智能皮膚創面圖像處理技術在城鄉結合部社區遠程老年慢性創面診療中的應用*

何 博,余 蓉,鄭 勇,劉 晗,楊以平

(重慶市九龍坡區人民醫院：1.骨科;2.神內內分泌科;3.黨委辦公室,重慶 400050)

慢性創面指各種原因形成的,經1個月的正規治療未愈合,也無愈合傾向的創面[1]。隨著社會經濟的發展和人口老齡化程度的加劇,壓力性損傷、糖尿病足潰瘍、下肢血管性潰瘍等慢性創面的發病率和復發率均逐年增長[2-3]。城鄉結合部地區的老年居民,由于健康意識較薄弱,經濟條件有限,未注意自己皮膚的健康保護,加上慢性疾病的困擾,這部分人群的慢性創面尤其顯著[4]。我國大部分城鄉結合部老年慢性創面患者選擇基層醫療機構就醫,而基層醫院慢性創面的診療能力不足,難以保證治療效果[5]。隨著我國信息技術的發展,遠程慢性創面診療成為一種新的醫療服務模式[6]。然而,智能皮膚創面圖像處理技術(ISIPT)運用于該領域的醫療效果如何,尚鮮有報道。基于此,本研究將ISIPT應用于慢性創面遠程輔助診療平臺,對80例社區老年慢性創面患者采取非同期分組對照試驗方法,初步探討基于遠程傷口治療模式下ISIPT對老年患者的輔助診療、傷口愈合、醫療費用的影響,現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料 對區中心醫院輻射范圍內社區衛生服務中心2021年1月至2022年4月收治的老年慢性創面患者進行分析,共納入80例患者,將2021年1-8月收治的38例老年慢性創面患者作為對照組,采用常規手機拍照結合傷口測量尺直接取樣法進行遠程傷口評估及診療,將2021年9月至2022年4月收治的42例老年慢性創面患者作為試驗組,使用智能皮膚創面圖像處理技術掃描取樣法進行遠程傷口評估及診療。納入標準：(1) 經二級及以上醫院確診為開放性慢性傷口(經正規治療 4 周以上未愈合或無愈合傾向的傷口),包括壓力性損傷、糖尿病足潰瘍、血管性潰瘍等,一般狀況良好,基礎疾病已獲或正獲有效治療;(2)年齡大于或等于60歲,性別不限。排除標準：(1)傷口面積和體積無法測量(如針刺傷、竇道傷口、指或趾間傷口、裂縫型傷口等);(2)不具備自主行為能力或者意識障礙;(3)合并腫瘤,免疫功能異常等可能影響治療效果的疾病;(4)合并骨髓炎,肌腱、鋼板外露需行外科手術。2組患者性別、年齡、創面類型、病程、初診創面面積比較,差異均無統計學意義(P>0.05),具有可比性。見表1。經重慶市九龍坡區人民醫院臨床醫學研究倫理委員會批準(批準編號：202105),所有患者均簽署知情同意書。

表1 2組患者一般資料比較

1.2方法

1.2.1ISIPT軟硬件系統 ISIPT軟硬件系統是一款用于智能皮膚創面圖像掃描的信息系統。由我院醫學和人工智能交叉團隊基于UNet和RCNN等深度學習技術開發。該團隊承擔重慶市自然科學基金項目中心電圖人工智能診斷項目并圓滿結題。該系統最初用于壓瘡的分期,在擴展了訓練數據后也開始用于更廣泛的創面分析。其設計原則主要是以提高診斷精度和減少人工干預為核心。依據是采用計算機視覺和人工智能技術,運行環境是在云服務器上運行。以手機作為圖像采集客戶端。這個系統包括以下幾個部分。

1.2.1.1圖像采集模塊 該模塊負責從皮膚創面中獲取圖像,并對圖像進行預處理。要求圖像清晰、不失真,預處理包括去噪、銳化等。硬件為帶拍照功能的智能手機,攝像頭要求不低于5 000萬像素,圖片成像分辨率不低于5 120×2 880像素。

1.2.1.2特征提取模塊 該模塊使用計算機視覺技術,對圖像進行特征提取,包括顏色、紋理、形狀等方面的特征。要求提取的特征具有較好的區分度和穩定性。該模塊使用既往臨床收集的和部分網絡采集的創面圖片,由本院傷口護理團隊專家(專家成員包括國際傷口治療師1名、國際造口治療師1名、外科醫師1名、傷口專科護士11名共14人組成,分別來自內分泌科、骨科、創傷中心、胃腸胸外科、重癥監護病房(ICU)、普外科、門診小手術室等科室及部門專家。手工標記范圍、分期和組織(壞死、肉芽、腐肉)后訓練神經網絡后得到。

