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        COVID一19及其他常見肺部傳染病輔助診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

        2020-06-01 07:55:34李宇軒韓旭譚保華
        設(shè)計(jì) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:閱片診斷系統(tǒng)醫(yī)師

        李宇軒 韓旭 譚保華

        摘要:為了解決在影像醫(yī)學(xué)診斷中僅依靠人工檢閱出現(xiàn)的效率不佳等問題。通過觀察法與深度訪談收集醫(yī)師在診斷過程中的問題,總結(jié)了當(dāng)前影像閱片系統(tǒng)的內(nèi)在缺陷,運(yùn)用計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)技術(shù)與人機(jī)工程學(xué)技術(shù)針對肺部傳染病進(jìn)行了閱片系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了針對COVID-19與其他常見肺部傳染病的CT輔助診斷。認(rèn)為使用Al輔助診斷系統(tǒng)利于臨床診斷效率的提升,并能對影像醫(yī)學(xué)工作流進(jìn)行優(yōu)化重塑,為各類疾病的智能識(shí)別系統(tǒng)的建立帶來新的思路與參考。

        關(guān)鍵詞:影像醫(yī)學(xué);深度學(xué)習(xí);人機(jī)工程學(xué);COVID-19;傳染病診斷

        中圖分類號(hào):TB47

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1003-0069 (2020) 04-0090-03

        引言

        2019年12月,一種由新型冠狀病毒引發(fā)的病毒性肺炎(COVID-19)爆發(fā)。在新型冠狀病毒肺炎疫情初期因核酸檢測易出現(xiàn)假陽性,對檢出率產(chǎn)生了影響。而另—方面COVID-19具有獨(dú)特的影像學(xué)特征,但傳統(tǒng)的人工檢疫系統(tǒng)在新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)期間,面對大量待查患者,低年資醫(yī)師易出現(xiàn)效率不佳,診斷能力不足等問題[1]。針對問題以國家計(jì)算機(jī)中心為首的科研機(jī)構(gòu)開始著手Al輔助診斷系統(tǒng)的研發(fā)[2]。而人機(jī)界面作為Al診斷系統(tǒng)不可分割的一部分,是醫(yī)師處理信息的重要媒介,影響著醫(yī)師對CT影像的檢閱方式與處理速度,且在一定程度上影響著影像醫(yī)學(xué)的工作流程。因此本文對于人機(jī)界面進(jìn)行優(yōu)化升級,認(rèn)為其對加快臨床診斷效率有重要意義。同時(shí)研究新興技術(shù)與其使用載體如何合理進(jìn)行了整合,是將先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為醫(yī)療產(chǎn)品的重要過程,對于推進(jìn)智能醫(yī)療體系的發(fā)展有良好促進(jìn)作用。

        一、當(dāng)前系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷

        在醫(yī)療軟件的開發(fā)中,良好的操作系統(tǒng)對醫(yī)生診療效率與正確率有明顯提升,而性能不足的操作系統(tǒng)則會(huì)起到相反作用[3]。在此次突發(fā)性公共衛(wèi)生事件中,有諸多主客觀因素導(dǎo)致現(xiàn)有系統(tǒng)無法充分輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷??陀^的外在因素有新型冠狀病毒肺炎疫情初期待查病人過多、目前普遍使用的64排螺旋CT產(chǎn)出的圖片精度與數(shù)量都大大增加,此類問題加大了醫(yī)師的工作量,導(dǎo)致檢閱效率的不佳。

        同時(shí)在抗擊COVID-19病毒的過程中,傳統(tǒng)檢疫軟件系統(tǒng)暴露出諸多內(nèi)在缺陷,包括系統(tǒng)功能上的不足與操作體驗(yàn)的不佳,原因是當(dāng)前檢閱系統(tǒng)各個(gè)階段的操作依靠人工,對于智能化技術(shù)的應(yīng)用程度較低,導(dǎo)致實(shí)際檢驗(yàn)過程中醫(yī)師的工作重復(fù)性強(qiáng)、機(jī)械化搡作多;而在臨床診斷流程中,診斷醫(yī)師普遍需用到多個(gè)電腦軟件,也反映出現(xiàn)階段的醫(yī)療診斷軟件對于診療流程中的每個(gè)基本步驟不能實(shí)現(xiàn)功能上全面覆蓋,在診療過程中出現(xiàn)功能空當(dāng)。在調(diào)研中本文運(yùn)用觀察法與深度訪談法將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,將傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)的內(nèi)在缺陷分為:針對軟件功能模塊的缺陷、閱片流程中的用戶痛點(diǎn)、視覺審美的改進(jìn)需求這三個(gè)板塊,如表1。

