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助力诊断362种常见疾病!剑桥/牛津/华威大学等提出多Agent大语言模型框架,自动化构建医疗知识图谱

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作者:梅菜

编辑:十九

转载请联系本公众号获得授权,并标明来源


来自华威大学、克兰菲尔德大学、剑桥大学、牛津大学的研究团队提出了 KG4Diagnosis,用于自动化医疗知识图谱的构建、诊断、治疗和推理,涵盖 362 种常见疾病,跨越肥胖症等多个医学领域。


当今,医疗资源紧张是困扰全球医疗系统的长期性问题,「医生荒」在基础保健和全科医学领域尤为突出。世界卫生组织预计,到 2030 年,全球将有 1,500 万医务工作者的缺口。而在中国,根据国家统计局和卫生健康委员会的数据,尽管中国的整体医生数量逐年增长,但一些偏远地区和乡村地区的医生数量远远不足。


分级诊疗是缓解「医生荒」的有效模式之一。在该模式之下,当患者到达医院时,如果无法判断自身的问题所在,会先由全科医生进行初步检查,判断大致的问题方向,然后再转诊到相关的专科医生处,例如心脏科、神经科等,进行进一步的诊断和治疗——这种分层和协作的模式确保了诊断的高效性、全面性和专业性,可以减少专科医生的工作负担,使其培养更具针对性,从而缩短培养周期,快速补充医生资源。


不过,医生的时间和精力毕竟有限,如何利用人工智能等先进技术提升诊断效率,从而缓解医生资源的紧张——成为业界关注的方向。受到上述医疗分层协作模式的启发,来自华威大学、克兰菲尔德大学、剑桥大学、牛津大学的研究团队提出了 KG4Diagnosis。这是一个新型的分层多智能体框架,通过双层架构模拟现实世界中的全科医生和专科医生协作的医疗系统,用于自动化医疗知识图谱的构建、诊断、治疗和推理,克服了现有医疗知识图谱构建方法在可扩展性和处理非结构化数据方面存在的局限性,涵盖了 362 种常见疾病,跨越肥胖等多个医学领域。


相关成果以「KG4Diagnosis: A Hierarchical Multi-Agent LLM Framework with Knowledge Graph Enhancement for Medical Diagnosis」为题发表于顶会 AAAI-25 Bridge Program。


MedQA 医学文本问答数据集:

https://go.hyper.ai/32hkF


开源项目「awesome-ai4s」汇集了百余篇 AI4S 论文解读,并提供海量数据集与工具:

https://github.com/hyperai/awesome-ai4s

KG4Diagnosis 的颠覆性意义体现在哪里?

研究人员为什么要开发 KG4Diagnosis?

这其实源于一个想法,即能不能用人工智能来模拟现实世界中的分级医疗系统,从而解决医疗诊断推理的复杂性。于是, KG4Diagnosis 框架就此诞生,这是一个分层多智能体框架,集成了一个全科医生 (general practitioner) 大语言模型 (GPLLM) 和多个领域特定的专家大语言模型 (Consultant-LLMs)——通过全科医生 (GP) 智能体进行初步评估和分诊,然后与专科智能体协调,进行领域特定的分析。

该框架是如何被构建的呢?

简单来说可以分为 5 个步骤:

图片KG4Diagnosis 框架概览


(1) 输入的医疗文本 (Medical Text Input) 被分割处理成符合知识图谱上下文约束的数据块,并通过基于语义的实体提取 (Entity Extraction) 和关系提取 (Relation Extraction) 模块进行处理;

(2) 提取的实体和关系存储在专用数据库中;

(3) 这些数据库用于构建医学知识图谱 (Medical Knowledge Graph);

(4) 医学知识图谱与大型语言模型 (LLMs) 和多代理系统 (Multi-Agent Systems) 结合,以增强诊断推理;

(5) 诊断结果通过人工引导推理 (human-guided reasoning) 反馈给用户端点。


显而易见,这种方法结合了大语言模型的广泛能力和专门医疗知识的精确性,以实现更高级的诊断结果。据研究团队介绍,该系统的训练方法涵盖了跨多个医学专科的 362 种常见疾病,代表了医学诊断的广泛范围。

该系统的实际应用效果究竟如何呢?

下图展示了研究提出的新框架如何协作诊断过程以及 AI 系统如何帮助提供个性化的医疗建议:患者描述症状,医生提出澄清性问题,AI 提供解释和建议。


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一个诊断对话示例,展示了患者、医生和 AI 医疗助手之间的互动

* 患者:「医生,我最近一直听到耳鸣,尤其是在晚上。感觉好像有持续的嗡嗡声,影响了我的睡眠和注意力。」 

* 医生:「您的耳鸣是持续性的,还是时有时无?您有没有其他症状,比如头痛、听力丧失或耳痛?」

* AI:「很抱歉听到您的不适。耳鸣可能由多种因素引起,如暴露于噪音、耳部感染、高血压或压力等。您最近有做过听力测试或耳部检查吗?这些检查可以帮助确定耳鸣的严重程度和可能的原因。」


而下图则进一步显示出该系统在肥胖领域知识图谱的专业性,展示了肥胖、2 型糖尿病和心血管疾病之间的关联,它们的共同症状、治疗方法和合并症,强调了药物在解决复杂健康问题中的多面性作用。


图片展示肥胖领域知识图谱的专业性


总而言之,该研究通过多智能体验证和知识图谱约束,解决了大语言模型 (LLM) 在医疗诊断中面临的幻觉挑战,并通过全面的基准测试验证了这些机制的有效性。同时,研究人员还通过现实世界的医疗场景展示了该框架的实际价值,其未来应用值得期待。

技术、应用双开花!人工智能辅助诊断前景可期

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