楊宇輝 ，李素姣 ，喻洪流 ，范秀琴

1.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所(上海,200093)

2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心（上海，200093）

3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海，200093)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)構(gòu)便捷存儲(chǔ)的海量臨床檢驗(yàn)、醫(yī)學(xué)影像和電子病歷等信息數(shù)據(jù)［1］，為智能診斷的研究提供了良好的數(shù)據(jù)支持。人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)引入醫(yī)療領(lǐng)域，為臨床決策支持系統(tǒng)(clinical decision support system,CDSS)的開發(fā)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

CDSS 是一個(gè)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，針對(duì)存在的臨床醫(yī)學(xué)問(wèn)題，通過(guò)人機(jī)交互的方式為臨床醫(yī)生提供決策輔助診療的系統(tǒng)。我國(guó)目前的醫(yī)療現(xiàn)狀存在著地區(qū)間醫(yī)療資源分配不均，醫(yī)療質(zhì)量水平有待提高等問(wèn)題需要解決［2］，而CDSS 通過(guò)運(yùn)用專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理方法，模擬醫(yī)學(xué)專家診療過(guò)程，并通過(guò)分析臨床數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)與決策之間的邏輯關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)來(lái)輔助醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行臨床決策［3］。這一特性能夠很好地緩解醫(yī)療資源不均衡的問(wèn)題，為醫(yī)療條件欠發(fā)達(dá)地區(qū)的醫(yī)生提供較為完善的決策輔助支持。同時(shí)CDSS 能對(duì)特定的疾病進(jìn)行預(yù)測(cè)和智能診療，將人類專家的診斷經(jīng)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析處理能力有效結(jié)合，幫助臨床醫(yī)生掌握循證醫(yī)學(xué)證據(jù)，降低工作強(qiáng)度和誤診率，減少對(duì)患者不必要的傷害。

1 臨床決策支持系統(tǒng)的發(fā)展

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，開發(fā)出能夠利用患者數(shù)據(jù)和臨床指南的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)模擬人類決策過(guò)程，加快實(shí)現(xiàn)臨床醫(yī)師推理和判斷的自動(dòng)化是幾十年前就存在的爭(zhēng)論話題［4］。早在1968 年，Lusted 就開始研究如何在計(jì)算機(jī)上更精確地實(shí)現(xiàn)人類在醫(yī)學(xué)診療中的工作流程。但此類系統(tǒng)的開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜苛刻的多學(xué)科任務(wù)，需要整合臨床領(lǐng)域的知識(shí)與決策來(lái)使得臨床決策支持系統(tǒng)(clinical decision support system,CDSS) 適應(yīng)整個(gè)醫(yī)療體系實(shí)踐工作流程。近幾年研究中，CONFlexFlow（clinical context based flexible workFlow）系統(tǒng)即基于臨床背景的靈活型工作系統(tǒng)成功將臨床工作流程集成到CDSS 中，加速了計(jì)算機(jī)診療研究進(jìn)展［5］。在理論框架上，谷歌提出的TITE 架構(gòu)(時(shí)間Time，交互Interactions，趨勢(shì)Trends，結(jié)果Events) 涵蓋了系統(tǒng)的重要組成部分。盡管CDSS 發(fā)展迅速，但針對(duì)CDSS 在數(shù)據(jù)挖掘和決策制定方面并沒(méi)有系統(tǒng)化的概念說(shuō)明和實(shí)施方法。Fox 等人在研究中使用的PROforma 方法，以圖形符號(hào)等形式來(lái)表述臨床指南和協(xié)議；Ledley 等人最早在臨床醫(yī)學(xué)中引入了數(shù)學(xué)模型幫助醫(yī)師進(jìn)行輔助診斷，之后出現(xiàn)了應(yīng)用于各個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域的專家系統(tǒng)［6］，這也是最典型的基于知識(shí)庫(kù)的CDSS?；谥R(shí)庫(kù)的CDSS 是利用自然語(yǔ)言處理技術(shù)來(lái)模仿專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)構(gòu)建專家系統(tǒng)做出診斷策略包括疾病預(yù)測(cè)及匹配治療方案。