        二、Al輔助診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        (一)基于功能分區(qū)法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):區(qū)別于傳統(tǒng)閱片系統(tǒng)冗長繁雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基于功能分區(qū)法,依據(jù)視覺規(guī)律優(yōu)先呈現(xiàn)重要信息[4],使得整體板塊劃分更為合理,如圖1。系統(tǒng)主要分為兩個(gè)大板塊,圍繞實(shí)現(xiàn)Al輔助診斷這一核心功能構(gòu)建。

        1.數(shù)據(jù)傳達(dá)模塊:該模塊中重點(diǎn)為Al診斷數(shù)據(jù)傳達(dá),系統(tǒng)通過后臺(tái)處理患者CT圖像輸出Al診斷結(jié)果與疾病特征值分析給表現(xiàn)層的系統(tǒng)界面。其中特征值展示了Al系統(tǒng)對于疾病可能性的預(yù)測,數(shù)值越大則樣本患病可能性越高,是輔助診斷醫(yī)師進(jìn)行疾病診斷的重要數(shù)據(jù)。該部分的二級功能是選擇不同疾病在Al篩選中優(yōu)先級。

        2.基礎(chǔ)閱片模塊:此模塊是展示疑似CT的界面,是系統(tǒng)中醫(yī)師進(jìn)行檢閱操作的主要區(qū)域。該部分優(yōu)先為診斷醫(yī)師展示系統(tǒng)判定最具有特征的疑似CT,并對特殊的病灶信息進(jìn)行Al分析或批注。此部分的二級功能為閱片工具調(diào)整,用以保證醫(yī)師能在本系統(tǒng)中完成診斷流程。

        三、Al輔助診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        (一)Al系統(tǒng)的構(gòu)建:首先,相較于當(dāng)前系統(tǒng)過度依賴人工檢閱,本系統(tǒng)利用Al技術(shù)優(yōu)勢從功能性上實(shí)現(xiàn)了突破,在效率上達(dá)到了人工檢閱數(shù)十倍的提升,正確率也遠(yuǎn)高于低年資醫(yī)師,而隨著影像數(shù)據(jù)的不斷擴(kuò)充,精度也將不斷提高。

        并且在功能開發(fā)中,不一味地維持系統(tǒng)功能全面性,而是對肺科疾病進(jìn)行有針對性的功能篩選,謹(jǐn)記以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能與維持醫(yī)師的診斷體驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn),維持系統(tǒng)良好的操作性,較傳統(tǒng)閱片系統(tǒng)冗雜的架構(gòu)有明顯改進(jìn)。

        (二)基于深度學(xué)習(xí)的技術(shù)支撐

        1.技術(shù)合理性:隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,人工智能的深度學(xué)習(xí)的技術(shù)不斷完善,在檢疫醫(yī)學(xué)中也扮演著越來越重要的角色。計(jì)算機(jī)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)通過其強(qiáng)大的分析算法與圖像特征識(shí)別能力,已經(jīng)在胸片質(zhì)控、肺結(jié)節(jié)檢出、肺癌診斷等諸多肺部疾病中取得成果并得到臨床認(rèn)可[5],可以說是計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)技術(shù)的臨床應(yīng)用,為各類智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)提供了功能保障。

        2技術(shù)優(yōu)越性:深度學(xué)習(xí)技術(shù)在COVID-19的臨床診斷中的應(yīng)用,—方面能輔助醫(yī)生快速完成篩查疑似肺片與進(jìn)行智能病程分析,另一方面可以替代人工迅速完成部分機(jī)械性工作,使診斷過程智能化程度上升。在本系統(tǒng)中,應(yīng)用了效率更佳的機(jī)器學(xué)習(xí)方式,在準(zhǔn)確性與機(jī)器學(xué)習(xí)效率上有了更進(jìn)一步的提升(圖2),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地將輸入肺部影像細(xì)分為COVID-19、非COVID-19、肺結(jié)核、細(xì)菌性肺炎、正常影像。

