基于計算機視覺的自動識別技術(shù)解決骨科耗材管理痛點

左彥波 徐杰/文

隨著我國深入貫徹落實“十三五”醫(yī)改規(guī)劃及各項監(jiān)管措施的推進，整個醫(yī)療耗材供應(yīng)鏈面臨重大變革。2019年，國務(wù)院出臺《治理高值醫(yī)用耗材改革方案》，拉開高值耗材全面改革序幕。“取消耗材加成、探索帶量采購、規(guī)范合理使用、嚴抓商業(yè)賄賂”等改革措施持續(xù)推進和落地。骨科耗材作為典型的植入類高值耗材成為政策管控的目標。2020年1月，國家衛(wèi)健委發(fā)布《第一批國家高值醫(yī)用耗材重點治理清單》，骨板、髖關(guān)節(jié)假體、脊柱椎體間固定系統(tǒng)等多類骨科耗材進入名單。

利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)（如基于云服務(wù)的B2B平臺以及院內(nèi)物流運營管理平臺），結(jié)合醫(yī)院實際需求，建立院內(nèi)精細化管理平臺，打通院內(nèi)信息孤島，形成數(shù)據(jù)流、物流、資金流統(tǒng)一的閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)醫(yī)療耗材全程可追溯，成為近幾年醫(yī)院信息化建設(shè)的一個亮點和大勢所趨。該類項目，行業(yè)內(nèi)稱之為SPD系統(tǒng)（supply、processing、distri?bution的縮寫）。目前眾多SPD項目的實踐效果顯示，對于大部分院內(nèi)寄售類高值耗材、低值耗材和檢驗試劑都取得了良好的管理效果，受到醫(yī)院和行業(yè)的認可。但是骨科植入類耗材由于其本身以及流通模式的特殊性，仍然難以達到精細化管理的目標。骨科耗材難管，依然是行業(yè)共識和痛點。

骨科植入類耗材的特殊性及管理現(xiàn)狀

骨科耗材本身具有的特點

規(guī)格復(fù)雜、品牌眾多生產(chǎn)廠商一般專注于某一個細分領(lǐng)域，在該領(lǐng)域深耕多年，形成耗材及配套工具等一系列技術(shù)積累，才能在市場上立足。這導致骨科耗材品牌眾多，同時一個系列的產(chǎn)品有多種規(guī)格。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國高值耗材的品規(guī)數(shù)量達百萬，其中超過85%為骨科類耗材。

手術(shù)種類多樣、醫(yī)生使用習慣性強骨科手術(shù)的不同部位、患者的體型都會影響耗材的選用。一場骨科手術(shù)是主刀醫(yī)生、醫(yī)療耗材和手術(shù)工具的有機結(jié)合，任何環(huán)節(jié)都會影響最終的手術(shù)效果。主刀醫(yī)生會形成自己的使用習慣和傾向性選擇。

耗材更新?lián)Q代快、專業(yè)性強骨科耗材的材質(zhì)、工藝、配套的手術(shù)工具隨著科技的進步不斷更新優(yōu)化，臨床醫(yī)生需要花大量的時間去學習和掌握。

由于以上原因，長期以來形成了骨科耗材獨特的流通模式（行業(yè)內(nèi)稱之為“跟臺模式”）。一般流程如下：醫(yī)院臨床科室在骨科手術(shù)排程確定后，以線上或者線下的方式提前通知相應(yīng)的供應(yīng)商手術(shù)信息；供應(yīng)商為該場手術(shù)準備手術(shù)包（包含工具類和耗材類，數(shù)量為幾十到2～300個物品不等，如圖1所示，送達醫(yī)院的消毒供應(yīng)室；經(jīng)過嚴格的消毒流程后，形成手術(shù)包待用，如圖2所示（見下頁）；手術(shù)包在手術(shù)中被打開并使用，手術(shù)中消耗的耗材被醫(yī)院記錄，手術(shù)包的所有其他物資退還給供應(yīng)商。

圖1 供應(yīng)商為骨科手術(shù)準備手術(shù)包

圖2 經(jīng)過消毒后待用的骨科手術(shù)包

骨科類耗材管理的痛點

骨科耗材管理的難點有：耗材備貨一般根據(jù)醫(yī)生指令臨時備貨，且具體的備貨品規(guī)和數(shù)量主要由供應(yīng)商根據(jù)自己的專業(yè)知識遵循“寧多不少”的原則進行備貨，確保手術(shù)安全。這會導致一個手術(shù)包的物資數(shù)量和品種非常繁雜；供應(yīng)商提供的手術(shù)包內(nèi)的物資處于非無菌狀態(tài)，需要遵循嚴格的消毒流程后才能使用。這加大了手術(shù)包達到醫(yī)院后驗收清點的難度和工作量，人工清點往往流于形式，有很大隱患；手術(shù)過程中只記錄被消耗的耗材，其他物資全部退回供應(yīng)商。這里也涉及到一個比對和清點的過程，同樣依靠人工，容易出現(xiàn)錯誤。

通過技術(shù)手段，能夠解決骨科耗材的自動識別和清點，將有效解決這一個痛點，進一步提高骨科耗材的精細化管理。

基于計算機視覺的自動識別技術(shù)

上海賦拓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司經(jīng)過兩年的持續(xù)探索，和相關(guān)醫(yī)療機構(gòu)緊密合作，研發(fā)了一款專門針對骨科耗材的計算機視覺自動識別設(shè)備，如圖3所示，取得了良好的實際效果。