隨著近年來(lái)醫(yī)學(xué)診療過(guò)程復(fù)雜度的加深，各個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域除了需要嚴(yán)格范式的臨床決策，還需要CDSS 提供各種診療方案供臨床醫(yī)師進(jìn)行選擇或修改［7］。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的突破性進(jìn)展使CDSS 對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的信息挖掘更便利，在臨床結(jié)果預(yù)測(cè)上更加準(zhǔn)確和更具有針對(duì)性?；诜侵R(shí)庫(kù)的CDSS 是以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建并訓(xùn)練分類模型或預(yù)測(cè)模型，然后進(jìn)行疾病的識(shí)別診斷和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。此類CDSS 是利用各類機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，Otoom 等利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)和函數(shù)樹(function tree,FT) 為心臟病檢測(cè)輔助決策系統(tǒng)的算法并比較它們的準(zhǔn)確率［8］；斯坦福癌癥中心相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)被用于研究證明該方法的高準(zhǔn)確性和可解釋性，并展示了一種針對(duì)轉(zhuǎn)移性癌癥進(jìn)行個(gè)性化治療的決策支持系統(tǒng)［9］。

我們通過(guò)總結(jié)CDSS 相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，CDSS 通過(guò)制定診療規(guī)則很好地利用了臨床指南，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)更好地對(duì)歷史病患信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，輔助醫(yī)師做好診療工作。但目前大多數(shù)系統(tǒng)都針對(duì)單一病種，且疾病種類覆蓋不全、功能單一。向功能復(fù)合型系統(tǒng)過(guò)渡、利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理更多復(fù)雜疾病是未來(lái)CDSS 發(fā)展的方向。

2 臨床決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用

雖然隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，臨床診療和用藥逐漸規(guī)范化，但仍有研究表明很多藥物在臨床使用中存在濫用、誤用情況［10］。而借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的CDSS 能夠輔助醫(yī)師避免大部分醫(yī)療錯(cuò)誤，成了未來(lái)醫(yī)學(xué)信息化研究的核心。臨床決策包括選擇適當(dāng)?shù)呐R床檢測(cè)、對(duì)患者進(jìn)行準(zhǔn)確醫(yī)學(xué)診斷、選擇最佳治療方法以及對(duì)患者治療后效果預(yù)測(cè)。針對(duì)實(shí)際需求，CDSS 在醫(yī)學(xué)診療流程的各個(gè)環(huán)節(jié)均得到應(yīng)用。Coiera 將CDSS 的應(yīng)用總結(jié)為八個(gè)方面，包括：輔助診斷、影像識(shí)別與解釋、治療方案規(guī)劃和評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、醫(yī)囑輸入和電子處方、過(guò)程支持系統(tǒng)、循證檢索以及專家實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)［11］。

下面從CDSS 的技術(shù)原理、應(yīng)用領(lǐng)域和功能特點(diǎn)等方面對(duì)部分典型系統(tǒng)進(jìn)行了分析總結(jié)，其技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況，詳見表1。

表1 臨床決策支持系統(tǒng)實(shí)例Tab.1 Examples of clinical decision support system

從表1 看出，兩種技術(shù)原理的CDSS 的主要特點(diǎn)如下:

(1) 基于知識(shí)庫(kù)的CDSS 是通過(guò)建立一個(gè)可模擬相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以\療思維的計(jì)算機(jī)程序，采用IFTHEN 模式來(lái)存儲(chǔ)和使用專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，為臨床醫(yī)師補(bǔ)充醫(yī)學(xué)知識(shí)和醫(yī)療資源匱乏的醫(yī)院提供輔助診斷和治療建議。但是該類系統(tǒng)只能基于既有的規(guī)則做出指導(dǎo)和評(píng)估，無(wú)法針對(duì)個(gè)體的實(shí)際情況進(jìn)行更加深入和準(zhǔn)確的挖掘分析［22］；而系統(tǒng)的規(guī)則都需要手動(dòng)輸入和更新，造成系統(tǒng)更新維護(hù)煩瑣和缺乏信息時(shí)效性。

