醫(yī)療AI的”編程瓶頸”

當(dāng)前醫(yī)療AI應(yīng)用面臨著一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：如何讓AI系統(tǒng)自動(dòng)生成可靠的醫(yī)療相關(guān)代碼。

無論是處理電子健康記錄（EHR）查詢、生物信息學(xué)分析，還是構(gòu)建臨床決策支持系統(tǒng)，都需要精確的編程能力作為支撐。

然而，現(xiàn)有解決方案存在明顯局限：

商業(yè)模型的現(xiàn)實(shí)困境

-　數(shù)據(jù)隱私風(fēng)險(xiǎn)：醫(yī)療數(shù)據(jù)的敏感性使得直接調(diào)用商業(yè)API存在合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)
-　成本壓力：大規(guī)模醫(yī)療應(yīng)用的API調(diào)用費(fèi)用難以承受
-　部署限制：無法在本地或私有云環(huán)境中靈活部署

開源模型的能力短板

-　專業(yè)知識(shí)不足：缺乏深度的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域知識(shí)
-　編程能力有限：在復(fù)雜的醫(yī)療編程任務(wù)上表現(xiàn)不佳
-　訓(xùn)練資源缺乏：缺少專門的醫(yī)療代碼訓(xùn)練數(shù)據(jù)和環(huán)境

研究表明，引入編程能力可以顯著提升模型在計(jì)算醫(yī)療推理任務(wù)上的表現(xiàn)。在MIMIC-III、eICU和MedCalcBench等數(shù)據(jù)集中，基于代碼的計(jì)算推理成功率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的自然語言推理方法。

在MIMIC-III、eICU和MedCalcBench三個(gè)數(shù)據(jù)集中，基于代碼的計(jì)算推理（橙色）成功率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的敘述式推理（藍(lán)色）。

MedAgentGym：突破性的解決方案

與其他基準(zhǔn)相比，MedAgentGym提供了集成了可執(zhí)行環(huán)境、交互式反饋和任務(wù)隔離運(yùn)行設(shè)施的編碼訓(xùn)練平臺(tái)。為了解決這一系列挑戰(zhàn)，MedAgentGym提供了一個(gè)前所未有的綜合性解決方案。該平臺(tái)的核心創(chuàng)新體現(xiàn)在三個(gè)維度：

大規(guī)模真實(shí)醫(yī)療任務(wù)集合

MedAgentGym整合了來自12個(gè)真實(shí)生物醫(yī)學(xué)場景的72,413個(gè)編程任務(wù)實(shí)例，覆蓋129個(gè)不同類別。

任務(wù)范圍橫跨四大核心領(lǐng)域：
-　結(jié)構(gòu)化醫(yī)療信息檢索：如EHR數(shù)據(jù)庫查詢、臨床記錄分析
-　醫(yī)療數(shù)據(jù)科學(xué)：包括統(tǒng)計(jì)分析、臨床計(jì)算等
-　生物信息學(xué)建模：涵蓋序列分析、系統(tǒng)發(fā)育學(xué)等
-　機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用：臨床預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評估等

數(shù)據(jù)模態(tài)極其豐富，包含臨床筆記、實(shí)驗(yàn)室報(bào)告、EHR表格、生物序列等多種格式，全面考驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木C合處理能力。

高效可擴(kuò)展的訓(xùn)練基礎(chǔ)設(shè)施

MedAgentGym在技術(shù)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破：

-　容器化隔離環(huán)境：每個(gè)任務(wù)都封裝在獨(dú)立的Docker容器中，預(yù)裝所有依賴項(xiàng)，確保環(huán)境安全性和可復(fù)現(xiàn)性
-　交互式反饋機(jī)制：當(dāng)代碼執(zhí)行出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)能將錯(cuò)誤信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的自然語言反饋，幫助模型進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化
-　并行處理能力：集成Ray和Joblib等后端引擎，支持大規(guī)模并行軌跡采樣和訓(xùn)練

在擁有交互式調(diào)試能力時(shí)（藍(lán)色），gpt-4.1-mini模型的性能遠(yuǎn)高于移除該能力后（橙色）的表現(xiàn)，證明了MedAgentGym交互式環(huán)境的巨大價(jià)值。

此外，錯(cuò)誤類型分析揭示了當(dāng)前模型在復(fù)雜醫(yī)療代碼任務(wù)中面臨的主要挑戰(zhàn)。其中，“陷入循環(huán)”不能成功debug是最主要的錯(cuò)誤類型，占比高達(dá)50.39%。

全面的模型評估體系

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性評估了超過25個(gè)主流大模型，包括：

• API商業(yè)模型：GPT系列
• 開源通用模型：Qwen、LLaMA、Gemma等
• 專業(yè)編程模型：Qwen2.5-Coder等
• 醫(yī)療領(lǐng)域模型：HuatuoGPT、MedReason等

評估結(jié)果揭示了商業(yè)模型與開源模型之間的顯著性能差距，為后續(xù)優(yōu)化指明了方向。

MedAgentGym零樣本（Zero-shot）測試集結(jié)果詳細(xì)列出了超過25個(gè)前沿大模型在8個(gè)不同任務(wù)上的原始得分，是評估各模型在醫(yī)療代碼生成領(lǐng)域綜合實(shí)力的核心依據(jù)。

Med-Copilot：開源模型的逆襲之路

基于MedAgentGym平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了Med-Copilot系列模型，并取得了突破性成果。

