基于影像大數(shù)據(jù)的骨性關(guān)節(jié)炎個體化精準(zhǔn)診療體系的研究

帥仁俊，陳平，劉洪麟，蘇逸飛，江燕，陶靜

1.南京工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.南京市衛(wèi)生信息中心，江蘇 南京 210003

引言

目前在對天津及上海地區(qū)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，社區(qū)慢性病常見的有心臟病、慢性肺部疾病、糖尿病、骨性關(guān)節(jié)炎、惡性腫瘤和腦卒中。在社區(qū)就診的55～64歲的人群中，慢性骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率高達40%[1]。因此，針對社區(qū)常見疾病的基本影像數(shù)據(jù)（X線）的個體化精準(zhǔn)診療體系亟待建立[2]。

中國科學(xué)院心理研究所采用群組獨立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）作為一種信息驅(qū)動型算法，探索人腦系統(tǒng)的時空特性，研發(fā)出在多被試神經(jīng)影像數(shù)據(jù)中挖掘被試分組（亞組）的群組ICA方法——gRAICAR，可以精確地揭示基于磁共振技術(shù)的腦功能網(wǎng)絡(luò)。但是社區(qū)的醫(yī)療條件的限制，不可能將磁共振成像數(shù)據(jù)推廣，這也限制gRAICAR算法的進一步應(yīng)用[3]。只有充分利用社區(qū)的基本影像設(shè)備，如X線DR，以社區(qū)常見疾病為出發(fā)點，如骨性關(guān)節(jié)炎?；趨^(qū)域醫(yī)學(xué)影像診斷平臺，促進影像大數(shù)據(jù)發(fā)展和應(yīng)用才能更好的讓先進技術(shù)下沉到社區(qū)，才能符合醫(yī)療改革的需要[4]。

1 總體目標(biāo)

骨性關(guān)節(jié)炎個體化精準(zhǔn)診療體系基于區(qū)域影像中心膝關(guān)節(jié)X線平片大數(shù)據(jù)，總結(jié)膝關(guān)節(jié)X線平片各項觀測指標(biāo)的正常值，運用深度學(xué)習(xí)技術(shù)分析醫(yī)學(xué)影像，并將影像與醫(yī)學(xué)文本記錄進行交叉對比，能夠極大地降低影像診斷上的失誤[5]。該體系提供標(biāo)準(zhǔn)化診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)診療，將優(yōu)秀的醫(yī)療資源從單個醫(yī)院解放出來，輻射到基層醫(yī)療機構(gòu)進行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，從而平衡醫(yī)療衛(wèi)生資源，提高醫(yī)療質(zhì)量，讓百姓在家門口社區(qū)即可享受三甲醫(yī)院的高質(zhì)量服務(wù)[6]。

2 建設(shè)內(nèi)容

（1）建立KOAI-RADS膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的量化評分系統(tǒng)。將膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的影像大數(shù)據(jù)進行處理，采用線性數(shù)據(jù)降維方法，取累計貢獻率最大的前m個主成分，然后使用K-L分級及WOMAC評分方法，將受檢者分為0～4級。

（2）運用深度學(xué)習(xí)技術(shù)（BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）自動判斷新病人的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎等級。本文將使用Python編程語言進行編程，并用受檢者膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎數(shù)據(jù)集訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為新病人自動分級。

（3）預(yù)測0級患者脛股內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙狹窄的趨勢。根據(jù)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的影像數(shù)據(jù)，計算脛骨平臺骨小梁EMD距離、脛骨平臺骨小梁各向異性程度和各向異性方向等數(shù)據(jù)。

（4）1～4級骨性關(guān)節(jié)炎患者的綜合干預(yù)治療。如功能鍛煉指導(dǎo)、口服藥物、力線矯正和關(guān)節(jié)置換等。

（5）建立隨訪機制。隨訪時間為3～5年，密切關(guān)注受檢者膝功能狀況，定期為患者提供康復(fù)建議。如果隨訪期間發(fā)現(xiàn)患者骨性關(guān)節(jié)炎等級發(fā)生改變，應(yīng)及時上報，并更正其等級，提供更精準(zhǔn)的治療服務(wù)。

3 骨性關(guān)節(jié)炎個體化精準(zhǔn)診療體系的建立

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計

該體系依托社區(qū)影像大數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，建立膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎評分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建量化評分系統(tǒng)用于規(guī)范診療。全面了解慢性骨性關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)分級的相關(guān)性及治療前后癥狀與影像學(xué)表現(xiàn)一致性，評估不同等級的患者對不同治療方案的接受程度，有助于更好地制定個體化治療方案[7-8]。該體系的總體架構(gòu)，見圖1。

圖1 骨性關(guān)節(jié)炎個體化精準(zhǔn)診療體系總體架構(gòu)

3.2 KOAI-RADS量化評分系統(tǒng)建立

3.2.1 膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎影像大數(shù)據(jù)的處理

建立KOAI-RADS量化評分系統(tǒng)之前，要先對現(xiàn)有的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎影像數(shù)據(jù)進行處理[9]。骨性關(guān)節(jié)炎影像大數(shù)據(jù)處理流程，見圖2。本文采用線性數(shù)據(jù)降維的方法，提取了累計貢獻率最大的4個主成分。主成分分別為骨贅面積（Osteophyte Area，OPA），內(nèi)外側(cè)最小關(guān)節(jié)間隙（minimum Joint Space Width，mJSW），內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)間隙面積（Joint Space Area，JSA），股骨脛骨角（Femur Tibial Angle，F(xiàn)TA）。

