崔勇 于建斌 鄒先彪 李航 劉潔 孟如松 劉華緒 謝鳳英 馬維民 常江
100029北京,中日友好醫(yī)院皮膚病與性病科(崔勇);鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院皮膚性病科(于建斌);解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院皮膚性病科(鄒先彪);北京大學(xué)第一醫(yī)院皮膚性病科(李航);中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院皮膚性病科(劉潔);解放軍空軍總醫(yī)院皮膚病醫(yī)院(孟如松);山東省皮膚病醫(yī)院(劉華緒);北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院圖像處理中心(謝鳳英);上海麥色信息科技有限公司(馬維民);優(yōu)麥醫(yī)療(常江)
·專(zhuān)家視角·
亟需加快建設(shè)中國(guó)人群皮膚影像資源庫(kù):高質(zhì)量皮膚影像是構(gòu)建智能輔助診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)
崔勇 于建斌 鄒先彪 李航 劉潔 孟如松 劉華緒 謝鳳英 馬維民 常江
100029北京,中日友好醫(yī)院皮膚病與性病科(崔勇);鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院皮膚性病科(于建斌);解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院皮膚性病科(鄒先彪);北京大學(xué)第一醫(yī)院皮膚性病科(李航);中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院皮膚性病科(劉潔);解放軍空軍總醫(yī)院皮膚病醫(yī)院(孟如松);山東省皮膚病醫(yī)院(劉華緒);北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院圖像處理中心(謝鳳英);上海麥色信息科技有限公司(馬維民);優(yōu)麥醫(yī)療(常江)
皮膚位于人體表面,很多皮膚病僅根據(jù)皮損的“可視化特征”即可確診,因此皮膚病學(xué)是最適宜應(yīng)用各種圖像技術(shù)的臨床二級(jí)學(xué)科[1?2]。隨著設(shè)備研發(fā)水平和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷提高,構(gòu)建智能輔助診斷系統(tǒng)的條件已逐漸成熟。作為智能輔助診斷系統(tǒng)的必備基礎(chǔ),大規(guī)模的高質(zhì)量皮膚影像是整個(gè)實(shí)施路徑中最為值得關(guān)注的問(wèn)題。
皮膚病種類(lèi)繁多,經(jīng)典教科書(shū)《Rook′s Textbook of Dermatology》記載的皮膚病診斷名稱(chēng)超過(guò)2 000種,對(duì)皮膚科醫(yī)師的診斷能力提出很高要求。診斷行為及其準(zhǔn)確度受到很多因素的影響(如學(xué)習(xí)能力、分析能力、記憶能力、生理心理狀態(tài)等),因此不同醫(yī)師的診斷能力和水平之間存在顯著差異。
皮膚影像是基于影像技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一系列輔助診斷方法,主要包括皮膚攝影、皮膚鏡、皮膚表面3D分析儀、皮膚共聚焦顯微鏡、皮膚超聲等。皮膚攝影最早可以追溯到1848年,Hullihen醫(yī)師拍攝1例因燒傷而引起的面部和頸部皮膚異常[3]。16世紀(jì)就已有學(xué)者使用顯微鏡觀察甲襞血管,Goldman醫(yī)師首次使用皮膚鏡分析色素痣與黑素瘤,被視為皮膚鏡臨床應(yīng)用的開(kāi)端[4?5]。皮膚表面3D分析儀、皮膚共聚焦顯微鏡和皮膚超聲等則是醫(yī)學(xué)工程與影像醫(yī)學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。由于皮膚影像診斷方法的出現(xiàn),皮損的“可視化特征”也逐步拓展為“可利用皮膚影像診斷方法獲取的可視化特征”。皮膚影像診斷方法拓展和深化了臨床醫(yī)師的信息獲取能力,幫助使用者獲得比原先更多的具有診斷價(jià)值的信息,從而提升皮膚病診斷水平和效率。
