基于AI-ECG的區(qū)域胸痛綜合管理平臺的建設(shè)與實踐

戴秋玉，張偉，黃釗，陳杰，陶震寰

1.南京市衛(wèi)生信息中心，江蘇 南京 210000；2.南京市急救中心，江蘇 南京 210000

引言

《中國心血管健康與疾病報告2021》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國心血管疾病發(fā)病率與致死率高居榜首，每5 例死亡中就有2 例死于心血管病[1]。急性冠狀動脈綜合征的發(fā)病率和死亡率在我國逐年增加，且呈年輕化趨勢，預(yù)計2030 年將有2260 萬心肌梗死患者，胸痛將成為我國居民致死、致殘和導(dǎo)致勞動力喪失的重要原因。

胸痛中心是一種基于區(qū)域協(xié)同的醫(yī)療救治服務(wù)模式，為急性胸痛患者提供快速診療綠色通道[2]。自2011 年我國第一家胸痛中心的正式成立，歷經(jīng)10 余年的發(fā)展，目前全國胸痛中心注冊單位達(dá)四千余家，胸痛救治單元達(dá)一千余家，初步形成了全國胸痛中心救治網(wǎng)絡(luò)[3]。我市規(guī)范化胸痛中心的建設(shè)于2018 年正式啟動，目前，我市通過驗收的胸痛中心達(dá)21 家。然而，胸痛中心的建設(shè)并沒有明顯降低患者死亡率，原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 缺乏有效監(jiān)測手段，將心電異常數(shù)據(jù)的捕獲延伸到院前，進(jìn)行早期篩查、高危管理；② 心電信號本身的復(fù)雜性、變異性，一次性心電圖難以有效捕捉到準(zhǔn)確的診斷數(shù)據(jù)，而24 h 動態(tài)心電數(shù)據(jù)量大，對社區(qū)醫(yī)生的診斷能力有一定要求；③ 信息不完整、數(shù)據(jù)未進(jìn)行全過程共享等因素也對救治時間造成了一定影響；④ 出院患者缺乏持續(xù)有效的康復(fù)指導(dǎo)和長期監(jiān)測。

針對現(xiàn)有狀況，迫切需要搭建區(qū)域胸痛綜合管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、疾病診治智能化、信息流閉環(huán)化，本研究基于心電人工智能輔助診斷技術(shù)（Artificial Intelligence Electrocardiograph，AI-ECG）建立“患者-基層-急救中心-胸痛中心”四方聯(lián)動的區(qū)域協(xié)同救治體系[4]，從而前置疾病診斷時間、縮短救治時間、提高救治成功率，降低死亡率，改善遠(yuǎn)期預(yù)后。

1 基于AI-ECG的區(qū)域胸痛綜合管理平臺

建設(shè)基于AI-ECG 的區(qū)域胸痛綜合管理平臺需要整合區(qū)域內(nèi)電子健康檔案、醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）、急救、院內(nèi)胸痛救治平臺等業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，以患者心電健康信息為貫通，利用AIECG 優(yōu)化急性胸痛區(qū)域協(xié)同救治流程，構(gòu)建篩查、預(yù)防、救治、康復(fù)、管理的一體化平臺。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

區(qū)域胸痛綜合管理平臺主要分為5 層，分別是采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、服務(wù)層和用戶層，見圖1。

圖1 區(qū)域胸痛綜合管理平臺架構(gòu)

1.1.1 采集層

采集層通過接口方式對接醫(yī)院的HIS 和院內(nèi)胸痛救治系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)生信息平臺、120 急救管理系統(tǒng)和可穿戴設(shè)備[5]，采集患者的基本信息、心電監(jiān)測數(shù)據(jù)、救治信息等，快速將患者的信息發(fā)給數(shù)據(jù)層。

1.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層整合患者信息（包括住址、聯(lián)系電話、身高、體重、血壓、血糖、診療信息等）、胸痛救治中心資源信息（包括位置信息、創(chuàng)建及認(rèn)證信息、醫(yī)療資源等）、急救資源信息（包括急救中心及站點位置、車輛數(shù)量、使用情況、位置、車載設(shè)備等），通過數(shù)據(jù)歸一化處理后形成基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)接口定期更新維護，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為其他模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸出服務(wù)。

1.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要功能包括AI-ECG、個人健康管理、急救管理、會診中心、全網(wǎng)時間采集與同步、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與質(zhì)控等模塊。

