葉瑩,趙楠,戴薇薇,韓輝武,羅文靜,李欣儀,許景燦,白姣姣,周秋紅

糖尿病足潰瘍(Diabetic Foot Ulcer, DFU)是糖尿病最常見、最嚴(yán)重的慢性并發(fā)癥之一，10%～15%的糖尿病患者最終會(huì)發(fā)展為足潰瘍[1]。糖尿病患者發(fā)生足潰瘍不僅會(huì)增加其截肢率和病死率，且極易復(fù)發(fā)。研究顯示，糖尿病足潰瘍患者潰瘍愈合后1、3、5年復(fù)發(fā)率分別達(dá)40%、60%、65%[2]。糖尿病足治療困難，花費(fèi)巨大，給患者、家庭及社會(huì)帶來極大負(fù)擔(dān)。有文獻(xiàn)報(bào)道，糖尿病足潰瘍和截肢所需醫(yī)療費(fèi)用幾乎與其他糖尿病并發(fā)癥所需的總費(fèi)用相當(dāng)[3]，我國(guó)糖尿病足患者次均住院費(fèi)用已超過2.18萬元[4]。分級(jí)評(píng)估是處理糖尿病足潰瘍的第一步，準(zhǔn)確分級(jí)對(duì)于糖尿病足的治療和護(hù)理至關(guān)重要。目前可用于評(píng)估糖尿病足潰瘍的分級(jí)系統(tǒng)包括Wagner分級(jí)系統(tǒng)、Texas分類系統(tǒng)、IDSA/IWGDF感染分類系統(tǒng)、SINBAD系統(tǒng)和WIFI系統(tǒng)等[5]。Wagner分級(jí)法簡(jiǎn)單實(shí)用，依據(jù)潰瘍深度將糖尿病足分為0～5級(jí)[6]，是目前臨床中最為經(jīng)典且廣泛使用的糖尿病足潰瘍分級(jí)方法[7]。臨床上醫(yī)務(wù)人員由于診療水平和護(hù)理經(jīng)驗(yàn)參差不齊，對(duì)同一足潰瘍的Wagner評(píng)級(jí)易受主觀因素影響，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不一致。本研究基于Wagner分級(jí)，利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)足潰瘍圖片進(jìn)行分割和識(shí)別，構(gòu)建糖尿病足潰瘍智能分級(jí)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以促進(jìn)臨床足潰瘍分級(jí)評(píng)估的同質(zhì)化。

1 資料與方法

1.1一般資料 采取便利抽樣方法，選取2020年1月至2021年1月在中南大學(xué)湘雅醫(yī)院糖尿病足防治中心就診的患者，對(duì)構(gòu)建的糖尿病足智能分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合糖尿病診斷標(biāo)準(zhǔn)[8]和糖尿病足Wagner分級(jí)1～4級(jí)[6]的成年人(≥18歲)；②自愿參與本次研究，并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：有潛行、竇道、瘺管的足潰瘍。最終入選糖尿病足患者68例，共拍攝足潰瘍圖像150張。其中男37例，女31例；年齡45～72(58.02±8.73)歲。均為2型糖尿?。徊〕?～20(13.03±3.98)年。本研究通過中南大學(xué)湘雅護(hù)理學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(E202021)。

1.2方法

1.2.1糖尿病足潰瘍智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的構(gòu)建

1.2.1.1糖尿病足潰瘍圖片建模資料庫(kù)的收集 由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的3名國(guó)際傷口治療師收集本中心2012～2020年的足部潰瘍照片并形成圖片集資料庫(kù)。對(duì)資料庫(kù)中的足潰瘍圖片進(jìn)行篩選，剔除不合格的照片。最終納入362例糖尿病足患者的1 042張足潰瘍圖像構(gòu)建糖尿病足潰瘍智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)。

1.2.1.2人工標(biāo)注糖尿病足潰瘍圖像 3名本中心的專業(yè)國(guó)際傷口治療師經(jīng)過統(tǒng)一培訓(xùn)后，使用labelme軟件對(duì)1 042張足潰瘍圖像進(jìn)行潰瘍組織及顏色區(qū)域的描記標(biāo)注，潰瘍組織及顏色區(qū)分為紅色、黃色、黑色、白色和粉色5個(gè)類別，分別與臨床上肉芽、腐肉、壞死、滲出、上皮組織對(duì)應(yīng)，由于肌腱無顏色對(duì)應(yīng)，直接使用“肌腱”作為類別名，標(biāo)注為多邊形掩膜。由于一些足潰瘍組織分界不清，圖片可能存在多個(gè)組織顏色區(qū)域嵌套的情況，使人工描點(diǎn)對(duì)潰瘍組織范圍的標(biāo)記無法達(dá)到完全精準(zhǔn)。