1.2.1.3圖像分類模塊 該模塊使用人工智能技術,對特征進行分類,判斷皮膚創面是否具有病理性質。要求分類準確率較高,同時對于新的皮膚創面也能進行有效分類。

1.2.1.4信息管理模塊 該模塊負責管理系統中的所有信息,包括患者信息、病例信息、診斷結果等。要求信息存儲和管理安全可靠。該模塊主要采用了云醫院醫生工作站(v0.9,東軟熙康)。整個系統的設計原則是以提高診斷精度和減少人工干預為核心,依據是計算機視覺和人工智能技術。系統運行環境包括個人服務器和云服務器。各功能模塊的內容與要求如上所述,旨在提高系統的準確率、效率和安全性。

1.2.2ISIPT掃描取樣法 距離創緣6 cm處放置一次性無菌標準參照物,手機攝像頭從傷口的正上方拍攝傷口,所有圖像顏色、亮度一致,保證圖像清晰,取景范圍包括傷口及標準參照物。手機登錄網站,上傳創面圖片,智能創面圖像處理系統分析并輸出創面面積、分期、組織顏色等數據,截屏保存。當患者為多處創面時分別掃描并分析、截圖。

1.2.3常規手機拍照結合傷口測量尺直接取樣法 傷口測量尺標注測量日期、患者姓名、年齡、診斷。縱坐標尺與軀體縱軸平行,橫坐標尺與軀體橫切面平行,縱坐標尺與橫坐標尺的測量邊在同一平面呈90°夾角。將縱坐標尺置于傷口左緣,橫坐標尺置于傷口下緣,傷口測量尺平面距離創面0.5 cm,嚴禁與創面直接接觸。手機攝像頭從傷口的正上方拍攝傷口,所有圖像顏色、亮度一致,保證圖像清晰,取景范圍包括傷口及傷口測量尺,每處傷口拍攝2張或3張圖像。當患者為多處創面時分開測量并拍照。

1.2.4慢性創面遠程輔助診療模式的建立 (1)社區衛生服務中心的社區醫生進行傷口評估和患者的一般治療,通過云醫院醫生工作站建立患者信息數據庫,上傳患者的皮膚創面圖片。(2)區中心醫院的創面治療專家通過云醫院醫生工作站查看社區醫生會診申請,基于患者病情及創面圖像數據審核、修訂并反饋診斷及治療或轉診方案。(3)社區醫生查看專家反饋結果,并進行相應創面治療干預、方案調整或及時轉診。(4)研究者和社區醫生對患者通過微信、電話或來院復診時對納入研究的患者進行回訪。

1.2.5綜合干預管理 2組均系統評估患者病情,積極治療原發疾病,接受控制感染、調節血糖、營養神經、減輕水腫等全身綜合治療。局部傷口予無菌敷料覆蓋、減壓,觀察敷料有無滲液或被污染,如有異常及時更換。

1.2.6觀察指標 記錄2組患者創面測量耗時、治療時間、換藥次數、治療費用、創面面積、創面組織生長情況。創面測量耗時從測量準備工作開始到形成創面圖片數據結束,測量單位為分鐘。創面面積測量數據單位為cm2,當患者為多處創面時分開測量每處創面后再計算總面積。在末次隨訪時根據創面組織生長情況評價臨床療效及創面愈合質量。臨床療效分型：(1)治愈：傷口徹底長好,上皮再生,創面外觀與正常皮膚相似,傷口瘢痕形成極少。(2)顯效：皮膚傷口接近臨床愈合,缺損面積減少多于 1/2,有少量分泌物,皮膚再生,有新鮮的肉芽組織,輕微的瘢痕。(3)有效：有少許新鮮肉芽組織生長,皮膚缺損減少 1/3 以上,未愈合的創面有新鮮肉芽組織覆蓋,周圍瘢痕組織形成。(4)無效：皮膚創面未見減小或仍有分泌物者,未見明顯改變。創面治愈率及治療有效率計算方法：創面治愈率=治愈例數/總例數×100%,創面治療有效率=(治愈例數+顯效例數+有效例數)/總例數×100%。創面愈合質量評分：總分5分。5分：皮膚顏色正常,硬度適中,張力大小接近正常;4分：小部分皮膚呈發紅或灰暗色,小部分皮膚瘢痕,硬度較正常皮膚稍大,張力較正常皮膚稍小;3分：有一半皮膚顏色愈合后出現發紅或呈灰暗色,硬度較大,張力較正常小,有一半皮膚愈合后呈瘢痕狀;2分：皮膚愈合后大部分呈發紅或灰暗色,硬度大,張力小,易破裂;1分：皮膚顏色呈灰暗色,瘢痕狀,硬度大,無張力,皮膚極易破裂。