(2)基于非知識(shí)庫(kù)的CDSS，不同于基于知識(shí)庫(kù)的專家系統(tǒng)，是從歷史臨床數(shù)據(jù)中挖掘信息以提供決策方案，包括診斷結(jié)果、治療方案、用藥指導(dǎo)［23］。技術(shù)上集成了電子病歷，使得系統(tǒng)提供的決策更加符合各個(gè)科室臨床醫(yī)師的行為習(xí)慣。該類系統(tǒng)推薦方案的質(zhì)量和完善度會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增多而提升，而數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量則是影響此類CDSS 給出決策方案的準(zhǔn)確性和完善性的最重要因素。

3 CDSS 的主要優(yōu)勢(shì)和局限

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)和分析，我們發(fā)現(xiàn)CDSS 常見的應(yīng)用功能集中在輔助診斷、影像識(shí)別與解釋、治療方案規(guī)劃與評(píng)估以及醫(yī)囑輸入與電子處方。結(jié)合這些不同功能類型的CDSS 在臨床應(yīng)用中的特點(diǎn)，本文歸納出他們的各自的優(yōu)勢(shì)和局限，詳見表2。

表2 不同功能CDSS 的優(yōu)勢(shì)和局限Tab.2 Advantages and limitations of different functions of CDSS

CDSS 輔助診斷即是輔助臨床醫(yī)師對(duì)患者的疾病種類、病情程度等進(jìn)行評(píng)估與診斷，其高準(zhǔn)確度和科室寬廣度將會(huì)有效地緩解醫(yī)療資源分布不均的問(wèn)題；但某種疾病發(fā)生突變就會(huì)造成系統(tǒng)的嚴(yán)重誤診或者失效。影像識(shí)別與解釋能夠基于患者影像數(shù)據(jù)識(shí)別病灶及給出可能的疾病預(yù)測(cè)，提高了影像科醫(yī)師工作效率，輔助其對(duì)病患影像分析得更加全面；但是不同影像針對(duì)的器官或組織的生理結(jié)構(gòu)不同，因此整個(gè)系統(tǒng)的模型建立有著高復(fù)雜性。治療方案規(guī)劃和評(píng)估功能是基于相關(guān)疾病知識(shí)經(jīng)驗(yàn)或者病例數(shù)據(jù)庫(kù)給出當(dāng)前患者可能的治療方案，并作出對(duì)應(yīng)方案的評(píng)估，能實(shí)現(xiàn)診療方案的規(guī)范化和權(quán)威化；但系統(tǒng)也可能沒(méi)有考慮不同患者病情存在的細(xì)微差距從而影響最終治療方案。醫(yī)囑輸入和電子處方是由系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的知識(shí)規(guī)則檢查并生成電子醫(yī)囑處方，提高了醫(yī)生病歷書寫的效率和病歷的完整性；但是此功能沒(méi)辦法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)整個(gè)醫(yī)院信息系統(tǒng)整合。

4 CDSS 臨床應(yīng)用總結(jié)

CDSS 能夠極大地提高臨床醫(yī)師的工作效率，幫助醫(yī)師更快地掌握病人個(gè)體差異化的信息。而目前投入應(yīng)用的CDSS 性能參差不齊，對(duì)現(xiàn)有CDSS 存在的問(wèn)題進(jìn)行討論和總結(jié)有利于推動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

4.1 CDSS 臨床存在的問(wèn)題

(1) 開發(fā)研究CDSS 是為了輔助醫(yī)師進(jìn)行臨床診療工作，從醫(yī)護(hù)人員使用體驗(yàn)上存在著以下問(wèn)題：部分醫(yī)師認(rèn)為CDSS 的使用妨礙醫(yī)生和患者進(jìn)行交流［27］，并擔(dān)心系統(tǒng)影響醫(yī)生在臨床過(guò)程中獨(dú)立思考的能力和突發(fā)情況中的判斷決策能力。