（1）AI-ECG 模塊

AI-ECG 模塊實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)實時采集、監(jiān)測、分析、診斷、高危預(yù)警等功能，其核心是AI 診斷模型的訓(xùn)練。模型訓(xùn)練過程為：① 依托區(qū)域心電平臺的海量心電數(shù)據(jù)，篩選出符合訓(xùn)練要求的心電圖數(shù)據(jù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)庫[6-8]；② 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏、清洗、降噪及歸一化，使數(shù)據(jù)符合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的需求；③ 將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)隨機分配給多位心電圖專家對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次標(biāo)注，得到高精度數(shù)據(jù)；④ 將第③步的處理數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集、驗證集、測試集，針對不同的分類標(biāo)準(zhǔn)需求，選用合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[9-10]，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)等，訓(xùn)練多個網(wǎng)絡(luò)模型用于數(shù)據(jù)分類；⑤ 對于訓(xùn)練得到的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，基于臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，并針對驗證結(jié)果進(jìn)行迭代訓(xùn)練，包括增加特定類型的數(shù)據(jù)，調(diào)整特定層的學(xué)習(xí)率、損失函數(shù)等，逐步得到準(zhǔn)確率更高的網(wǎng)絡(luò)模型，最終選用基于改進(jìn)的Dense 模型優(yōu)化而成，可以進(jìn)行心電臨床數(shù)據(jù)的二分類、四分類、九分類及十八分類評估；⑥ 將AI 診斷模型部署到實際應(yīng)用環(huán)境中。

（2）個人健康管理

個人健康管理模塊橫向整合心電監(jiān)測數(shù)據(jù)、居民電子健康檔案數(shù)據(jù)、急救數(shù)據(jù)、胸痛診療數(shù)據(jù)、患者轉(zhuǎn)歸數(shù)據(jù)及其他醫(yī)療活動相關(guān)數(shù)據(jù)，為胸痛高危患者或者術(shù)后轉(zhuǎn)歸患者建立一份以心血管疾病為主線的健康檔案。

（3）急救管理

平臺實時采集患者位置，胸痛中心地理位置，急診科、導(dǎo)管室、心臟重癥監(jiān)護室等科室資源使用情況，120 急救車輛位置，道路交通情況等信息，通過綜合計算，提供智能導(dǎo)航路徑。通過與120 急救平臺聯(lián)動，實時獲取120 急救車輛行駛軌跡、轉(zhuǎn)運關(guān)鍵時間節(jié)點、患者生命體征數(shù)據(jù)、心電圖、初步診斷結(jié)果等信息，同步至院內(nèi)胸痛中心遠(yuǎn)程監(jiān)測大屏，實現(xiàn)120 急救車與目標(biāo)醫(yī)院之間醫(yī)療數(shù)據(jù)的實時共享。

（4）會診中心

會診中心分為專家端和申請端兩個部分，會診中心主要功能包括會診流程管理、消息提醒、專家診斷、報告發(fā)布、報告打印等。系統(tǒng)提供交互式和離線式兩種不同的業(yè)務(wù)模式：① 交互式遠(yuǎn)程會診，通過即時音頻消息功能包的集成支持會診專家與申請醫(yī)生之間的音視頻交流；② 離線式遠(yuǎn)程會診，由申請醫(yī)院提交會診申請信息和病歷資料，會診專家下載和非實時瀏覽會診申請信息和病理資料，并編寫和發(fā)布會診報告，申請醫(yī)生下載瀏覽診斷報告。

（5）全網(wǎng)時間采集與同步

平臺根據(jù)胸痛患者救治過程中的業(yè)務(wù)特點及質(zhì)控要求，從發(fā)病-確診、急救轉(zhuǎn)運、院內(nèi)救治和數(shù)據(jù)歸檔上報4 個維度定義了42 項關(guān)鍵時間采集點，通過手環(huán)自動采集、數(shù)據(jù)接口對接、人工錄入等多種途徑進(jìn)行時間信息的采集與同步，實現(xiàn)在急性心肌梗死救治過程中的全流程時鐘管理。

（6）統(tǒng)計與質(zhì)控

依據(jù)《中國胸痛中心常態(tài)化質(zhì)控方案》的標(biāo)準(zhǔn)與要求[11]，建立診前-診中-診后的全過程質(zhì)控指標(biāo)，包括發(fā)病到首次醫(yī)療接觸（Symptom Onset to First Medical Contact Time，S2FMC）時間、心電圖遠(yuǎn)程傳輸統(tǒng)計、院內(nèi)心電圖統(tǒng)計、直達(dá)導(dǎo)管室統(tǒng)計、急診經(jīng)皮冠狀動脈介入治療人數(shù)統(tǒng)計、綠色通道轉(zhuǎn)運統(tǒng)計、TIMI 血流等級統(tǒng)計、首次醫(yī)療接觸到球囊再灌注時間（First Medical Contact To Balloon，F(xiàn)MC2B）統(tǒng)計、入門到球囊擴張時間統(tǒng)計、再灌注時間統(tǒng)計、患者轉(zhuǎn)歸統(tǒng)計共計11 個質(zhì)控指標(biāo)。通過系統(tǒng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取及統(tǒng)計，并具備曲線圖、柱狀圖等圖表工具，使數(shù)據(jù)可視化，便于直觀地分析數(shù)據(jù)，找到胸痛救治流程薄弱環(huán)節(jié)。