由于原理和側(cè)重點(diǎn)不同,每種皮膚影像診斷方法均具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性,如何整合不同的成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)彼此優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),為明確診斷提供更加全面和精確的信息是皮膚影像學(xué)發(fā)展的重要課題。事實(shí)上,多模態(tài)影像技術(shù)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展的方向,目前臨床上以PET/CT為代表的多模態(tài)成像是一個(gè)成功的代表。充分利用我國(guó)數(shù)量龐大的皮膚病患者資源,構(gòu)建適用于我國(guó)人群的皮膚病智能輔助診斷系統(tǒng),已經(jīng)成為重大課題。如何在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上,對(duì)高質(zhì)量皮膚影像數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建路徑、適用性數(shù)據(jù)信息的挖掘策略及深入學(xué)習(xí)模式等開(kāi)展研究,是構(gòu)建皮膚病智能輔助診斷系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。
自電腦誕生之日起,利用存儲(chǔ)分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行疾病輔助診斷的努力一直在持續(xù)。近年來(lái)“智慧診斷”、“人工智能(artificial intelligence,AI)”,得到社會(huì)高度關(guān)注,也在皮膚病診斷領(lǐng)域得到同步發(fā)展,并且逐漸成為趨勢(shì)。
早期皮膚病“智慧診斷”研究主要針對(duì)預(yù)知特征,從皮膚圖像中提取信息進(jìn)行判斷,在2012年之前能夠達(dá)到的最低錯(cuò)誤率為25%。2012年機(jī)器深度學(xué)習(xí)首次被應(yīng)用在ImageNet數(shù)據(jù)集上,錯(cuò)誤率降低到16%,并隨著算法改進(jìn)進(jìn)一步降低至2016年的3.5%。而在ImageNet數(shù)據(jù)集上,人類(lèi)分類(lèi)錯(cuò)誤率約為5.1%,高于機(jī)器的錯(cuò)誤率,這是機(jī)器深度學(xué)習(xí)帶來(lái)的技術(shù)突破[6?7]。
2016年 12月,斯坦福大學(xué) Esteva等[8]針對(duì)129 450幅皮膚病臨床圖像(包含2 032種不同疾?。?,利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種,是第一個(gè)真正成功訓(xùn)練多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)算法,已成為當(dāng)前語(yǔ)音分析和圖像識(shí)別領(lǐng)域的主流模式)進(jìn)行細(xì)粒度(fine?grained)對(duì)象的像素和疾病標(biāo)注,并構(gòu)建訓(xùn)練模型,在隨后的模型驗(yàn)證中對(duì)“來(lái)源于角質(zhì)形成細(xì)胞的皮膚腫瘤”(惡性)與“脂溢性角化病”(良性)、“惡性黑素瘤”(惡性)與“痣”(良性)進(jìn)行機(jī)器識(shí)別,并與21位認(rèn)證皮膚科醫(yī)師的診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,DCNN的準(zhǔn)確度達(dá)到參與測(cè)試的醫(yī)師水平,證明人工智能對(duì)皮膚腫瘤(特別是惡性黑素瘤)的診斷水平已經(jīng)可以媲美專(zhuān)業(yè)皮膚科醫(yī)師。
最近洛克菲勒大學(xué)Gareau等[9]使用Q?score危險(xiǎn)因素標(biāo)示方法進(jìn)行13種機(jī)器深度學(xué)習(xí)算法分析,對(duì)黑素瘤診斷的敏感度達(dá)到98%,特異度達(dá)36%。加拿大滑鐵盧大學(xué)Glaister等[10]開(kāi)展的研究系統(tǒng)描述了皮膚影像特征數(shù)據(jù)的標(biāo)注及抽取技術(shù),并設(shè)計(jì)基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)的黑素瘤篩檢系統(tǒng)。此外尚有很多在圖形圖像識(shí)別領(lǐng)域的醫(yī)療人工智能研究案例,其效果也比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)效果顯著。構(gòu)建智能輔助診斷系統(tǒng)的技術(shù)層面要素(包括DCNN、隨機(jī)丟棄技術(shù)、基于大規(guī)模無(wú)標(biāo)注圖像的非監(jiān)督特征學(xué)習(xí)、基于全球圖形處理器(GPU)的機(jī)器深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練等)已經(jīng)逐漸成熟,可用于建立皮膚病的智能輔助診斷系統(tǒng)。
