編輯：桃子
【新智元導讀】 清華團隊竟把醫院搬進了AI世界！第一個AI醫院小鎮——Agent Hospital，可以完全模擬醫患看病的全流程。更重要的是，AI醫生可以自主前進演化，僅用幾天的時間治療大約1萬名患者。
史丹佛AI小鎮曾火遍了全網，25個智慧體生活交友，堪稱現實版的「西部世界」。
而現在，AI「醫院小鎮」也來了！
最近，來自清華團隊的研究人員開發了一個名為「Agent Hospital」的模擬醫院。
論文地址：https://arxiv.org/pdf/2405.02957
在這個虛擬世界中，所有的醫生、護士、患者都是由LLM驅動的智慧體，可以自主互動。
它們模擬了整個診病看病的過程，包括分診、掛號、咨詢、檢查、診斷、治療、隨訪等環節。
而在這項研究中，作者的核心目標是，讓AI醫生學會在模擬環境中治療疾病，並且能夠實作自主前進演化。
由此，他們開發了一種MedAgent-Zero系統，能夠讓醫生智慧體，不斷從成功和失敗的病例積累經驗。
值得一提的是，AI醫生可以在幾天內完成對1萬名患者的治療。
而人類醫生需要2年的時間，才能達到類似的水平。
另外，前進演化後的醫生智慧體，在涵蓋主要呼吸道疾病的MedQA數據集子集上，實作高達93.06%的最新準確率。
不得不說，AI前進演化在虛擬世界中默默前進演化，真有淘汰人類之勢。
有網友表示，「AI模擬將探索人類根本沒有時間，或能力探索的道路」。
想象一下，數千家全自動化醫院，將會拯救數百萬人的生命。這很快就會到來。
第一個AI醫院小鎮登場
其實，智慧體，早已成為業界看好的一個領域。
不論是在虛擬世界中的模擬，還是能夠解決實際任務（比如Devin）的智慧體，都將給我們世界帶來巨變。
然而，這些多智慧體通常用於「社會模擬」，或者「解決問題」。
那麽，是否有將這兩種能力結合起來的智慧體？
也就是說，社會模擬過程能否，提升LLM智慧體在特定任務的表現？
受此啟發，研究人員開發了一個幾乎涵蓋所有醫學領域的治療流程的模擬。
如同 單機遊戲 【主題醫院】的世界
Agent Hospital中模擬的環境，主要有兩類主體：一是患者，一是醫療專業人員。
它們的角色資訊，都是由GPT-3.5生成，可以無限擴充套件。
比如，下圖中，35歲患者Kenneth Morgan有急性鼻炎，而他的病史是高血壓，目前的癥狀是持續嘔吐，有些腹瀉、反復發燒、腹痛、頭痛，而且頸淋巴結腫大。
再來看32歲內科醫生Elise Martin，具備了出色的溝通能力，以及富有同理心的護理能力。
她主要的職責是，為患有各種急性病和慢性病的成年患者提供診斷、治療和預防保健服務。
ZhaoLei是一位擅長解讀醫學影像的放射科醫生，還有前台接待員Fatoumata Diawara。
下圖中展示的是，Agent Hospital內有各種問診室和檢查室，因此需要一系列醫療專業智慧體工作。
研究人員設計了，14名醫生和4名護士。
醫生智慧體被設計來診斷疾病並制定詳細的治療計劃，而護理智慧體則專註於分診，支持日常治療幹預。
AI患者如何看病？
與真實世界看病的流程一樣，當患者生病後，就會去醫院掛號就診。
在此期間，它們還會經歷一系列階段，包括檢查、分診、會診、診斷、治療。
患者在拿到治療方案後，LLM會幫助預測患者的健康狀況變化。一旦康復，它便會主動向醫院匯報進行隨訪。
如下是Kenneth Morgan前往醫院就診的示意圖。
首先是，分診護士Katherine Li對Morgan進行了初步的評估，並將他分診到皮膚科就診。
隨後，Morgan在醫院櫃台進行登記，被安排與皮膚科醫生Robert Thompson進行會診。
在完成規定的體檢之後，AI醫生為Morgan開出藥物治療，並敦促回家休息，同時還要監測病情的改善情況。
AI醫生自我超前進演化，無需手動標記數據
在模擬環境中，研究人員希望訓練一個熟練的醫生智慧體，來處理諸如診斷、治療等醫療任務。
傳統的方法是，將巨量的醫學數據餵給LLM/智慧體，經過預訓練、微調、RAG之後，以構建強大的醫學模型。
最新研究中，作者提出了一種新策略——在虛擬環境中模擬醫患互動，來訓練醫生智慧體。
在這個過程中，研究人員沒有使用手動標記數據，因此最新系統被命名為MedAgent-Zero。
這一策略包含了兩個重要的模組，即「病歷庫」和「經驗庫」。
診療成功的案例被整理，並儲存在病歷庫中，作為今後醫療幹預的參考。
而對於治療失敗的情況，AI醫生有責任反思、分析診斷不正確的原因，總結出指導原則，作為後續治療過程中的警示。
簡言之，MedAgent-Zero可以讓生智慧體透過與患者智慧體互動。
