李宇軒 韓旭 譚保華

摘要：為了解決在影像醫(yī)學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，總結了當前影像閱片系統(tǒng)的內在缺陷，運用計算機深度學習技術與人機工程學技術針對肺部傳染病進行了閱片系統(tǒng)的創(chuàng)新設計。實現(xiàn)了針對COVID-19與其他常見肺部傳染病的CT輔助診斷。認為使用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)學工作流進行優(yōu)化重塑，為各類疾病的智能識別系統(tǒng)的建立帶來新的思路與參考。

關鍵詞：影像醫(yī)學;深度學習;人機工程學;COVID-19;傳染病診斷

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：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，對檢出率產生了影響。而另—方面COVID-19具有獨特的影像學特征，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]。針對問題以國家計算機中心為首的科研機構開始著手Al輔助診斷系統(tǒng)的研發(fā)[2]。而人機界面作為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)學的工作流程。因此本文對于人機界面進行優(yōu)化升級，認為其對加快臨床診斷效率有重要意義。同時研究新興技術與其使用載體如何合理進行了整合，是將先進技術轉化為醫(yī)療產品的重要過程，對于推進智能醫(yī)療體系的發(fā)展有良好促進作用。

一、當前系統(tǒng)的設計缺陷

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致現(xiàn)有系統(tǒng)無法充分輔助醫(yī)生進行診斷?？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，導致檢閱效率的不佳。

同時在抗擊COVID-19病毒的過程中，傳統(tǒng)檢疫軟件系統(tǒng)暴露出諸多內在缺陷，包括系統(tǒng)功能上的不足與操作體驗的不佳，原因是當前檢閱系統(tǒng)各個階段的操作依靠人工，對于智能化技術的應用程度較低，導致實際檢驗過程中醫(yī)師的工作重復性強、機械化搡作多;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基本步驟不能實現(xiàn)功能上全面覆蓋，在診療過程中出現(xiàn)功能空當。在調研中本文運用觀察法與深度訪談法將收集到的數(shù)據(jù)進行整合，將傳統(tǒng)診斷系統(tǒng)的內在缺陷分為：針對軟件功能模塊的缺陷、閱片流程中的用戶痛點、視覺審美的改進需求這三個板塊，如表1。

二、Al輔助診斷系統(tǒng)結構設計

（一）基于功能分區(qū)法的結構設計：區(qū)別于傳統(tǒng)閱片系統(tǒng)冗長繁雜的結構設計，本系統(tǒng)結構的設計基于功能分區(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)主要分為兩個大板塊，圍繞實現(xiàn)Al輔助診斷這一核心功能構建。

1.數(shù)據(jù)傳達模塊：該模塊中重點為Al診斷數(shù)據(jù)傳達，系統(tǒng)通過后臺處理患者CT圖像輸出Al診斷結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行Al分析或批注。此部分的二級功能為閱片工具調整，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)的實現(xiàn)

（一）Al系統(tǒng)的構建：首先，相較于當前系統(tǒng)過度依賴人工檢閱，本系統(tǒng)利用Al技術優(yōu)勢從功能性上實現(xiàn)了突破，在效率上達到了人工檢閱數(shù)十倍的提升，正確率也遠高于低年資醫(yī)師，而隨著影像數(shù)據(jù)的不斷擴充，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，而是對肺科疾病進行有針對性的功能篩選，謹記以實現(xiàn)系統(tǒng)功能與維持醫(yī)師的診斷體驗為出發(fā)點，維持系統(tǒng)良好的操作性，較傳統(tǒng)閱片系統(tǒng)冗雜的架構有明顯改進。

（二）基于深度學習的技術支撐

1.技術合理性：隨著計算機技術不斷發(fā)展，人工智能的深度學習的技術不斷完善，在檢疫醫(yī)學中也扮演著越來越重要的角色。計算機的深度學習技術通過其強大的分析算法與圖像特征識別能力，已經(jīng)在胸片質控、肺結節(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可[5]，可以說是計算機深度學習技術的臨床應用，為各類智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)提供了功能保障。

2技術優(yōu)越性：深度學習技術在COVID-19的臨床診斷中的應用，—方面能輔助醫(yī)生快速完成篩查疑似肺片與進行智能病程分析，另一方面可以替代人工迅速完成部分機械性工作，使診斷過程智能化程度上升。在本系統(tǒng)中，應用了效率更佳的機器學習方式，在準確性與機器學習效率上有了更進一步的提升（圖2），已經(jīng)實現(xiàn)準確地將輸入肺部影像細分為COVID-19、非COVID-19、肺結核、細菌性肺炎、正常影像。

