圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

常瑞雪，張思平

隨著科學(xué)技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備的不斷更新，以皮膚鏡、皮膚超聲、皮膚CT（computed tomography）、皮膚病理、真菌鏡檢等為代表的影像技術(shù)和輔助檢查已經(jīng)成為臨床皮膚性病診斷的有效工具[1]。但無(wú)論是對(duì)皮膚性病病灶區(qū)域的望診，還是依靠先進(jìn)的影像技術(shù)和輔助檢查進(jìn)行診斷，只有臨床經(jīng)驗(yàn)十分豐富的皮膚性病專家才能給出相對(duì)準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，而皮膚性病學(xué)科的醫(yī)學(xué)生、實(shí)習(xí)生和年輕醫(yī)生卻很難給出準(zhǔn)確的診斷。

傳統(tǒng)的書(shū)本教學(xué)利用教學(xué)課件來(lái)向?qū)W生展示皮膚性病圖像，因?yàn)榕臄z角度、曝光程度、學(xué)生認(rèn)知程度、授課教師語(yǔ)言表達(dá)等多種原因，學(xué)生對(duì)相關(guān)皮膚疾病的理解有著很大的限制性和誤差率[2]。皮膚性病的部位、形態(tài)及其演變過(guò)程是學(xué)生掌握的難點(diǎn)，雖然其臨床癥狀、體征看似簡(jiǎn)單，但不同癥狀和體征所對(duì)應(yīng)的疾病卻錯(cuò)綜復(fù)雜[3]，不同疾病圖像間的細(xì)小變化，不同時(shí)期同一種疾病圖像的變化特點(diǎn)，僅靠傳統(tǒng)的教學(xué)方式是無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[4,5]。

由于皮膚性病疾病主要外露在身體皮膚上，病灶區(qū)域視覺(jué)特征較為明顯，因此圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病領(lǐng)域應(yīng)用較為成功。在皮膚性病科教學(xué)中，可以通過(guò)合理運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)，讓學(xué)生很方便清晰地觀察到不同皮膚疾病的病灶區(qū)域、演變過(guò)程、立體可視化顯示以及對(duì)應(yīng)的臨床診斷結(jié)果，可為學(xué)生在掌握皮膚性病的診療流程、疾病演變過(guò)程、病理圖像與臨床的關(guān)聯(lián)等方面提供極大幫助。

1 圖像識(shí)別技術(shù)概述

圖像識(shí)別是指利用深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理、分析和理解，最終對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行有效分類和精確識(shí)別[6]。圖像中有些信息是人類容易忽略、難以識(shí)別的，而圖像識(shí)別技術(shù)可以為此提供精確的識(shí)別結(jié)果，以降低人工觀察所帶來(lái)的誤判[7]。圖像識(shí)別技術(shù)的步驟大致可以劃分為圖像預(yù)處理、區(qū)域分割、區(qū)域特征描述、構(gòu)建分類器、分類識(shí)別等5個(gè)部分，其中區(qū)域分割是為了精確提取圖像中感興趣的目標(biāo)，以提高圖像識(shí)別的精度。

深度學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步延伸，其通過(guò)組合低層特征形成更具泛化能力和表達(dá)能力的高層特征，大大提高圖像識(shí)別的精度[7]。目前基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)已在醫(yī)學(xué)圖像分析中得到了大量的應(yīng)用，如疾病檢測(cè)、醫(yī)學(xué)圖像病變部位的識(shí)別以及醫(yī)學(xué)圖像建模和分析等，從而節(jié)省醫(yī)療資源，降低醫(yī)療成本[8]。

2 圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病診斷上的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，研究者們對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病科的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，以幫助皮膚性病科醫(yī)師進(jìn)行輔助診斷，提高其診斷效率，并避免出現(xiàn)漏診及誤診[9]。

Ge等[10]提出了一種新的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及一種顯著性特征描述方法，所提出的多模態(tài)方法在3個(gè)任務(wù)上明顯優(yōu)于單模態(tài)方法，能有效區(qū)分15種美國(guó)皮膚病：癌癥（3種癌癥類型，包括黑素瘤）和良性色素痣，并能從良性病例中檢測(cè)黑素瘤。Esteva等[11]利用包含2 032種皮膚疾病的129 450幅帶標(biāo)簽的臨床圖像（其中3 374幅是皮膚鏡圖像）對(duì)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)皮膚疾病圖像實(shí)現(xiàn)精確的識(shí)別。在兩個(gè)皮膚病識(shí)別任務(wù)上驗(yàn)證其性能，21名專業(yè)皮膚科醫(yī)生證實(shí)了其在皮膚臨床圖像上的識(shí)別性能均達(dá)到了皮膚科醫(yī)生的專業(yè)水平。