透過積累成功案例的記錄，和從失敗案例中獲得經驗，前進演化成更優秀的「醫生」。
整個自我前進演化流程如下：
1）積累例項，總結經驗；
2）直接向範例庫添加正確的響應；
3）總結錯誤的經驗，並重新測試；
4）將成功經驗進一步抽象後，納入經驗庫；
5）在推理過程中利用兩個庫檢索最相似的內容進行推理。
難得的是，由於訓練成本低，效率高，醫生智慧體可以輕松應對數十種情況。
比如，智慧體可以在短短幾天內處理數萬個病例，而現實世界的醫生需要幾年的時間才能完成。
診斷呼吸疾病，準確率高達93.06%
接下來，研究人員進行了兩類實驗，來驗證MedAgent-Zero策略改進的醫生智慧體，在醫院中的有效性。
一方面，在虛擬醫院內，作者們進行了從100-10000個智慧體的互動實驗（人類醫生一周可能會治療約100名病人），涵蓋了8種不同的呼吸疾病、十幾種醫療檢查，以及每種疾病的三種不同治療方案。
透過MedAgent-Zero策略訓練的醫生智慧體，在處理模擬病人的過程中不斷自我前進演化，最終在檢查、診斷和治療任務中的準確率分別達到了88%、95.6%和77.6%。
隨著樣本的不斷擴增，MedAgent-Zero的訓練效能，在達到一定量時趨於平穩。
在檢查、診斷、治療三個任務方面上的效能，MedAgent-Zero也隨著樣本增加，不斷波動，但整體準確性呈現出上升趨勢。
診斷呼吸疾病，準確率高達93.06%
再看如下三張圖，分別展示了不同疾病的檢查精度、診斷精確度、以及治療精度，隨著樣本的增加，也在平穩攀升。
另一方面，研究者讓前進演化後的醫生智慧體，參加了對MedQA數據集子集的評估。
令人驚訝的是，即使沒有任何手動標註的數據，醫生智慧體在Agent Hospital中前進演化後，也實作了最先進的效能。
在經驗積累上，圖11、圖12和圖13分別顯示了，檢查、診斷和治療任務中，經過驗證經驗和錯誤答案的積累。
當訓練樣本增延長，經驗數和錯誤答案數都緩慢增加。
如圖所示，經驗曲線低於錯誤答案曲線，原因是智慧體無法反映所有失敗的經驗。此外，診斷經驗比其他任務更容易積累。
一起來看個案例研究。
下表中說明了，經驗庫、病理庫和MedAgent-Zero，在患者診療中的三個任務上的效能。
在得知病人癥狀之後，AI醫生不僅需要使用病歷庫，同時還需要經驗庫，也就是相輔相成。
若是少了其中的一方，便會導致診斷準確性的下降。
如下，透過添加經驗和記錄，MedAgent-Zero針對所有3個任務都給出了正確的回答。
以上結果表明，模擬環境可以有效地幫助LLM智慧體在處理特定任務時完成前進演化。
MedAgent-Zero在使用GPT-3.5時，比SOTA方法Medprompt高出 2.78%，在使用GPT-4時比SOTA方法MedAgents高出1.39%。
這一結果驗證了新模型有助於，在沒有任何MedQA訓練樣本的情況下，僅使用模擬文件和醫療文件進行智慧體前進演化，從而有效提高醫生智慧體的醫療能力。
其次，基於GPT-4的MedAgent-Zero的最佳效能為93.06%，優於MedQA數據集中的人類專家（約87%）。
第三，基於GPT-4的醫生智慧體比基於GPT-3.5的任何其他方法都表現得更出色，這表明GPT-4在醫療領域更強大。
另外，在對MedAgent-Zero進行的消融研究中，
同時利用「病歷庫」和「經驗庫」的MedAgent-Zero取得了最佳效能，表明這兩個模組對診斷的幫助。
隨著病例的積累和經驗庫的擴大，醫生智慧體準確率總體上越來越高。
無論是使用GPT-3.5還是 GPT-4，使用8000個病例積累的經驗庫，其效能都高於使用2000/4000/6000個病例的效能。
不過，經驗庫越大並不總是越好，因為研究者還發現在2,000-4,000個案例之間有明顯的下降。
局限性
最後，研究人員還提到了這項研究的局限性。
- 只采用GPT-3.5作為Agent Hospital和評估的模擬器
- 由於智慧體之間的互動及其演化涉及API呼叫，AI醫院的運作效率受到LLM生成的限制
- 每個患者的健康記錄和檢查結果，是在沒有領域知識的情況下，模擬真實的電子健康記錄生成的，但仍與現實世界的記錄仍存在一些差異。
在未來，研究者們對Agent Hospital的計劃將會包括：
第一，擴大規模覆蓋的疾病範圍，延伸到更多的醫療科室，旨在反映真實醫院提供的全面服務，以供進一步研究。
第二，在加強智慧體社會模擬方面，比如納入醫療專業人員的全面晉升制度、隨時間改變疾病的分布、納入病人的歷史病歷等。
第三，最佳化基礎LLM的選擇和實施，旨在透過利用功能強大的開源模型，更高效地執行整個模擬過程。
