用

1.3.1 人工智能辅助诊断

Olczak等[11]将AI应用于创伤骨科的X线片诊断，其结果发现人工智能的判断与专业的放射科医生相差无几，骨折的准确率高达83%。Jamaludin等[12]将AI应用于脊柱骨科MRI阅片, 诊断椎间盘退行性病变并且进行Pfirrmann 分级，经测试准确率达到95.6%。人工智能也广泛应用于骨骼年龄检测、肩关节强度评估、步态分类、ACL/PCL检测和骨与软骨图像分析等骨科诊断领域[13]。

1.3.2 人工智能辅助手术治疗

20世纪90年代，人类首次使用计算机辅助骨科手术 (computer aided orthopedic surgery, CAOS)[14]。AI辅助手术可以在术前进行模型构筑，显示解剖关系并设计手术方式，术中可以实时进行解剖定位与植入物位置分析，加快手术进度。宋平等[15]应用人工智能TKA手术三维规划系统(AIKNEE，北京长木谷)，术前通过VR技术精准规划假体大小、位置及角度，术中根据规划顺利完成手术。翟骁等[16]首次机器人辅助椎弓根螺钉置入脊柱侧凸矫形手术，共使用机器人置入螺钉148枚，平均每枚螺钉的置钉时间为(2.4±0.9)min，平均矫正率74.9%，准确率为95.3%。

1.3.3 人工智能辅助预防与预后

在运动医学领域，通过可穿戴设备进行全方位的监测，不仅可以实时跟踪运动员的运动和生理机能，还可以分析采集的数据用以提高运动的效率并主动预防伤害[17]。康复医学中同理也能够使用人工智能技术制定个性化、专业化的康复训练计划，帮助患者完成更好的康复。

2 人工智能时代下骨科教育的开展

2.1 骨科教学特点

骨科学是一门实践操作要求很高的学科，主要研究骨骼肌肉系统的解剖、生理与病理，运用药物、手术及物理方法保持和发展这一系统的正常形态与功能。首先需要具备丰富的解剖学知识，掌握肌肉与骨骼的关系以及重要结构的血管神经走行等，由于骨在体内分布广泛，往往需要再分类，常见类别为创伤、关节、脊柱、手外科等，其中的脊柱外科更是和中枢神经系统紧密相关，需要更细致更高级的技术。因此，骨科的教学区别于别的外科，解剖学是基础，器械操作是关键，更重要的是保持细心和谨慎的态度。

2.2 骨科教学存在的问题

在本科生阶段一般的医学院都没有专门开设一门骨科学进行教学，并且形式多以理论知识学习为主，缺少临床实践[18]，长期以来人们把学生时代的学习当作谋职的一种手段，学习目标比较迷茫，缺乏科学的学习方法[19]。教师的整体综合素质也很重要，不仅需要扎实的知识基础，还需要丰富的语言表达能力，活跃的课堂气氛，增加和学生沟通交流[19]。而到了临床实习时期，由于学生理论基础知识薄弱、学生实践能力欠缺、师生对临床实习准备不足、重视度不够等原因，往往实习阶段如走马观花，并且由于国内对于医学生的教育学历要求越来越高，应届本科生选择报考研究生的人数逐年增加，而大部分学生选择在实习期间复习考研，实习与考研的时间冲突使得实习质量滑坡，临床实习逐渐变得徒有其名[20]。

大部分医学院校的研究生教育还沿袭传统的旧式教学模式，照本宣科的教学方式普遍存在，到了研究生阶段缺乏临床经验，大多数知识只是纸上谈兵，进入临床直接面对实际的病例后往往不知所措，无法顺利完成工作[21]。此外，对系统剪切、结扎、缝合等外科基本技能掌握不扎实，对解剖解构不熟悉也让研究生学习难上加难，并且骨科区别于别的外科需要大量的专有器械的使用，基本的石膏固定、外固定支具的制作、骨牵引、敷料的包扎等等也不是短时间能够掌握的，这需要日积月累锻炼[22]。一个全面发展的临床医生不仅需要掌握自己的专业技术，还需要具备科研能力 ，研究生的科研能力主要体现在文献查阅、撰写综述和学术论文，以及参与科研工作等方面[23]。

进修学习是临床医师毕业后继续教育的重要方式，也是在我国目前医学教育培训不规范、医疗资源分布不均衡的现实情况下提高基层医院医师诊疗水平的最好途径之一[24]。进修医生一般是下级医院的医生到上级医院进行专业技术的学习，大致可以分为两类[25]：第一类是已从事临床工作多年，希望通过进修学习新业务、新技术。第二类是参加工作时间相对较短，但具有一定理论基础及临床能力，希望通过进修提高自己的手术操作技术，特别是骨科这种专业操作技术要求高的学科，每年都有大量的进修医生进修学习。作为一名人工智能时代下的专科医生，需要明确学习的目的，未来医学发展的方向是精准医疗[26]，它涵盖了包括病情评估、临床决策、手术规划、手术作业和围术期管理在内，以手术为中心的外科实践全过程[27]，在进修过程中，就应该以精准医疗为目的而学习。