在中國(guó)人工智能及大健康戰(zhàn)略下，2017年成立了中國(guó)人群皮膚影像資源庫(kù)項(xiàng)目（Chinese Skin Image Database，CSID），已完成超過(guò)400余種皮膚病30萬(wàn)余組多維度皮膚影像資料的收集和存儲(chǔ)工作，該項(xiàng)目已建設(shè)成為我國(guó)皮膚影像技術(shù)研究、教育與應(yīng)用的共性資源和技術(shù)平臺(tái)[12]。2018年國(guó)內(nèi)首個(gè)智能皮膚疾病識(shí)別診斷平臺(tái)“智能皮膚”上線，提供了常見(jiàn)皮膚病臨床圖像及皮膚鏡圖像兩種識(shí)別模式，為我國(guó)建立完善的皮膚疾病智能輔助診斷系統(tǒng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[9]。

3 圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

皮膚性病學(xué)不僅教學(xué)涉及面廣、教學(xué)課時(shí)有限，而且其病種皮損相似、癥狀重疊的特點(diǎn)使學(xué)生很難理解和掌握疾病的演變過(guò)程。圖像識(shí)別技術(shù)可以根據(jù)不同規(guī)模、不同類型的皮膚性病圖像進(jìn)行建模，可識(shí)別和診斷錯(cuò)綜復(fù)雜的皮膚性病類型，捕捉不同疾病圖像間的細(xì)節(jié)變化和不同時(shí)期同一種疾病的臨床圖像演變。

圖1 皮膚鏡圖像識(shí)別示意

以皮膚性病學(xué)課程中的皮膚腫瘤章節(jié)為例，良性的腫瘤包括色素痣、脂溢性角化病等，惡性腫瘤包括黑素瘤、基底細(xì)胞癌、皮膚鱗狀細(xì)胞癌等。圖像識(shí)別技術(shù)可以明確的標(biāo)出皮膚鏡圖像病變位置，如圖1所示。圖1a是利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)黑素瘤進(jìn)行病變位置檢測(cè)，并根據(jù)色素不均一、形狀不規(guī)則、中央有藍(lán)白幕等特征，識(shí)別判斷出是惡性黑素瘤疾??；圖1b是利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)面部色素痣進(jìn)行病變位置檢測(cè)，并根據(jù)邊界清楚、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可見(jiàn)假性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淺褐色背景上局部可見(jiàn)色素加深等特征，識(shí)別判斷出是良性色素痣。

將圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于臨床教學(xué)中，并對(duì)安徽醫(yī)科大學(xué)2017級(jí)臨床醫(yī)學(xué)兒科專業(yè)33名碩士研究生為授課對(duì)象，講授課程為《皮膚性病學(xué)》。采用問(wèn)卷調(diào)查、學(xué)生反饋和期末考試成績(jī)分析等為評(píng)價(jià)依據(jù)，與前幾級(jí)學(xué)生的傳統(tǒng)授課結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于圖像識(shí)別技術(shù)的授課方式，增加了師生之間的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，提高皮膚性病學(xué)課堂教學(xué)水平。

此外授課教師利用基于圖像識(shí)別技術(shù)的智能輔助診斷系統(tǒng)，可以解決學(xué)生臨床學(xué)習(xí)時(shí)間不足的問(wèn)題，學(xué)生可以充分利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)皮膚性病完整的臨床診治過(guò)程，最大限度的提高學(xué)習(xí)效率。很多皮膚性病科疾病需要長(zhǎng)期隨訪才能全面了解其發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)歸的過(guò)程。學(xué)生或某個(gè)醫(yī)生很難有精力收集相關(guān)疾病的全過(guò)程資料，授課教師可以利用其長(zhǎng)期的臨床經(jīng)驗(yàn)，整合科室甚至其他醫(yī)院科室所收集的資料，建立完善的教學(xué)資源庫(kù)，為學(xué)生展示一些皮膚性病科疾病的長(zhǎng)期演變過(guò)程。

4 圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病學(xué)科教學(xué)中的不足與展望

雖然圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病診斷方面前景廣闊，但目前依然存在一些問(wèn)題。目前皮膚性病的診斷往往依靠臨床經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致沒(méi)有規(guī)范的診斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于圖像識(shí)別技術(shù)獲取訓(xùn)練樣本和識(shí)別準(zhǔn)則的制定均具有極大挑戰(zhàn)。此外皮膚性病往往涉及到患者敏感隱私部位，拍攝的圖像數(shù)據(jù)往往涉及患者的隱私問(wèn)題，使用患者圖像需要得到許可，導(dǎo)致圖像識(shí)別的訓(xùn)練集、數(shù)據(jù)集不夠全面，且算法本身也存在泄露患者病史細(xì)節(jié)的可能，限制了圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病學(xué)科上的應(yīng)用。

總之，隨著科技進(jìn)步和諸多問(wèn)題的解決，圖像識(shí)別技術(shù)在皮膚性病科教學(xué)中的應(yīng)用可以增加師生之間的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探索精神，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足，最大限度的提高學(xué)習(xí)效率，且能夠結(jié)合皮膚性病學(xué)的知識(shí)特點(diǎn)，提高皮膚性病學(xué)課堂教學(xué)水平。