（三）符合人機工程學的界面設計：在針對COVID-19及其他常見肺部傳染病的Al輔助診斷軟件中，操作界面是計算機反饋智能診斷結果的重要載體，也是用戶操控系統(tǒng)的主要途徑，因此信息直觀、操作高效的界面設計十分重要。在界面原型設計過程中，設計師對界面的功能分區(qū)進行了進一步劃分，將整體界面細分為四個區(qū)域：Al診斷結果界面、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，各個區(qū)域專用性高，誤操作可能性大大降低。

值得強調的是，Al診斷信息的傳達離不開合理的人機界面設計，本系統(tǒng)中利用醫(yī)師的視覺焦點區(qū)放置重要信息，來強化特殊數(shù)據(jù)的重要性，達到突出疾病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)師進行進一步的診斷。總體而言，本系統(tǒng)使用符合人機工程學的設計方法，從操作性上保障了系統(tǒng)的高效運作。四、Al輔助診斷系統(tǒng)的設計思路及要點

（一）Al輔助診斷系統(tǒng)的設計思路：良好的系統(tǒng)結構是系統(tǒng)的骨干，系統(tǒng)結構設計中，應基于系統(tǒng)的應用環(huán)境與用戶展開來設計思路“。第一步是確定系統(tǒng)的首要目標。以本系統(tǒng)為例，輔助診斷系統(tǒng)主要應用于突發(fā)公共衛(wèi)生事件與常規(guī)檢疫過程，毋庸置疑，在這兩個環(huán)境中時間是極為寶貴的。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)的任務角度來看，人工檢閱在“初步閱片、篩選疑似肺片”這兩個必要檢閱步驟中花費時間多，可以運用深度學習技術進行合理的優(yōu)化。團隊經(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)勢技術代替了人工操作，經(jīng)過模擬測試，可以極大地壓縮檢閱時間并持續(xù)為后續(xù)的精細檢閱提供輔助診斷意見。

另—方面，人機界面是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的載體，在界面設計中注重人機工程學的運用，設計以醫(yī)師體驗為中心的人機界面。以本系統(tǒng)為例，應充分尊重診斷醫(yī)師操作習慣，除為了提供Al診斷信息需構建新的功能區(qū)域外，設計界面時充分參考“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)師使用時的操作障礙。

在開發(fā)階段，利用美學規(guī)律，重視系統(tǒng)中各個界面的視覺設計，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，達到重點信息進一步突出的效果[7]，而良好的色彩搭配與符合規(guī)范的圖標應用，亦使信息的易讀性上升J表達內容更加具有通用性。綜合考慮以上指導要素，本系統(tǒng)的高保真原型設計中，將界面功能進行合理布局后，在視覺元素設計中基礎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)傳達界面采用淺色背景，突出Al診斷功能與疾病特征值傳達，易于醫(yī)生觀察，最后得到操作性良好的主界面設計，如圖4。

（二）Al輔助診斷系統(tǒng)的界面設計要點

1.數(shù)據(jù)傳達模塊：數(shù)據(jù)傳達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)域上應處于視覺焦點區(qū)域，與其他界面形成明顯的視覺區(qū)分。在設計過程中將該部分的設計要點總結如下：

（1）篩選信息時專家法的應用：在信息呈現(xiàn)的選擇中，應充分采用專家意見法，分析計算機能提供的有效信息后進行多輪篩選與專家測試，再根據(jù)其指導進一步對功能編排與操作邏輯進行修改，在開發(fā)過程中將專家意見與負責編寫軟件的技術人員的想法緊密結合，對需求功能的可行性進行評估判斷，保證實際產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)傳達界面位于界面的視覺焦點區(qū)，應充分抓住焦點區(qū)域的視覺優(yōu)勢，優(yōu)先呈現(xiàn)關鍵信息。在本系統(tǒng)中，疾病判定與其特征值分析是信息傳達的核心，因此運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）容錯性：系統(tǒng)能夠輔助醫(yī)師進行診斷離不開Al程序的準確計算，在技術能夠達到醫(yī)用標準的同時，界面應準確表達計算機程序的判斷結果。同時在不能保證后臺算法百分之百的正確率時，應避免出現(xiàn)完全肯定與高于預期的判斷和特征值的結果，充分維持系統(tǒng)的輔助性原則，避免在極少數(shù)情況下，因計算失誤而影響人工判斷結果。同時在出現(xiàn)問題時，應建立反饋機制，使得后臺能夠進一步完善系統(tǒng)提升其準確率。