        (三)符合人機(jī)工程學(xué)的界面設(shè)計(jì):在針對COVID-19及其他常見肺部傳染病的Al輔助診斷軟件中,操作界面是計(jì)算機(jī)反饋智能診斷結(jié)果的重要載體,也是用戶操控系統(tǒng)的主要途徑,因此信息直觀、操作高效的界面設(shè)計(jì)十分重要。在界面原型設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)師對界面的功能分區(qū)進(jìn)行了進(jìn)一步劃分,將整體界面細(xì)分為四個(gè)區(qū)域:Al診斷結(jié)果界面、閱片界面、工具欄、控制界面,如圖3。醫(yī)師閱片的區(qū)域與Al診斷區(qū)域劃分明顯,各個(gè)區(qū)域?qū)S眯愿?,誤操作可能性大大降低。

        值得強(qiáng)調(diào)的是,Al診斷信息的傳達(dá)離不開合理的人機(jī)界面設(shè)計(jì),本系統(tǒng)中利用醫(yī)師的視覺焦點(diǎn)區(qū)放置重要信息,來強(qiáng)化特殊數(shù)據(jù)的重要性,達(dá)到突出疾病Al診斷與特征值信息的目的。

        在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式上采用圖示語言搭配文本方式,—方面圖示化語言加快了醫(yī)師理解信息的速度,另—方面可利用更加直觀的表格等反映各種疾病可能性之間對比,利于醫(yī)師進(jìn)行進(jìn)一步的診斷。總體而言,本系統(tǒng)使用符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)方法,從操作性上保障了系統(tǒng)的高效運(yùn)作。四、Al輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及要點(diǎn)

        (一)Al輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路:良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的骨干,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)基于系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境與用戶展開來設(shè)計(jì)思路“。第一步是確定系統(tǒng)的首要目標(biāo)。以本系統(tǒng)為例,輔助診斷系統(tǒng)主要應(yīng)用于突發(fā)公共衛(wèi)生事件與常規(guī)檢疫過程,毋庸置疑,在這兩個(gè)環(huán)境中時(shí)間是極為寶貴的。因此提升檢閱效率是系統(tǒng)第一要義,根據(jù)COVID-19輔助診斷系統(tǒng)的任務(wù)角度來看,人工檢閱在“初步閱片、篩選疑似肺片”這兩個(gè)必要檢閱步驟中花費(fèi)時(shí)間多,可以運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過整理專家意見與系統(tǒng)功能的臨床測試,在保證功能性的前提下,使用優(yōu)勢技術(shù)代替了人工操作,經(jīng)過模擬測試,可以極大地壓縮檢閱時(shí)間并持續(xù)為后續(xù)的精細(xì)檢閱提供輔助診斷意見。

        另—方面,人機(jī)界面是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的載體,在界面設(shè)計(jì)中注重人機(jī)工程學(xué)的運(yùn)用,設(shè)計(jì)以醫(yī)師體驗(yàn)為中心的人機(jī)界面。以本系統(tǒng)為例,應(yīng)充分尊重診斷醫(yī)師操作習(xí)慣,除為了提供Al診斷信息需構(gòu)建新的功能區(qū)域外,設(shè)計(jì)界面時(shí)充分參考“推想、東華”等公司推出的其熟悉的操作系統(tǒng)的界面與交互流程,做到最大程度上減少診斷醫(yī)師使用時(shí)的操作障礙。

        在開發(fā)階段,利用美學(xué)規(guī)律,重視系統(tǒng)中各個(gè)界面的視覺設(shè)計(jì),是提升系統(tǒng)操作性的良好舉措。采用符合用戶使用邏輯的版面分布,達(dá)到重點(diǎn)信息進(jìn)一步突出的效果[7],而良好的色彩搭配與符合規(guī)范的圖標(biāo)應(yīng)用,亦使信息的易讀性上升J表達(dá)內(nèi)容更加具有通用性。綜合考慮以上指導(dǎo)要素,本系統(tǒng)的高保真原型設(shè)計(jì)中,將界面功能進(jìn)行合理布局后,在視覺元素設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)閱片界面采取深色背景,規(guī)避對診斷醫(yī)師視覺造成干擾避免誤操作。系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)傳達(dá)界面采用淺色背景,突出Al診斷功能與疾病特征值傳達(dá),易于醫(yī)生觀察,最后得到操作性良好的主界面設(shè)計(jì),如圖4。