1.1.4 服務(wù)層

服務(wù)層是平臺能力的具體展示，包括個人健康服務(wù)、診斷服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)。個人健康服務(wù)通過移動APP 為患者提供信息調(diào)閱、主動記錄、數(shù)據(jù)填報、在線咨詢、線上復(fù)診等功能，構(gòu)建患者全面參與的心血管疾病健康管理新模式。診斷服務(wù)包括AI-ECG、專家會診、疾病預(yù)測和高危預(yù)警等。數(shù)據(jù)服務(wù)通過指標(biāo)統(tǒng)計與分析，為大數(shù)據(jù)分析、績效考核、領(lǐng)導(dǎo)決策、數(shù)據(jù)上報等提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1.5 用戶層

用戶層為患者、醫(yī)護工作者、衛(wèi)生行政管理部門等提供了手機、PAD、PC 等多種接入方式，支持多種應(yīng)用場景。

1.2 業(yè)務(wù)流程

區(qū)域胸痛救治業(yè)務(wù)流程如圖2 所示，基層醫(yī)院/急救車心電采集設(shè)備、可穿戴心電監(jiān)測設(shè)備將采集到的心電圖信息通過區(qū)域衛(wèi)生專網(wǎng)、5G、互聯(lián)網(wǎng)等上傳至平臺，通過AI-ECG 實現(xiàn)初步診斷及危急值預(yù)警；當(dāng)診斷結(jié)果與基層醫(yī)院/急救車醫(yī)生判斷存在較大差異時，發(fā)起遠(yuǎn)程會診申請，由會診中心專家給出會診意見；患者或者基層醫(yī)生根據(jù)診斷結(jié)果向胸痛中心請求轉(zhuǎn)診，進(jìn)行進(jìn)一步治療；急救患者則是由平臺根據(jù)實時路況和派車平臺距離自動計算到達(dá)最近的胸痛中心，并啟動急救流程；患者的相關(guān)信息將同步至胸痛中心院內(nèi)救治系統(tǒng)；救治結(jié)束后，根據(jù)胸痛患者的術(shù)后隨訪周期要求，主治醫(yī)師可選擇隨訪計劃推送給患者，患者主動記錄預(yù)后康復(fù)信息。通過患者、基層醫(yī)院、120 急救中心、胸痛救治中心的業(yè)務(wù)協(xié)同，實現(xiàn)院前、院中、院后的閉環(huán)管理。

圖2 區(qū)域胸痛救治業(yè)務(wù)流程

2 應(yīng)用效果

區(qū)域胸痛綜合管理平臺自2019 年上線以來，先后在江蘇省人民醫(yī)院、南京鼓樓醫(yī)院、南京市急救中心、高淳區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心落地實施，取得了良好效果。區(qū)域胸痛綜合管理平臺應(yīng)用界面如圖3 所示。

圖3 區(qū)域胸痛綜合管理平臺應(yīng)用界面

創(chuàng)新胸痛患者醫(yī)療救治新模式，建立健全“患者-社區(qū)-急救中心-胸痛中心”四方聯(lián)動的區(qū)域協(xié)同救治體系，以患者為中心實現(xiàn)診前、診中、診后的全過程管理。通過AI-ECG 系統(tǒng)快速診斷和預(yù)警救治功能，發(fā)揮基層醫(yī)院“健康守門人”的作用；患者通過佩戴24 h 動態(tài)心電監(jiān)測設(shè)備，醫(yī)生第一時間捕獲心電異常數(shù)據(jù)，對于惡性心律失常、心梗的患者做到第一時間發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)診、救治；對于心電疑難病例，基層醫(yī)生可以通過平臺向上級醫(yī)院發(fā)起會診請求，減少誤診、漏診；利用移動端應(yīng)用進(jìn)行術(shù)后隨訪、健康宣教等，不斷提高胸痛患者自我健康管理意識。截至2021 年，使用動態(tài)心電監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行心電自我監(jiān)測的用戶達(dá)9000 余人次，專家會診300 余次。