人工智能及信息挖掘技術(shù)的突破將在皮膚疾病的診斷中起到重要作用,幾乎可以肯定的是,不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更為“智能”的“皮膚病電腦醫(yī)生”,但這并不意味著皮膚科醫(yī)師在臨床診療和臨床決策中的重要角色將被替代,相反,我們完全可以充分利用智能輔助診斷系統(tǒng)給我們帶來(lái)的實(shí)際益處。同時(shí)應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,并非每種皮膚病都存在可辨別的可視化特征,有的疾病診斷可能需要從細(xì)胞、分子甚至基因水平獲得更多證據(jù),因此智能輔助診斷系統(tǒng)具有一定的適用范圍,存在一定的技術(shù)邊界。
從相機(jī)/數(shù)碼相機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)時(shí),我國(guó)皮膚病學(xué)工作者就已經(jīng)開(kāi)始自發(fā)積累皮膚影像資料(個(gè)人歸集階段)。隨著臨床教學(xué)、研究素材積累、論文發(fā)表、教材編寫(xiě)需求的上升,皮膚影像資料歸集逐漸成為教研室、雜志社、編輯部的主動(dòng)行為(集體歸集階段),期間出版了很多高質(zhì)量的皮膚病圖譜,成為皮膚影像資料的典型形式。
2002年,由安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院、第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院、鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院、廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院等協(xié)同創(chuàng)立“中國(guó)皮膚病攝影圖像聯(lián)盟”,開(kāi)始建立跨單位的皮膚病影像數(shù)據(jù)庫(kù)(主要是皮膚攝影和組織病理);高天文、張海龍等建立“中國(guó)皮膚性病學(xué)網(wǎng)”,成為基于網(wǎng)絡(luò)歸集皮膚影像資源的成功嘗試。2014年張學(xué)軍、崔勇等實(shí)施我國(guó)首個(gè)基于醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程皮膚病學(xué)項(xiàng)目——“安徽省云醫(yī)院”,建立我國(guó)首個(gè)皮膚科醫(yī)生聯(lián)合體,成為大規(guī)模開(kāi)放式歸集皮膚影像數(shù)據(jù)的可參考模式。2016年我國(guó)皮膚影像領(lǐng)域?qū)<衣?lián)名發(fā)表文章《應(yīng)重視皮膚影像輔助診斷方法的質(zhì)量管理》[11],在本領(lǐng)域規(guī)范性方面發(fā)揮了推動(dòng)作用。
基于已積累的皮膚影像資源,已逐步開(kāi)展臨床和基礎(chǔ)研究,主要包括皮膚影像診斷方法對(duì)各種類(lèi)型皮膚病的診斷價(jià)值研究、各種皮膚影像診斷方法與組織病理表現(xiàn)的相關(guān)性和差異性研究、多種皮膚影像診斷方法組合模式對(duì)診斷效率的提升作用研究等,部分已獲得初步成果[12?17]。2017年崔勇等與上海麥色信息科技有限公司合作,利用機(jī)器深度學(xué)習(xí)策略對(duì)200組特定疾病的多維度皮膚影像(皮膚攝影+皮膚鏡+皮膚反射式共聚焦顯微鏡+組織病理)進(jìn)行綜合分析,最終機(jī)器診斷準(zhǔn)確率達(dá)到86%,對(duì)影像數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)框架進(jìn)行了初步定型。
為了推動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)積累和深入研究,由國(guó)內(nèi)皮膚影像專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)起的“中國(guó)人群皮膚影像資源庫(kù)”項(xiàng)目已正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目是一個(gè)以智慧診斷集成方案為最終歸宿的多中心協(xié)同項(xiàng)目,首次采用“完全開(kāi)放的眾籌模式”設(shè)計(jì),主要實(shí)施路徑是建立皮膚影像資源庫(kù)協(xié)作網(wǎng),制定皮膚病輔助診斷質(zhì)量管理系統(tǒng)和圖像服務(wù)“云”平臺(tái),開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)歸集模式和數(shù)據(jù)信息挖掘技術(shù),并在此基礎(chǔ)上探索建立新型皮膚病智能輔助診斷系統(tǒng)。