(2) 從CDSS 的概念和目的來(lái)看具有很高的研發(fā)價(jià)值，但是實(shí)際推廣使用情況不理想的原因包括：①易用性低，忽略了醫(yī)師在使用過(guò)程中人機(jī)交互的簡(jiǎn)易性；②系統(tǒng)設(shè)計(jì)人性化不足；③CDSS與當(dāng)前醫(yī)療系統(tǒng)的兼容性較低。

(3) 現(xiàn)有的CDSS 對(duì)歷史數(shù)據(jù)的利用不足：①單一醫(yī)療機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)量無(wú)法滿足CDSS 模型的覆蓋范圍，但大范圍建立云數(shù)據(jù)庫(kù)涉及醫(yī)療數(shù)據(jù)的保密性和隱私性，且不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的病例數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的計(jì)算能力。②對(duì)患者數(shù)據(jù)處理大多是橫向比較，對(duì)于數(shù)據(jù)的縱向性涵蓋不全，導(dǎo)致系統(tǒng)針對(duì)新的臨床信息重新制定診療方案時(shí)容易產(chǎn)生不同的意見。③存在的誤診或非最佳處方案例可能應(yīng)用到下一次醫(yī)療診斷。

4.2 CDSS 未來(lái)發(fā)展展望

為了提高CDSS 設(shè)計(jì)水平和促進(jìn)新系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)更好地輔助臨床醫(yī)師進(jìn)行診療，結(jié)合目前典型應(yīng)用系統(tǒng)，我們從臨床使用、系統(tǒng)技術(shù)和醫(yī)療數(shù)據(jù)三個(gè)關(guān)鍵的方面提出未來(lái)發(fā)展展望：

(1) 臨床醫(yī)師使用角度：①臨床醫(yī)師在CDSS研發(fā)階段參與設(shè)計(jì)開發(fā)，提高系統(tǒng)的實(shí)用性，減少醫(yī)生對(duì)系統(tǒng)決策的不信任；②系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加人性化，為臨床醫(yī)師提供決策方案的同時(shí)附有相對(duì)應(yīng)的醫(yī)學(xué)解釋；③為臨床醫(yī)師進(jìn)行系統(tǒng)的使用培訓(xùn)，并配有相應(yīng)的操作手冊(cè)和其他培訓(xùn)材料。

(2) 從系統(tǒng)技術(shù)角度上：①實(shí)現(xiàn)知識(shí)來(lái)源“雙引擎化”，即循證醫(yī)學(xué)知識(shí)庫(kù)+醫(yī)院臨床數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的模式能夠更好地面對(duì)各種臨床疾病；②研究計(jì)算成本低計(jì)算速度快的分類或回歸算法，能夠?qū)崿F(xiàn)高效給出方案的同時(shí)保證決策的準(zhǔn)確性；③針對(duì)病患數(shù)據(jù)集存在很多臨床特征時(shí)，使用主成分分析（principal component analysis，PCA）［28］降維或者診斷相關(guān)分組（diagnosis related groups，DRG）［29］等處理模式將數(shù)據(jù)分組來(lái)加快數(shù)據(jù)挖掘的效率。

(3) 在醫(yī)療數(shù)據(jù)使用方面：①CDSS 應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)與醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)交互獲取病患動(dòng)態(tài)特征屬性，通過(guò)縱向比較制定更加個(gè)性化的診療方案；②CDSS實(shí)施過(guò)程需要融入醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospital information system，HIS）來(lái)共享臨床數(shù)據(jù)，加快診療進(jìn)程，提高醫(yī)院工作和服務(wù)效率；③歷史數(shù)據(jù)量必須足夠大且包括各類罕見病和特殊病例，系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)建模才能提高準(zhǔn)確性和成功率。

通過(guò)優(yōu)化CDSS，使其決策方案能夠在實(shí)際醫(yī)院環(huán)境中更加實(shí)用，為臨床醫(yī)生提供有理論和數(shù)據(jù)支撐的建議，輔助臨床醫(yī)師提高能力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和安全的臨床診療。