2 結 果

2.12組治療過程數據及醫療費用比較 2組患者治療時間分別為(86.53±18.54)、(73.12±21.63)d;換藥次數分別為(25.61±9.03)、(19.50±9.00)次;平均傷口測量時間分別為(3.80±0.49)、(2.82±0.64)min;平均治療費用分別為(3 856.07±2 272.50)、(2 667.41±1 240.65)元,2組比較,差異有統計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 2組患者治療過程數據及醫療費用比較

2.22組患者創面面積比較 2組患者初診創面面積分別為(32.50±38.00)、(31.70±37.40)cm2,末次創面面積為(1.87±4.72)、(1.41±3.09)cm2,平均創面治療后較治療前縮小(30.64±34.18) 、(30.29±35.07)cm2,2組患者治療后傷口面積均較治療前顯著縮小,差異有統計學意義(P<0.01),而2組治療后比較,差異均無統計學意義(P>0.05)。見表3。

表3 2組患者創面面積比較

2.32組患者創面治愈率及治療有效率比較 對照組創面治愈20例(52.6%),顯效12例(34.2%),有效5例(13.2%),患者髕骨骨折內固定術后創面感染1例,經換藥治療后無愈合傾向,轉行髕骨骨折內固定取出術+VSD引流+清創術后愈合。對照組創面治愈率為52.6%,創面治療有效率為97.4%。試驗組創面治愈29例(69.0%),顯效11例(26.2%),有效2例(4.8%),創面治愈率為69.0%,創面治療有效率為100.0%。試驗組與對照組均取得良好的治愈效果,但差異無統計學意義(P>0.05)。見表4。

表4 2組患者創面治愈率及治療有效率比較[n(%)]

表5 2組患者創面愈合質量得分比較[n(%)]

2.42組創面愈合質量得分比較 對照組創面愈合質量得分：5分13例(34.2%),4分8例(21.0%),3分8例(21.0%),2分6例(15.8%),1分3例(8.0%);試驗組創面愈合質量得分：5分25例(59.6%),4分14例(33.3%),3分2例(4.7%),2分1例(2.4%)。試驗組創面愈合質量高于對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。

3 討 論

3.1遠程創面診療模式在慢性創面治療中的作用 WHO將遠程醫療定義為：“所有醫療服務專業人員通過信息和通信技術交流有效信息,以進行疾病診斷和治療,預防疾病和傷害的發生,進行科學研究及評估,對健康保健提供者進行繼續教育等一切以促進個人和社區的健康為目標的活動”[7]。目前,我國遠程醫療發展取得巨大成績,國內大型公立醫院相繼開展了遠程視頻會診、遠程心電會診、遠程教學講座、遠程影像會診、遠程病理會診、遠程手術示教等醫學服務內容[8]。近年來,遠程醫療的應用在一定程度上解決了我國衛生醫療資源分布不均的問題,使經濟發達城市中的優質醫療資源下沉至醫療資源相對匱乏的農村邊遠地區、社區衛生服務機構,方便患者就醫,減少醫療費用,提高醫療質量,促進衛生體制改革[9]。通過應用遠程醫療平臺對社區慢性創面患者進行干預,可以實現專科醫療專家與基層醫生信息互通,有助于專家及時了解患者的一般病情及傷口的情況,協助基層醫生做出正確的臨床診療決策,甚至直接干預創面愈合過程,結合社區護理特點可以更好地觀察與護理傷口。

3.2ISIPT有助于提高創面評估效率 本研究結果顯示,ISIPT在評估效率方面優于手機拍照結合傷口尺測量法。因 ISIPT在使用時,操作者只需將參照物放置在創面5 cm處,使用手機拍照后直接上傳軟件系統,系統自動分析得出創面面積數據,系統平均分析時間為2.36 s。從拍照到得出創面數據總時長平均為(2.82±0.64)min。而手機拍照結合傷口尺測量法要求操作者一手持標尺對準患者創面的橫、縱軸,另一只手持手機進行拍照,操作難度較ISIPT評估法更大。操作者得到圖片數據后,需人工對創面數據進行記錄、計算,最后得出面積數據。即使經過系統培訓后的熟練操作者,從準備測量到得出創面面積數據的時間平均為3.82 min。并且ISIPT自動組織分類功能可幫助醫生更加快速、準確地評估創面、診斷病情,及時調整治療方案。本研究結果顯示,試驗組治療時間較對照組短,換藥次數、治療費用較對照組均更少。