1.2.1.3基于掩膜區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Mask RCNN)分割建模 對(duì)1 042張足潰瘍圖像進(jìn)行人工標(biāo)注后，技術(shù)人員采用深度學(xué)習(xí)中的Mask RCNN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)圖像中的潰瘍組織進(jìn)行分割建模，將標(biāo)注好的足潰瘍圖像融入模型中。Mask RCNN采用ResNet101-FPN為主干網(wǎng)絡(luò)提取潰瘍區(qū)域的特征得到特征圖(Feature Map)，輸出端分別接2個(gè)預(yù)測(cè)頭，1個(gè)接全連接層做分類與回歸，將足部潰瘍各區(qū)域進(jìn)行框選；另一個(gè)接全卷積網(wǎng)絡(luò)做掩膜分割，識(shí)別出潰瘍的輪廓。最終合并傷口的2個(gè)輸出端結(jié)果，對(duì)輸入組織顏色嵌套的掩膜區(qū)域做差集處理，以避免嵌套的2個(gè)掩膜區(qū)域在卷積過程中共用交集的像素特征，以提升潰瘍識(shí)別的準(zhǔn)確度。

1.2.1.4檢測(cè)組織顏色，獲取像素點(diǎn)坐標(biāo) 采用Mask RCNN對(duì)潰瘍組織區(qū)域進(jìn)行分割后，利用opencv框架的輪廓檢測(cè)區(qū)分不同組織顏色區(qū)域?yàn)?個(gè)單獨(dú)的掩膜，并獲取輪廓邊界所有的像素點(diǎn)坐標(biāo)。統(tǒng)計(jì)輪廓內(nèi)部非零像素點(diǎn)，以此為依據(jù)計(jì)算各顏色的占比。顏色占比反映組織占比，根據(jù)各顏色和組織占比數(shù)值結(jié)合Wagner分級(jí)規(guī)則得出分級(jí)結(jié)果。根據(jù)1 042張人工標(biāo)注后的足潰瘍圖像，利用Mask RCNN識(shí)別足潰瘍圖像各區(qū)域并進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)對(duì)足潰瘍的自動(dòng)分級(jí)。

1.2.2糖尿病足潰瘍智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的驗(yàn)證

1.2.2.1智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的驗(yàn)證圖像收集 向研究對(duì)象介紹并講解本次研究的目的和內(nèi)容，取得患者知情同意后，對(duì)納入的糖尿病足患者進(jìn)行足潰瘍創(chuàng)面拍攝。室內(nèi)拍照時(shí)光線適宜、固定，關(guān)閉閃光燈。對(duì)潰瘍完成清創(chuàng)后，將患肢放于腳托或水平位置，使用一次性傷口尺(推薦聯(lián)盟專用傷口尺)測(cè)量創(chuàng)面；保持尺子與傷口在同一平面，正向平放至傷口下緣1～2 cm處，傾斜角度小于10°。手持標(biāo)尺時(shí)，保持標(biāo)尺平直，勿覆蓋標(biāo)尺上的數(shù)字和刻度；拍攝時(shí)對(duì)焦傷口和標(biāo)尺區(qū)域，傷口背景統(tǒng)一、干凈、整潔為原則，一般使用一次性方巾。若為皮膚皺褶處傷口，人工拉伸皮膚后拍照。按照拍攝規(guī)范最終納入68例糖尿足病患者的150張足潰瘍圖像對(duì)已構(gòu)建的糖尿病足潰瘍智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。其中Wagner1～4級(jí)分別有28、68、16、38張照片。

1.2.2.2智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的驗(yàn)證方法 整個(gè)深度學(xué)習(xí)框架已完成軟件開發(fā)，由專業(yè)的IT團(tuán)隊(duì)將糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)置入糖尿病足智慧醫(yī)療App，即“掌上益足”的“傷口測(cè)量”模塊。醫(yī)務(wù)人員通過App上傳采集符合要求的足潰瘍圖像，系統(tǒng)便自動(dòng)顯示糖尿病足潰瘍分級(jí)結(jié)果、傷口顏色占比等內(nèi)容。由2名國(guó)際傷口治療師于2020年1月至2021年1月分別對(duì)納入的68例患者的足部潰瘍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)Wagner分級(jí)，分級(jí)結(jié)果不一致時(shí)由第3名傷口治療師介入，共同商討后決定。分級(jí)后按照拍攝規(guī)范對(duì)潰瘍拍照并記錄分級(jí)結(jié)果，最后形成150張足潰瘍圖像。由2名護(hù)理研究生使用“掌上益足”App識(shí)別150張足潰瘍圖片，記錄App的分級(jí)結(jié)果。

1.2.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 對(duì)所有資料進(jìn)行整理，雙人核對(duì)后錄入。運(yùn)用SPSS26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)數(shù)資料用頻數(shù)、百分?jǐn)?shù)(%)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，采用加權(quán)Kappa檢驗(yàn)進(jìn)行兩者分級(jí)一致性的比較。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