訓(xùn)練策略： 采用兩階段精細(xì)化訓(xùn)練框架：

-　監(jiān)督微調(diào)（SFT）：使用2,137個(gè)成功執(zhí)行的代碼軌跡進(jìn)行初始訓(xùn)練
-　強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化（DPO）：通過偏好優(yōu)化進(jìn)一步提升性能

性能突破：

Med-Copilot-7B通過SFT訓(xùn)練，性能提升36.44%
結(jié)合DPO后，總體性能提升達(dá)到42.47%
最終在MedAgentGym基準(zhǔn)上達(dá)到59.90分，接近GPT-4o的性能水平

關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新：

研究團(tuán)隊(duì)還訓(xùn)練了一個(gè)AI驗(yàn)證器（Verifier），能夠從多次代碼生成嘗試中自動(dòng)識(shí)別最佳解決方案。實(shí)驗(yàn)顯示：

• 在16次嘗試中，模型的潛在成功率可達(dá)45%
• AI驗(yàn)證器能夠以42%的準(zhǔn)確率識(shí)別出正確答案
• 僅有3%的差距證明了驗(yàn)證器的可靠性

僅使用SFT、僅使用DPO以及SFT與DPO結(jié)合的策略對7B和14B基礎(chǔ)模型性能的提升效果，驗(yàn)證了SFT+DPO兩階段訓(xùn)練框架的有效性。

可持續(xù)進(jìn)化的藍(lán)圖：自我提升與性能擴(kuò)展

MedAgentGym不僅展示了一次性的成功，更揭示了一條可持續(xù)進(jìn)化的清晰路徑。其中的關(guān)鍵，在于一個(gè)強(qiáng)大的“AI裁判”（即驗(yàn)證器，Verifier）。

性能具備高度可擴(kuò)展性

研究團(tuán)隊(duì)讓模型對同一個(gè)任務(wù)進(jìn)行多次嘗試（最多16次），并讓“AI裁判”從這些嘗試中選出最佳答案。結(jié)果令人驚喜：

-　潛力上限 (Pass@k)：在16次嘗試中，模型只要有一次成功，就算解出。在這種理想情況下，成功率從單次嘗試的17%飆升至45%。這說明模型本身具備解決問題的潛力。
-　實(shí)際表現(xiàn) (Best@k)：更關(guān)鍵的是，在“AI裁判”的幫助下，從這16次嘗試中自動(dòng)選出的最佳答案，其實(shí)際成功率高達(dá)42%！

僅有3%的微小差距證明，這個(gè)AI裁判的眼光極其“毒辣”，能夠非常可靠地識(shí)別出正確的解決方案。這一成果意義重大，因?yàn)樗馕吨@個(gè)驗(yàn)證器已經(jīng)足夠強(qiáng)大，可以作為獎(jiǎng)勵(lì)模型（Reward Model）賦能給PPO、GRPO等更先進(jìn)的在線強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架，為訓(xùn)練出更強(qiáng)大的醫(yī)療AI鋪平了道路。

-　無論是增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，還是在推理時(shí)增加嘗試次數(shù)（Rollouts），模型的最終成功率都表現(xiàn)出穩(wěn)定、顯著的提升。這為未來進(jìn)一步提升模型性能指明了方向：更多的計(jì)算投入和數(shù)據(jù)積累，將帶來更強(qiáng)大的醫(yī)療AI智能體。

推理時(shí)增加嘗試次數(shù)（k）能提升成功率（Pass@k）；此外，顯示增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)量也能穩(wěn)定提升模型表現(xiàn)。

-　模型可以自我提升：這種強(qiáng)大的驗(yàn)證能力也解鎖了模型的自我提升：AI智能體可以通過“拒絕采樣+迭代DPO”的自我改進(jìn)循環(huán)，利用自己生成的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)和優(yōu)化，不斷突破性能上限 (3-5%)。

通過“拒絕采樣SFT”和兩輪DPO的自我改進(jìn)循環(huán)，模型性能得以持續(xù)增長。

未來展望：加速醫(yī)療AI的普惠化進(jìn)程

MedAgentGym的發(fā)布，為醫(yī)學(xué)的AI和大語言模型智能體的研究者和開發(fā)者提供了一個(gè)強(qiáng)大工具。它通過提供一個(gè)統(tǒng)一、開放、可擴(kuò)展的平臺(tái)，填補(bǔ)了醫(yī)療代碼智能體開發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵空白。

通過將真實(shí)世界的生物醫(yī)學(xué)任務(wù)、高效可復(fù)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施以及對前沿模型的大規(guī)模基準(zhǔn)測試相結(jié)合，MedAgentGym為推動(dòng)LLM在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)希望，MedAgentGym能夠激發(fā)更多創(chuàng)新，促進(jìn)高效、可靠、臨床接地的AI智能體的發(fā)展，最終為現(xiàn)實(shí)世界的醫(yī)療研究與實(shí)踐提供支持。

有理由相信，在MedAgentGym的助力下，一個(gè)能夠從成功中學(xué)習(xí)、從失敗中進(jìn)化的，更加智能和高效的未來醫(yī)療新時(shí)代，正加速到來。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2506.04405

項(xiàng)目主頁：https://wshi83.github.io/MedAgentGym-Page/

代碼鏈接：https://github.com/wshi83/MedAgentGym

數(shù)據(jù)及模型：https://huggingface.co/MedAgentGym