        (二)Al輔助診斷系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        1.數(shù)據(jù)傳達(dá)模塊:數(shù)據(jù)傳達(dá)模塊指的是向診斷醫(yī)師輸出Al診斷信息的界面是系統(tǒng)的核心功能,在視覺區(qū)域上應(yīng)處于視覺焦點(diǎn)區(qū)域,與其他界面形成明顯的視覺區(qū)分。在設(shè)計(jì)過程中將該部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下:

        (1)篩選信息時(shí)專家法的應(yīng)用:在信息呈現(xiàn)的選擇中,應(yīng)充分采用專家意見法,分析計(jì)算機(jī)能提供的有效信息后進(jìn)行多輪篩選與專家測試,再根據(jù)其指導(dǎo)進(jìn)一步對功能編排與操作邏輯進(jìn)行修改,在開發(fā)過程中將專家意見與負(fù)責(zé)編寫軟件的技術(shù)人員的想法緊密結(jié)合,對需求功能的可行性進(jìn)行評估判斷,保證實(shí)際產(chǎn)品與需求的盡可能對接[8],充分發(fā)揮Al的智能眭與輔助性,為疾病診斷帶來盡可能多的有效輔助信息。

        (2)突出重要信息:數(shù)據(jù)傳達(dá)界面位于界面的視覺焦點(diǎn)區(qū),應(yīng)充分抓住焦點(diǎn)區(qū)域的視覺優(yōu)勢,優(yōu)先呈現(xiàn)關(guān)鍵信息。在本系統(tǒng)中,疾病判定與其特征值分析是信息傳達(dá)的核心,因此運(yùn)用更多的空間與放大的字體等方式凸顯其重要性,為醫(yī)師的診斷提供充分的輔助。

        (3)容錯(cuò)性:系統(tǒng)能夠輔助醫(yī)師進(jìn)行診斷離不開Al程序的準(zhǔn)確計(jì)算,在技術(shù)能夠達(dá)到醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),界面應(yīng)準(zhǔn)確表達(dá)計(jì)算機(jī)程序的判斷結(jié)果。同時(shí)在不能保證后臺(tái)算法百分之百的正確率時(shí),應(yīng)避免出現(xiàn)完全肯定與高于預(yù)期的判斷和特征值的結(jié)果,充分維持系統(tǒng)的輔助性原則,避免在極少數(shù)情況下,因計(jì)算失誤而影響人工判斷結(jié)果。同時(shí)在出現(xiàn)問題時(shí),應(yīng)建立反饋機(jī)制,使得后臺(tái)能夠進(jìn)一步完善系統(tǒng)提升其準(zhǔn)確率。

        (4)非專業(yè)人員的使用:當(dāng)Al輔助診斷系統(tǒng)可能會(huì)應(yīng)用于醫(yī)療水平落后區(qū)域時(shí),需要考慮到非專業(yè)人員使用可能性,該情況下應(yīng)配備有多種語言的重要功能說明并在初次使用時(shí)有相應(yīng)功能上的提示引導(dǎo),輔助用戶學(xué)習(xí)系統(tǒng)的操作。同時(shí)在用戶進(jìn)行多次無效操作時(shí)使用彈窗等形式進(jìn)行提示,為出現(xiàn)使用困難的用戶提供操作指引。

        2.基礎(chǔ)閱片模塊:該部分主要指的是為診斷醫(yī)師提供CT影像的界面,目的是幫助醫(yī)師進(jìn)行初步人工診斷,—方面可以主觀的診斷疾病,另—方面可以客觀地比對計(jì)算機(jī)輸出的診斷結(jié)果與特征值,達(dá)到Al判斷與人工檢閱雙保險(xiǎn)的效果。在設(shè)計(jì)過程中將該部分的界面設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下:

        (1)設(shè)計(jì)中改良為主:閱片界面是醫(yī)師常年操作的界面,他們對于傳統(tǒng)的閱片界面十分熟悉,考慮到可能已經(jīng)養(yǎng)成了操作習(xí)慣,因此在該部分的界面設(shè)計(jì)中應(yīng)以改進(jìn)為主,對于工具的使用方法、視覺效果、操作流程原則上不予以改變,盡可能地了解院方原閱片器后進(jìn)行個(gè)性化的開發(fā)設(shè)計(jì),能極大降低醫(yī)師使用輔助診斷系統(tǒng)時(shí)的陌生感,減少其學(xué)習(xí)時(shí)間。