3.3ISIPT有助于提高創面愈合質量 本研究結果顯示,ISIPT與傷口尺測量評估法用于遠程慢性創面診療均能取得良好的治愈效果,但ISIPT輔助治療下的慢性創面可獲得更高愈合質量。在創面治療過程中,準確評估傷口利于對傷口愈合情況進行持續、客觀地分析,監測傷口愈合過程,預測傷口愈合時間,改善患者在傷口治療過程中的消極情緒,并為醫生作出診斷及診療決策提供信息支持[10]。國外研究報道,慢性傷口診療初期(2～4 周),傷口縮小面積的百分比與傷口愈合結局相關[11-12],準確評估傷口面積利于有助于醫療技術人員評判治療效果,調整傷口治療方案。因此,患者創面信息采集及評估是臨床工作至關重要的部分。在遠程醫療模式中,隨著智能手機的普及,手機拍照被廣泛應用于創面圖片信息取樣。常規手機拍照結合傷口測量尺直接取樣法因取材方便在臨床工作中最為常用,但該方法使用難點在于由于基層醫務人員的創面評估技術參差不齊,需要經過反復培訓、考核才能掌握傷口測量尺使用技術及創面圖片拍攝要點,且紙質傷口尺直接貼近創面,易造成創面污染,延長創面愈合時間。傳統測量創面面積方法為：傷口延軀體縱軸長度乘以橫軸長度,實得為一標準四邊形形狀,通常與實際創面形狀不符,造成患者創面面積評估偏差。

而智能皮膚創面圖像處理技術屬于無創檢測技術,可以準確分析其特征,而無需與創面本身接觸。本團隊自主研發的智能皮膚創面圖像處理系統可以對傷口圖片進行分析,數字化創面特征點,提取形態學數據,包括圖像分割、測量、組織分類和愈合評估 4 個方面。(1)慢性創面圖像分割作為圖像處理與分析中最重要的步驟之一,能理解圖像內容,自動找到圖像中慢性創面的邊界,提取出圖像中對診斷有價值的部分,分割分離出創面區域,還可以使用圖像增強技術來提高圖像的對比度和清晰度,使得病灶變得更加明顯,協助醫生準確進行分析和評估。(2)面積測量儀器系統用計算機視覺識別創面范圍,標準相機捕獲圖像,生成創面二維圖像,并與測量標準參照物進行比對分析,得出精準的創面面積。(3)組織分類技術依靠從慢性創面圖像不同類型組織中提取視覺特征,并利用有監督的分類器進行檢測,提取出不同類型組織定量參數。(4)基于與醫學知識相結合,醫生對創面愈合過程進行評估。故ISIPT不僅可以為醫生提供更為準確的創面面積數據,還能主動進行創面組織類型分類。有助于醫生及時作出或調整診療方案,縮短傷口愈合時間,獲得更高愈合質量的創面。

國內外多項研究顯示,遠程醫療和門診治療在糖尿病足潰瘍治愈方面,其愈合率和死亡率差異無統計學意義[13-14]。王思俊等[15]將遠程視頻指導應用于糖尿病足潰瘍的診療獲得與門診就診相同的傷口護理效果,且減少了患者照顧負擔及醫療成本。本研究試驗組與對照組采用遠程傷口治療模式均取得良好的治療效果,與以上研究結果一致。

在圖像處理技術的實際應用中,有必要注意以下問題：在采集圖像數據階段,應當確保圖像數據的質量,避免因為圖像模糊不清或者損壞等因素對診斷結果造成影響。在應用這項技術時,也應高度關注人工智能決策帶來的責任和倫理問題。因此,應明確的是,圖像處理技術只是社區遠程老年慢性創面診療的一種手段。要實現該診療的理想效果,需要結合其他技術,如遠程傳感技術、遠程手術技術、醫療大數據技術等。

綜上所述,本研究通過將智能皮膚創面圖像處理技術應用于遠程傷口治療模式,對城鄉結合部地區老年慢性創面患者進行干預,初步證實該技術在遠程傷口治療模式下能有效協助醫生準確評估創面,提高治療效率,改善傷口治療效果,為進一步探索醫學圖像處理技術在慢性創面診療中的應用提供依據。