3 各学习阶段应用人工智能参与骨科教学

3.1 在本科生阶段

目标：教学阶段增加学生兴趣，培养其独立思考的能力，实习阶段培养学生的临床实践能力，提高临床思维能力。

实施内容：本科教学阶段，应当实现“互联网+”的教学模式[28]，教师应该放弃传统的照本宣科模式，应当以临床为核心，在临床病例基础上提出问题，让学生们通过“互联网+”的平台，使用手机、平板、电脑等人工智能产品查阅相关文献找出答案，并通过课堂讨论，知识竞猜等方式不仅能提高学生的兴趣和积极性，也增加团队协作能力与独立思考能力，寓教于乐。在实习阶段，最主要的目标就是建立学生的临床思维和临床操作能力，首先要知道临床和课本的区别很大，很多的疾病在实际的个体上有变异性，不会和课本上的完全一致，要更多的学习观察病房里的病例，亲自体会临床中的常见病与治疗方法，参与到诊疗的全过程，带教教师可指导实习生选择骨科住院患者，引导实习生对该患者进行从问诊到体格检查再到手术治疗及术后康复的整个过程，同时利用数据库完整书写患者的住院病历，培养实习生的临床实践能力。

3.2 在研究生阶段

目标：实现便捷而数量可观的临床操作机会，提高科研效率与质量。

实施内容：利用人工智能技术——VR、AR、MR、3D打印等方式进行临床学习实践[39]。首先是解剖学的应用，在传统的临床教学中，学生主要是通过教科书文字与图片、塑料制作的模型以及尸体标本学习解剖学知识，文字与图片往往不够生动形象，缺乏立体性，而模型和标本又很难具有操作性、可变性和资源稀缺性。而运用人工智能技术采集临床中的影像数据信息进行加工处理，使用虚拟现实技术搭建出可操作的虚拟解剖环境，学生可以反复实际操作练习，并且采集数据足够多，每次解剖的虚拟人体也具有可变性，切实贴合临床，通过这种方式的学习可以提高研究生的学习兴趣及学习主动性，并且可利用3D打印技术将模型打印出来，进行更具有真实性的操作[30]。同样的，虚拟现实不仅可以用于解剖学的教学，也可以进行传统手法复位以及手术操作的模拟，但还需要在此基础上增加人工智能的情感模拟，更贴切现实的患者情绪，以建立学生的人文关怀及共情力。模拟操作也广泛应用在关节镜教学中[31]，学生可以通过重复大量地进行操作，来提高自身的专业技术。不仅是自己的实际操作，还可以通过虚拟现实进行直播教学，2016年6月，国内好医术团队与上海第六人民医院合作，第一次在国内进行VR手术直播[32]，全国3 000多位执业医师进行观摩，这将是未来学习的方式。人工智能的强大计算力可以帮助研究生进行科研实验，借助人工智能精准地查阅文献，在前人的基础上分析数据并模拟实验的可行性，这将大大加快科研进度，减少科研成本。

3.3 在进修生阶段

目标：学习最先进的临床技术，将高超的技术带给更多的医院，提高国家医疗水平。

实施内容：进修医生需要知道，未来骨科的发展方向必然是人工智能参与下的精准医疗，虽然由于地区发展不平衡，很多地方医院目前没有能力实现智能化医疗，但随着国家的富强，科技的发展，人工智能化趋势不可阻挡。在进修学习中，应该加强相关方面的学习，了解使用人工智能诊断，3D打印术前建立模型制定个性化、精准化的手术计划，虚拟现实模拟手术过程，“智能化”内植物的应用[33]，术中可视化操作过程以及术后康复训练，都是人工智能时代医学发展的成果，通过学习先进的科学技术，从而开拓视野，提高临床能力。进修医生在进修过程同研究生一样，可利用人工智能进行训练，但最重要的是将先进的技术带回当地的医院，提高国家的整体医疗水平，让更多的患者能够就近就医，实现全民高水平医疗。

4 人工智能时代下骨科教学的前景展望

人工智能时代下，技术的革新为医疗领域的发展注入了新鲜的血液，然而一个领域的发展也需从最为根本的人才培养着手。目前，我国国内的技术发展仍处于不均衡、不全面的态势，想要将人工智能贯穿教育的始终尚存在阻力与难度。而在医疗这个特殊领域，学习是终生话题，因此有必要将教学贯穿于一个医生发展的始终，从骨科医生的不同培养阶段着手。在本科生阶段应该着重于丰富教学内容，充分利用VR、AR以及交互式教学手段激发学生对医学的兴趣，鼓励学生利用智能设备进行主动学习；在研究生阶段应该着重于加强对于骨科疾病的全面理解，包括利用AI辅助读片，AI辅助的相关并发症预测等，在科研研究方面利用人工智能辅助实验；在进修生阶段更应该着重于外科技术的加强以及手术操作，可以结合3D打印、机器人手术以及5G技术实现更进一步的提升，强化精准医疗理念，进行个性精准化诊治。此外，教学模式的改革不仅是个人行为，也需要医院以及社会提供相应的资源与力量，作为以大数据为依据的人工智能手段，需要骨科医生提供更多同质化的资料，同时社会也需要提供更多的支持以帮助建设智能骨科教学模式。

5 总结

人工智能时代已经来临，虽然在骨科领域还处于初期探索阶段，但随着近年来更多新兴技术如5G、物联网概念等的出现与应用，医疗智能化必然大势所趋。智能化的骨科将提高医疗服务质量、升级诊疗方式、促进学科进步，为医疗服务添砖加瓦。在这种环境下，骨科的教学也需要实时跟进，在不同的学习阶段利用或者学习人工智能应当是现代骨科教学的重点，不仅为了提高学生的专业技术能力，还提升了整个国家的医疗水平，骨科教学应该做出符合时代特色的改革。