圖3 計算機視覺自動識別設(shè)備

該終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與SPD信息系統(tǒng)組成了一個中心化、分布式相結(jié)合的管理系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)中心化，計算邊緣化是該系統(tǒng)的典型特征。骨科耗材的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)廠商、耗材品名、耗材品規(guī)數(shù)據(jù)等存儲在信息系統(tǒng)中，且該系統(tǒng)與UDI數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)互通。在終端設(shè)備中引入邊緣計算，使用計算機視覺技術(shù)，包括數(shù)字成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、圖像模式識別技術(shù)、人工智能技術(shù)等，以此代替人工目檢、人工檢索、人工錄入等繁瑣費時地重復(fù)性工作，大幅提升工作效率。此外，該方式降低了對操作人員的專業(yè)性要求。

計算機視覺技術(shù)，是一門涉及多知識領(lǐng)域的交叉學科，涵蓋的技術(shù)內(nèi)容繁多，在骨科耗材管理應(yīng)用中需要解決諸多技術(shù)難點。

數(shù)字成像的設(shè)計

計算機視覺技術(shù)所使用的成像技術(shù)主要是圍繞著CMOS/CCD感光器件的成像系統(tǒng)，主要包括以下幾個方面：

相機在自動化設(shè)備中主要是工業(yè)相機，它們使用的感光芯片主要為CMOS/CCD兩類。CCD在色彩還原度、動態(tài)范圍、靈敏度方面比CMOS好；CMOS的分辨率全面超越CCD，目前CMOS芯片可輕易達到4K以上分辨率，而CCD一般最大只能達到2K；CMOS主要為卷簾曝光，適合拍攝靜態(tài)物體，CCD則支持全局曝光，可拍攝運動物體。因此選擇相機主要考慮分辨率要求、光源情況以及運動拍攝要求。

鏡頭大部分情況下建議使用無畸變或低畸變鏡頭，其次需要與相機感光芯片分辨率一致，最后根據(jù)物理視場的大小選擇合適的焦距。

光源經(jīng)過多次實驗，我們選擇使用球積分光源用于骨科耗材成像。球積分光源采取半球狀漫反射面，將底部環(huán)形光發(fā)出的光線均勻反射到光源發(fā)光口，面分布均勻性，方向均勻性都很好，可以將骨科耗材表面照射出比較均勻的效果。通過以上設(shè)計，該設(shè)備對骨科耗材的成像可滿足成像一致性、成像質(zhì)量、成像分辨率三方面的要求。

圖像處理

為了從原始圖像中分離出每個骨科耗材的圖像，需要對原始圖像執(zhí)行多個處理步驟：

建立ROI（感興趣區(qū)域）選區(qū)將該區(qū)域從原始圖像中分離出來，作為后續(xù)處理的輸入圖像。

調(diào)整圖像尺寸4K相機的輸入像素達到1000萬以上，建立的ROI選區(qū)像素數(shù)量也可以高達800萬以上，這樣龐大的像素數(shù)量不利于后續(xù)圖像處理算法的應(yīng)用，因此，需要通過插值算法調(diào)整圖像尺寸，減少像素數(shù)量。

形態(tài)學處理圖像形態(tài)學處理主要包括腐蝕、膨脹及開閉運算，它們都是使用特定的卷積核對原圖進行卷積運算，改善圖像質(zhì)量。

圖像二值化為了將骨科耗材圖像從原始圖像中分離，采用前景背景分離方法，即將骨科耗材的圖像標記為前景，其他圖像標記為背景，采用閾值化法，得到一個僅包含前景與背景的二值化圖像（黑白圖像）。

輪廓提取在前述步驟的二值化圖像中提取輪廓（點集）。為了提高輪廓提取的精度，通常應(yīng)該結(jié)合二值化提取與Canny算法提取，并在必要的時候使用形態(tài)學處理。

圖像提取在得到骨科耗材輪廓后，便可通過輪廓的點集構(gòu)建一個圖像蒙板，蒙板的大小和原始圖像一致，對蒙板與原始圖像可執(zhí)行點乘操作，即可提取骨科耗材圖像。將圖像存儲為JPG文件，放入圖像數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)用于查看、匹配等操作。

模式識別

在骨科耗材管理應(yīng)用中，使用SIFR算法提取骨科耗材照片的特征點，按照特征點質(zhì)量優(yōu)劣選取前100個特征點的描述符，存儲在骨科耗材的特征文件中。當需要進行模式識別時，分別得出兩張照片的特征點描述符集合，對這兩個集合計算接近程度，如果接近程度大于某個閾值，則可以認為它們是同一個東西。為了提升匹配性能，使用FLANN算法進行快速匹配，使得匹配速度可以達到毫秒級的程度。

目前該設(shè)備及系統(tǒng)已經(jīng)完全實現(xiàn)了對骨科耗材及釘盒的全流程業(yè)務(wù)處理。所有項目中采集的耗材品規(guī)數(shù)據(jù)自動會上傳到云端數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)在新的醫(yī)院完全可以直接使用，而不需要重新采集。單一匹配速度可以達到毫秒級，提升了系統(tǒng)可用性。整個系統(tǒng)在很大程度上取代人工繁瑣費時的重復(fù)性工作，大幅提高工作效率，降低了對操作人員的專業(yè)性要求，提升了準確性與時效性。

未來，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上可進一步增加骨科耗材的傳輸、分揀、分包、賦碼等設(shè)計，擴大該設(shè)備的應(yīng)用場景。