優(yōu)化AI-ECG 模型，提升AI-ECG 的準(zhǔn)確性，助力臨床診斷。在江蘇省人民醫(yī)院心功能室采用AI-ECG 系統(tǒng)對2 萬份患者心電數(shù)據(jù)進(jìn)行自動診斷，結(jié)果顯示，心電圖十八分類診斷模型診斷特異性、敏感度、準(zhǔn)確率均值分別為95.79%、87.88%和96.74%，達(dá)到臨床診斷要求。有研究者利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷心房顫動的特異性為79.5%，敏感度為79.0%，準(zhǔn)確率為87.0%[16]。同時AI-ECG 平均每份心電圖的評估分析時間約為0.12 s，而心內(nèi)科臨床醫(yī)生診斷時間平均為1 min 左右，大大縮短了診斷時間。

本平臺可提升區(qū)域胸痛患者醫(yī)療救治水平，爭取寶貴的救治時間。本研究選取2018 年（平臺上線之前）及2019—2021 年間胸痛患者救治關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析（圖4），結(jié)果表明，患者來院方式仍以自行來院為主，呼叫120 急救車來院比例略有上升，2020 年達(dá)到最高20%；2019、2020 年S2FMC 時間分別為261、292 min，較2018 年的364 min 顯著降低，同時也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2021年通過認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)版胸痛中心的平均S2FMC 時間325.7 min[12]；得益于信息的互聯(lián)互通、患者醫(yī)療救治信息的共享，急診科救治平均時間、啟動再灌注平均時間等也明顯縮短，最大限度地節(jié)省了救治時間，2018—2021 年的患者院內(nèi)死亡率分別為0.8%、0.4%、0%和0.3%。但是統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021 年各項指標(biāo)又出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，綜合來看與患者呼叫120 急救車來院比例下降、10 min 心電圖人數(shù)占比下降等因素有關(guān)，仍待進(jìn)一步分析。

圖4 區(qū)域胸痛救治關(guān)鍵指標(biāo)分析

3 討論與總結(jié)

隨著全國急性胸痛救治網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的不斷推進(jìn)與完善，通過信息化手段推進(jìn)智慧胸痛中心的建設(shè)，推動“三全模式”的落地將成為下一步工作重點，目前國內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)相關(guān)主題的研究。楊路等[13]提出了一種基于院前急救的胸痛中心一體化信息系統(tǒng)，與市、區(qū)120急救共同聯(lián)動，將胸痛救治過程涵蓋院前、院中；王繼航等[14]提出利用可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)和AI 分析技術(shù)設(shè)計搭建胸痛區(qū)域平臺以及開展協(xié)同救治的業(yè)務(wù)流程；李超紅等[15]提出了建立“社區(qū)-胸科”一體化的社區(qū)聯(lián)動救治模式，縮短了S2FMC，提升了救治效果。相比而言，本研究提出的基于AI-ECG 的區(qū)域胸痛綜合管理平臺的建設(shè)方法充分利用了AI 算法在心電輔助診斷方面的應(yīng)用成效[16-19]，通過改進(jìn)算法、使用高質(zhì)量的區(qū)域心電數(shù)據(jù)庫，顯著擴展了診斷分類的種類、提高了其準(zhǔn)確性；另外，將高?；颊?、術(shù)后康復(fù)患者全面納入管理體系，形成了“患者-基層醫(yī)院-急救中心-胸痛中心”四方聯(lián)動的區(qū)域協(xié)同救治體系，實現(xiàn)胸痛患者院前（急救）、院中、院后的全流程閉環(huán)管理；最后，建立了一套綜合質(zhì)控指標(biāo)體系，通過來院方式、救治手段、關(guān)鍵性評價指標(biāo)等多維度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，為醫(yī)療質(zhì)量控制、績效考核、領(lǐng)導(dǎo)決策等提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究在研究胸痛患者防治特點的基礎(chǔ)上，提出了一種搭建篩、防、診、治、康一體化的區(qū)域胸痛綜合管理平臺的設(shè)計方法，利用可穿戴設(shè)備、AI、5G 數(shù)據(jù)傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化接口等技術(shù)手段實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與整合、醫(yī)療救治信息流的閉環(huán)管理，創(chuàng)新性地融合了AI-ECG、遠(yuǎn)程會診、分級診療等區(qū)域醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)，探索出了一套上下聯(lián)動、區(qū)域協(xié)同、患者全面參與的胸痛救治模式，最大化地節(jié)省救治時間，提高救治成功率，對胸痛患者救治具有重要意義。下一步，將結(jié)合區(qū)域醫(yī)聯(lián)體、集團醫(yī)院的業(yè)務(wù)模式進(jìn)一步推進(jìn)基層醫(yī)院的接入，提高基層醫(yī)院的診斷能力和轉(zhuǎn)診速度，打通胸痛救治的第一公里。