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

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)了當前影像閱片系統(tǒng)的內(nèi)在缺陷，運用計算機深度學(xué)習(xí)技術(shù)與人機工程學(xué)技術(shù)針對肺部傳染病進行了閱片系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)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(xué)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(guān)鍵詞：影像醫(yī)學(xué);深度學(xué)習(xí);人機工程學(xué);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(chǎn)生了影響。而另—方面COVID-19具有獨特的影像學(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]。針對問題以國家計算機中心為首的科研機構(gòu)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(xué)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(shù)與其使用載體如何合理進行了整合，是將先進技術(shù)轉(zhuǎn)化為醫(yī)療產(chǎn)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(shè)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(dǎo)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(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(shù)的應(yīng)用程度較低，導(dǎo)致實際檢驗過程中醫(yī)師的工作重復(fù)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(diào)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(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、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(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）基于功能分區(qū)法的結(jié)構(gòu)設(shè)計：區(qū)別于傳統(tǒng)閱片系統(tǒng)冗長繁雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(gòu)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(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(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)的實現(xiàn)

（一）Al系統(tǒng)的構(gòu)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(shù)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(gòu)有明顯改進。

（二）基于深度學(xué)習(xí)的技術(shù)支撐

1.技術(shù)合理性：隨著計算機技術(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。計算機的深度學(xué)習(xí)技術(shù)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(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可[5]，可以說是計算機深度學(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(yīng)用了效率更佳的機器學(xué)習(xí)方式，在準確性與機器學(xué)習(xí)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(jié)核、細菌性肺炎、正常影像。

（三）符合人機工程學(xué)的界面設(shè)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(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)計十分重要。在界面原型設(shè)計過程中，設(shè)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(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，各個區(qū)域?qū)Ｓ眯愿撸`操作可能性大大降低。

值得強調(diào)的是，Al診斷信息的傳達離不開合理的人機界面設(shè)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?？傮w而言，本系統(tǒng)使用符合人機工程學(xué)的設(shè)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(shè)計思路及要點

（一）Al輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計思路：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)計中，應(yīng)基于系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境與用戶展開來設(shè)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(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(wù)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(xué)習(xí)技術(shù)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(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(shè)計中注重人機工程學(xué)的運用，設(shè)計以醫(yī)師體驗為中心的人機界面。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(xué)規(guī)律，重視系統(tǒng)中各個界面的視覺設(shè)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(yīng)用，亦使信息的易讀性上升J表達內(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)計中，將界面功能進行合理布局后，在視覺元素設(shè)計中基礎(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(shè)計，如圖4。

（二）Al輔助診斷系統(tǒng)的界面設(shè)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(yīng)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(shè)計過程中將該部分的設(shè)計要點總結(jié)如下：

（1）篩選信息時專家法的應(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(dǎo)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(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行評估判斷，保證實際產(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)傳達界面位于界面的視覺焦點區(qū)，應(yīng)充分抓住焦點區(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(shù)能夠達到醫(yī)用標準的同時，界面應(yīng)準確表達計算機程序的判斷結(jié)果。同時在不能保證后臺算法百分之百的正確率時，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，因計算失誤而影響人工判斷結(jié)果。同時在出現(xiàn)問題時，應(yīng)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(yīng)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(yīng)配備有多種語言的重要功能說明并在初次使用時有相應(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(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(jié)果與特征值，達到Al判斷與人工檢閱雙保險的效果。在設(shè)計過程中將該部分的界面設(shè)計要點總結(jié)如下：

（1）設(shè)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(xí)慣，因此在該部分的界面設(shè)計中應(yīng)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(shè)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(xué)習(xí)時間。

（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(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(yīng)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(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)進行診斷的疾病在未來都有可能利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)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(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。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(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。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(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(yīng)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(shè)計者能從符合人機工程學(xué)角度進行系統(tǒng)設(shè)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(xué)中的計算機技術(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。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(shù)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(chǎn)業(yè)化設(shè)計研究中心開放基金重點項目（HBCY1901）;湖北工業(yè)大學(xué)校園文化培育重點項目（ 2019SW0109）

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