1.充分認(rèn)識(shí)“多維度”皮膚影像資料的重要性:對(duì)于很多皮膚病而言,我們僅通過(guò)臨床表現(xiàn)很難達(dá)到對(duì)疾病本質(zhì)的準(zhǔn)確把握,因此診斷都是“相對(duì)準(zhǔn)確”的。組織病理學(xué)是我們區(qū)分、規(guī)定和命名皮膚病的工具之一,盡管并非適用于所有皮膚病的診斷,但在沒(méi)有更好“金標(biāo)準(zhǔn)”出現(xiàn)之前,組織病理學(xué)仍然是我們建立皮膚影像資源庫(kù)的重要參照。
與肉眼識(shí)別皮損可視化特征相比,各種皮膚影像診斷方法獲取的是特定層面或視角的信息。不同方法獲得信息之間是否具有一致性,特別是它們與組織病理學(xué)特征之間是否存在對(duì)應(yīng)性,決定了這些信息將來(lái)是否能作為智能輔助診斷系統(tǒng)的可靠指標(biāo)。鑒于以上原因,我們?cè)诮⑵つw影像資源庫(kù)時(shí),首先應(yīng)考慮納入“多維度”皮膚影像,包括皮膚攝影、皮膚鏡、皮膚共聚焦顯微鏡、皮膚超聲等,以及對(duì)應(yīng)部位的組織病理學(xué)資料?!岸嗑S度”皮膚影像是將來(lái)評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)制定、開(kāi)展相關(guān)研究的重要素材。
2.著力解決皮膚影像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題:皮膚影像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題不容忽視。不同參數(shù)皮膚鏡成像質(zhì)量存在差異,兩種皮膚鏡術(shù)語(yǔ)體系并存,多數(shù)皮膚共聚焦顯微鏡使用者未接受正規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)化操作和結(jié)果判讀培訓(xùn)等。因此,除了后期開(kāi)發(fā)影像數(shù)字處理流程和模式外,納入皮膚影像資源庫(kù)的原始數(shù)據(jù)需參照如下標(biāo)準(zhǔn)。
(1)皮膚攝影:①體位:以皮損為中心,突出重點(diǎn),明確顯示解剖位置;②光線:盡量選擇自然光或無(wú)影閃光燈下拍攝;③背景:一般選純色為背景色,既保證背景簡(jiǎn)潔、主體突出,又不失醫(yī)學(xué)攝影的嚴(yán)肅和莊重;④構(gòu)圖:既需全景照片反映皮疹部位、數(shù)目及分布規(guī)律,也需特寫(xiě)表現(xiàn)皮疹性質(zhì)及更多肉眼難以分辨的細(xì)節(jié),可拍攝成組照片[18?19]。
(2)皮膚鏡:①皮損整體:光源選擇自然光,并注明模式(偏振光或非偏振光)、放大倍數(shù);②局部細(xì)節(jié):分別拍攝皮損最大放大倍數(shù)且圖像清晰的照片。
(3)皮膚共聚焦顯微鏡:①縱向掃描:從角質(zhì)層到真皮淺層的縱向掃描,每層厚度5 μm;②水平掃描:角質(zhì)層、顆粒層、棘層、基底層、真表皮交界、真皮淺層有病理改變的水平掃描圖像;③局部細(xì)節(jié):每一層所表現(xiàn)的病理變化,拍攝局部的細(xì)節(jié)照片。
(4)皮膚超聲:①縱向掃描:皮損區(qū)域使用高頻或超高頻超聲掃描,標(biāo)注掃描頻率(20 MHz、50 MHz等頻率);②整體及細(xì)節(jié)成像:能清晰顯示表皮、真皮及皮下組織,測(cè)量皮損范圍、深度、血流、性質(zhì)及與周?chē)M織的關(guān)系等。
(5)組織病理學(xué):①與皮膚鏡等檢查的取材位置相對(duì)應(yīng);②留取照片(整體圖像、細(xì)節(jié)圖像);③標(biāo)注放大倍數(shù)、染色方式、皮損部位等。
3.正確處理樣本庫(kù)規(guī)模與質(zhì)量的關(guān)系:樣本規(guī)模是皮膚影像資源庫(kù)的重要參數(shù)和屬性,也直接決定影像信息標(biāo)注工作量、建設(shè)周期、人力及經(jīng)費(fèi)投入等。從數(shù)據(jù)處理角度出發(fā),納入研究的樣本數(shù)量越大,各種皮膚影像中信息提取的把握度就越大,對(duì)智能輔助診斷系統(tǒng)的支撐作用也就越大。但是如果納入樣本庫(kù)的皮膚影像存在診斷錯(cuò)誤、不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要求或多維度皮膚影像不匹配時(shí),后期數(shù)據(jù)處理的精度和效率將受到顯著影響,“有效樣本量”大大下降。因此我們?cè)诳剂科つw影像資源庫(kù)的樣本量時(shí),仍應(yīng)首先強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