傷口治療師與App評(píng)估糖尿病足Wagner分級(jí)一致98處，不一致52處。不同評(píng)價(jià)方法糖尿病足等級(jí)分布比較，見表1。

表1 不同評(píng)價(jià)方法糖尿病足等級(jí)分布比較 處(%)

3 討論

3.1糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果分析 深度學(xué)習(xí)是人工智能中一類算法的集合，其靈感來自于大腦中生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)，通過建立模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行從低級(jí)到高級(jí)的特征提取，從而達(dá)到解釋外部數(shù)據(jù)的目的[9]?，F(xiàn)在人工智能和深度學(xué)習(xí)已在疾病預(yù)測(cè)與診斷、慢病管理、醫(yī)學(xué)影像識(shí)別等方面廣泛應(yīng)用[10]。Gargeya等[11]采用深度學(xué)習(xí)方法初步篩查糖尿病患者是否并發(fā)視網(wǎng)膜病變，模型具有較高的靈敏度和特異性。這些技術(shù)為更高效便捷地實(shí)現(xiàn)糖尿病足潰瘍的評(píng)估、分級(jí)和規(guī)范化干預(yù)提供了新思路。

本研究結(jié)果顯示，糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)與傷口治療師對(duì)150張足潰瘍圖片的分級(jí)結(jié)果一致98處，不一致52處。兩者的加權(quán)Kappa值為0.643(P<0.01)，說明兩者評(píng)估糖尿病足Wagner分級(jí)的一致性較強(qiáng)，本研究構(gòu)建的糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)能達(dá)到與專業(yè)傷口治療師對(duì)足潰瘍準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與分級(jí)的結(jié)果基本一致。本研究采用深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)，將Mask RCNN與opencv框架等融入足潰瘍分級(jí)過程，實(shí)現(xiàn)了分級(jí)的智能化，增加了臨床分級(jí)的便利，對(duì)促進(jìn)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)糖尿病足同質(zhì)化診療有重要意義[12]。構(gòu)建的糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了足潰瘍的自動(dòng)分級(jí)，促進(jìn)臨床同質(zhì)化評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)疾病診療和管理的同質(zhì)化。

3.2構(gòu)建糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的臨床實(shí)踐意義 對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的傷口治療師和內(nèi)分泌?？谱o(hù)士而言，對(duì)糖尿病足潰瘍進(jìn)行分級(jí)是比較基礎(chǔ)和簡(jiǎn)單的基本功，他們能在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)足潰瘍準(zhǔn)確分級(jí)，并根據(jù)分級(jí)實(shí)施護(hù)理干預(yù)?；鶎俞t(yī)務(wù)人員對(duì)糖尿病足問題的嚴(yán)重性、復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足，往往不能準(zhǔn)確、充分地評(píng)估足潰瘍[12]，疾病的診治和管理方面缺乏同質(zhì)化。本研究構(gòu)建的智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)可以輔助不同層級(jí)、不同經(jīng)驗(yàn)水平的護(hù)士準(zhǔn)確地對(duì)糖尿病足潰瘍進(jìn)行Wagner分級(jí)，減小主觀差距，還能減輕護(hù)士對(duì)糖尿病足潰瘍分級(jí)的工作負(fù)擔(dān)，為臨床工作節(jié)省時(shí)間，提高工作效率。根據(jù)糖尿病足潰瘍Wagner等級(jí)制訂相應(yīng)的治療與護(hù)理策略，可以有效改善患者臨床癥狀，減少足部潰瘍及復(fù)發(fā)，降低截肢致殘率，提高患者生存質(zhì)量[13-15]?；赪agner分級(jí)構(gòu)建的糖尿病足智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)，通過上傳足潰瘍圖片，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示分級(jí)結(jié)果，提升足潰瘍分級(jí)的一致性，促進(jìn)糖尿病足潰瘍的臨床同質(zhì)化評(píng)價(jià)，醫(yī)務(wù)人員根據(jù)分級(jí)結(jié)果對(duì)患者采取針對(duì)性的診療護(hù)理措施[16]，有利于提高護(hù)理質(zhì)量與護(hù)理效果。

3.3本研究的不足 本研究構(gòu)建的糖尿病足智能分級(jí)系統(tǒng)尚處于初步應(yīng)用階段，后續(xù)需進(jìn)一步提高其分級(jí)準(zhǔn)確性、使用穩(wěn)定性和普及率；未來還需要多中心、大樣本、更加全面的研究以進(jìn)一步驗(yàn)證該智能分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)在臨床中的應(yīng)用效果。此外，在臨床推廣中，應(yīng)特別注意對(duì)醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行糖尿病足傷口拍攝規(guī)范的培訓(xùn)，以確保醫(yī)護(hù)人員嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行拍照，使智能分級(jí)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)果更具有參考價(jià)值，更好地服務(wù)于臨床。