        (2)規(guī)范性與可調(diào)整性:市場中開發(fā)成熟的CT閱片軟件已經(jīng)較多,因此在新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在視覺圖標(biāo)上要注意規(guī)范性,保持與規(guī)范圖標(biāo)的一致性,減少醫(yī)師使用時(shí)的困難。并在界面中需要保證功能的可調(diào)整性,為不同醫(yī)師的診斷習(xí)慣留下調(diào)整空間,保證系統(tǒng)的普適性。

        (3)利用軟件間的互補(bǔ)性:在COVID-19及常見的肺部傳染病輔助診斷系統(tǒng)中,核心功能為輔助診斷,為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜性與對肺科疾病的專業(yè)性,構(gòu)建舒適化的操作面板,對于CT的閱片器功能存在刪減,因此在軟件的初期版本中診斷醫(yī)師需要進(jìn)行精細(xì)閱片時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)功能不足的問題。出現(xiàn)該類問題時(shí),應(yīng)充分考慮到計(jì)算機(jī)軟件的靈活性與功能互補(bǔ)性,提供便捷的導(dǎo)入或切換軟件功能,保障整體的診療流程順暢。

        五、重塑影像醫(yī)學(xué)工作流的未來展望

        基于人工智能的深度學(xué)習(xí)技術(shù)研究的不斷發(fā)展,在檢疫醫(yī)學(xué)中大量根據(jù)影像學(xué)與形態(tài)學(xué)進(jìn)行診斷的疾病在未來都有可能利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行輔助診斷與智能診斷,能大大減少人工檢閱的壓力,在該系統(tǒng)被廣泛推廣使用后,將能使得各醫(yī)院及防控單位的檢閱效率與應(yīng)急處理能力大大上升,形成醫(yī)療診斷行業(yè)的整體大踏步前進(jìn)。在下一步將自適應(yīng)排版功能融入診斷系統(tǒng)中后,系統(tǒng)將可以根據(jù)診斷產(chǎn)出診斷結(jié)果模板,可以完全自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)CT排版、疑似肺片集中顯示、智能報(bào)告生成。這樣的智能診斷系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)展前景,能對影像工作流進(jìn)行升級重塑(如圖5)[9],大大提升影像檢疫醫(yī)學(xué)的智能化水平與檢出效率,能對臨床影像醫(yī)學(xué)的工作流程優(yōu)化做出重大貢獻(xiàn)。并且隨著各個(gè)單位之間系統(tǒng)的連接,將有能力緩解目前醫(yī)療系統(tǒng)中的信息孤島現(xiàn)象,形成以智能診斷為目的的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫,極大地推進(jìn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的信息化數(shù)據(jù)化。

        結(jié)語

        COVID-19及其他常見肺部傳染病輔助診斷系統(tǒng)對肺科疾病的的臨床診斷而言,相比傳統(tǒng)人工檢閱的正確率與效率,都有較大的提升,讓診斷醫(yī)師的工作量大大減少,為其分擔(dān)了工作負(fù)擔(dān),極大地提升了各醫(yī)院在處理突發(fā)性肺科疾病時(shí)的應(yīng)急處理能力,同時(shí)對于類似的針對特定疾病的輔助診斷系統(tǒng)的開發(fā),具有借鑒意義,使得設(shè)計(jì)者能從符合人機(jī)工程學(xué)角度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

        對于肺科疾病的智能識(shí)別研究而言,本系統(tǒng)是加強(qiáng)檢疫醫(yī)學(xué)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的大膽嘗試,為構(gòu)建信息化的醫(yī)療體系做出了貢獻(xiàn)。隨著系統(tǒng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,其在功能上會(huì)不斷完善與優(yōu)化升級,讓更多的診斷醫(yī)師了解并使用Al輔助診斷,無疑為Al輔助診斷技術(shù)的普及推廣創(chuàng)造了機(jī)遇。.

        基金項(xiàng)目:湖北省教育廳科研項(xiàng)目( Q20191402);湖北省文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)研究中心開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目(HBCY1901);湖北工業(yè)大學(xué)校園文化培育重點(diǎn)項(xiàng)目( 2019SW0109)

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