4.將醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)和臨床指南與智能輔助診斷系統(tǒng)融合:在眾多不同的皮膚病中,相當(dāng)一部分已經(jīng)具備較為成熟、可用于診斷的醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn),部分病種已總結(jié)出基于共識(shí)的“臨床指南”,這既是皮膚科醫(yī)師開(kāi)展業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)的依據(jù),也是臨床工作中驗(yàn)證診斷和鑒別診斷的標(biāo)準(zhǔn)。智能輔助診斷系統(tǒng)的構(gòu)建依賴(lài)于機(jī)器深度學(xué)習(xí),其學(xué)習(xí)模式與已具備的醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)和臨床指南也存在多種對(duì)接方式和模式。
當(dāng)建立了樣本量足夠的皮膚影像資源庫(kù)后,構(gòu)建智能輔助診斷系統(tǒng)可采用兩種策略:①基于醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)的模型:是疾病預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)方法,通過(guò)臨床醫(yī)生指導(dǎo)和臨床醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)獲取皮膚病的風(fēng)險(xiǎn)因素,并基于這些風(fēng)險(xiǎn)因素建立預(yù)測(cè)模型,給出各種皮膚病診斷的把握度;②基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型:對(duì)皮膚病風(fēng)險(xiǎn)因素?zé)o任何假設(shè),基于已有數(shù)據(jù)分析算法的研究,根據(jù)所有可能的風(fēng)險(xiǎn)因素建立統(tǒng)一的不依靠任何預(yù)先設(shè)定和領(lǐng)域?qū)<腋深A(yù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。兩種數(shù)據(jù)模型的建立和對(duì)比,將成為最終確定智能輔助診斷系統(tǒng)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)。
基于各種皮膚影像輔助診斷方法已日益成熟、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及不同種族個(gè)體皮膚特性之間存在差異性等現(xiàn)狀,建設(shè)基于我國(guó)人群的大規(guī)模高質(zhì)量皮膚影像數(shù)據(jù)庫(kù)勢(shì)在必行,也是開(kāi)展機(jī)器深度學(xué)習(xí)研究、探索適用性強(qiáng)的皮膚病輔助診斷模式和臨床決策系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。對(duì)上述瓶頸問(wèn)題的思考和解決,將有助于促進(jìn)皮膚病學(xué)真正邁向“信息化”和“數(shù)字化”,更是將來(lái)在更大范圍內(nèi)開(kāi)展遠(yuǎn)程皮膚病學(xué)和智慧診斷等的必由之路。
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《皮膚科結(jié)締組織病診治》書(shū)訊
由復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院皮膚科李明教授和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院皮膚病研究所孫建方教授共同主編的《皮膚科結(jié)締組織病診治》已于2017年5月由北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社出版。全書(shū)15章,87.6萬(wàn)字,彩色皮損和組織病理照片1 243張。該書(shū)有以下特點(diǎn):①突出了皮膚科診治結(jié)締組織病的鮮明特色,對(duì)皮損辨識(shí)、組織病理檢查和皮膚科常規(guī)治療都做了詳細(xì)敘述;②既有各種疾病的典型皮損和病理照片,又有不同患者、不同病期和不同部位的照片,可起到看圖識(shí)病的作用;③對(duì)各種結(jié)締組織病的臨床表現(xiàn)、診斷、鑒別診斷和治療做了詳細(xì)介紹;④書(shū)中附有國(guó)際公認(rèn)且最新的結(jié)締組織病診斷標(biāo)準(zhǔn)及病情活動(dòng)度判定標(biāo)準(zhǔn)。該書(shū)是皮膚科、風(fēng)濕科、兒科、內(nèi)科等與結(jié)締組織病相關(guān)科室醫(yī)師的重要參考書(shū)。
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米爾斯坦亞美醫(yī)學(xué)基金會(huì)項(xiàng)目“中國(guó)人群皮膚病數(shù)字圖片資源庫(kù)的建立與應(yīng)用”
10.3760/cma.j.issn.0412?4030.2017.07.016
2017?02?27)
(本文編輯:顏艷)