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

2.基礎閱片模塊：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算機輸出的診斷結果與特征值，達到Al判斷與人工檢閱雙保險的效果。在設計過程中將該部分的界面設計要點總結如下：

（1）設計中改良為主：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)成了操作習慣，因此在該部分的界面設計中應以改進為主，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行個性化的開發(fā)設計，能極大降低醫(yī)師使用輔助診斷系統(tǒng)時的陌生感，減少其學習時間。

（2）規(guī)范性與可調整性：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)設計時，在視覺圖標上要注意規(guī)范性，保持與規(guī)范圖標的一致性，減少醫(yī)師使用時的困難。并在界面中需要保證功能的可調整性，為不同醫(yī)師的診斷習慣留下調整空間，保證系統(tǒng)的普適性。

（3）利用軟件間的互補性：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)的復雜性與對肺科疾病的專業(yè)性，構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)師需要進行精細閱片時可能會出現(xiàn)功能不足的問題。出現(xiàn)該類問題時，應充分考慮到計算機軟件的靈活性與功能互補性，提供便捷的導入或切換軟件功能，保障整體的診療流程順暢。

五、重塑影像醫(yī)學工作流的未來展望

基于人工智能的深度學習技術研究的不斷發(fā)展，在檢疫醫(yī)學中大量根據(jù)影像學與形態(tài)學進行診斷的疾病在未來都有可能利用機器學習技術進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。在下一步將自適應排版功能融入診斷系統(tǒng)中后，系統(tǒng)將可以根據(jù)診斷產出診斷結果模板，可以完全自動化地實現(xiàn)CT排版、疑似肺片集中顯示、智能報告生成。這樣的智能診斷系統(tǒng)擁有巨大的發(fā)展前景，能對影像工作流進行升級重塑（如圖5）[9]，大大提升影像檢疫醫(yī)學的智能化水平與檢出效率，能對臨床影像醫(yī)學的工作流程優(yōu)化做出重大貢獻。并且隨著各個單位之間系統(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，極大地推進醫(yī)療產業(yè)的信息化數(shù)據(jù)化。

結語

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，為其分擔了工作負擔，極大地提升了各醫(yī)院在處理突發(fā)性肺科疾病時的應急處理能力，同時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，使得設計者能從符合人機工程學角度進行系統(tǒng)設計。

對于肺科疾病的智能識別研究而言，本系統(tǒng)是加強檢疫醫(yī)學中的計算機技術應用的大膽嘗試，為構建信息化的醫(yī)療體系做出了貢獻。隨著系統(tǒng)進入臨床試驗階段，其在功能上會不斷完善與優(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輔助診斷技術的普及推廣創(chuàng)造了機遇。.

基金項目：湖北省教育廳科研項目（ Q20191402）;湖北省文化創(chuàng)意產業(yè)化設計研究中心開放基金重點項目（HBCY1901）;湖北工業(yè)大學校園文化培育重點項目（ 2019SW0109）

參考文獻

[1]黎格，熊曾，周暉等.CT查在2019冠狀病毒病篩查、診斷及治療中的應用價值[J]中南大學學報（醫(yī)學版），2020.45（03）：269-274

[2]劉志偉'王瀟瀟，王子文，新冠肺炎AI輔助醫(yī)學影像診斷系統(tǒng)研究取得進展[J]儀器儀表用戶，2020，27（03）：45

[3]符浩，董繼先'王佳寧，醫(yī)療設備的人機界面研究[J]山東工業(yè)技術，2019（04）：164

[4]任工昌，何秋艷，高瑞芳，功能分解法在醫(yī)療產品交互界面中的應用[J]山東工業(yè)技術2019（03）：160-161+159

[5]Daniel SKermany Michael GoldbaumWenjia Cai，et al：一個基于深度學習的眼病和肺炎兩大類疾病的AI診斷系統(tǒng)[J]科學新聞，2019（02）：33

[6]仲恒平，人機工程學在醫(yī)療空間與設備中的應用[J]中國醫(yī)院建筑與裝備.2012，l3（11）：102-104

[7]趙軍芳，李世國，夏杰字，人機工程學原理在醫(yī)療產品設計中的運用[J]中國醫(yī)療器械雜志2007（06）：429-432

[8]宋惠艷，層次分析一灰色關聯(lián)法在軟件交互界面評價中的應用[J]東華大學學報（自然科學版），2008（03）：318-321

[9]Yang Wang. Fangnmg Yan，Xiaofan Lu，et aI.IILS： Intelligent ima9ng layout system foi automatic imaging reportstandardization and intraiDteidisciplinary clinical woridow opbmization[J] EBioMedicn]e，2019 Pages 162-181， ISSN2352_3964