圖2 骨性關(guān)節(jié)炎影像大數(shù)據(jù)處理流程

3.2.2 各指標(biāo)測量步驟

觀測指標(biāo)：OPA；mJSW；JSA，F(xiàn)TA。

測量具體步驟，見圖3。

基于KL分級及WOMAC評分系統(tǒng)，通過559例樣本的測量數(shù)據(jù)和鼓樓醫(yī)院各位專家診斷經(jīng)驗獲得指標(biāo)的正常參考值，OPA：0 mm2；mJSW：男內(nèi)側(cè)3.70 mm，外側(cè)4.77 mm，女內(nèi)側(cè)3.26 mm，外側(cè)4.22 mm；JSA：男125.0 mm2，女111 mm2；FTA：男176.1°，女174.9°[10]。

記錄每一位受檢者的分級及其每一單項數(shù)據(jù)的測量值，獲得大數(shù)據(jù)后，總結(jié)0～4級各項指標(biāo)的均值，并依據(jù)此數(shù)值建立評分系統(tǒng)，其中，內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙最小值所占權(quán)重最大。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計

神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)（Back Propagation，BP） 是 1986年 由Rumelhart和McCelland為首的科學(xué)家小組提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入—輸出模式映射關(guān)系，而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小[11]。

K-L分級和WOMAC評分方法的分級過程是通過分析歸納，獲得癥型診斷的過程。這個過程無法用一個確定的指標(biāo)對患者進行分類處理，我們可以把它看作是一個從觀察指標(biāo)到癥型診斷的非線性映射。本文選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，運用Python 3.6版本進行BP算法編程。該算法采用非線性數(shù)學(xué)模型對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者分級進行模擬，并得到了較好的分類結(jié)果[12]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，見圖4。

圖3 各指標(biāo)的測量

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)實際情況，本文設(shè)計的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層n取值4，輸出層q取值5，其中隱含層神經(jīng)元個數(shù)p設(shè)置為10。權(quán)重和偏好的初始化采用Python中的random函數(shù)，隨機設(shè)置在[-0.5，0.5]之間。學(xué)習(xí)率為0.05，sigmoid函數(shù)為p(t)=1/(1+e-t)，最大訓(xùn)練次數(shù)為2000次[14]。

本文使用197例男性膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，其中0～4級患者數(shù)量大致相同，分別為：0級：38例；1級：41例；2級：39例；3級：39例；4級：40例。采用54名男性新患者的數(shù)據(jù)進行測試，總測試次數(shù)為10次，并通過Python3.6版本中的confusion_matrix包生成預(yù)測結(jié)果。新患者骨性關(guān)節(jié)炎分級情況，見表1。

表1 新患者骨性關(guān)節(jié)炎分級情況

表1為第1次測試結(jié)果，表中最后一列為骨性關(guān)節(jié)炎0～4級患者分級的準(zhǔn)確率，可求得第1次測試過程中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分級平均準(zhǔn)確率為81.87%。按照此方法進行10次測試，得到了該模型分級情況平均準(zhǔn)確率為83.42%，這為處理海量的醫(yī)療數(shù)據(jù)提供了一個較好的參考方法。該預(yù)測模型同時也存在一些不足之處，其一可以采用遺傳算法等優(yōu)化算法對參數(shù)進行優(yōu)化，提高預(yù)測準(zhǔn)確率。再者就是由于一些區(qū)域衛(wèi)生信息平臺處于起步階段，新增的樣本數(shù)據(jù)量太少，造成分級測試結(jié)果的準(zhǔn)確率浮動太大。如何解決這些問題，也是接下來需要研究的地方[15]。

3.4 脛股內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙狹窄趨勢的預(yù)測

預(yù)測脛股內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)間隙狹窄的趨勢，需要用到T.Woloszynski的脛骨小梁骨質(zhì)地分析法。該方法要觀察三項數(shù)據(jù)，分別為脛骨平臺骨小梁EMD距離、脛骨平臺骨小梁各向異性程度和脛骨平臺骨小梁各向異性方向。下列計算公式中，θ為方向標(biāo)志的的角度，S(θ)為其權(quán)重[16]。

骨小梁EMD距離計算方法：采用了Rubner提出的圖像處理和計算機視覺結(jié)合的方法計算。

骨小梁各向異性程度計算方法：

骨小梁各向異性方向計算方法：

3.5 骨性關(guān)節(jié)炎患者的綜合干預(yù)治療

通過結(jié)合骨關(guān)節(jié)病分級（K-L分級）評分及AP位股骨遠(yuǎn)端，脛骨近端角等，可以指導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎治療策略。具體包括：健康宣教（運動指導(dǎo)，飲食指導(dǎo)，心理指導(dǎo)等）、藥物治療、力線矯正、單間室置換和全關(guān)節(jié)置換。

3.5.1 骨關(guān)節(jié)炎保守治療

治療藥物：氨基葡萄糖。國內(nèi)大量的臨床應(yīng)用經(jīng)驗證實，氨基葡萄糖對治療早中期的骨關(guān)節(jié)炎是有效的，其作用表現(xiàn)在緩解疼痛癥狀、改善關(guān)節(jié)功能、延緩病程發(fā)展。

適應(yīng)癥：早中期的骨關(guān)節(jié)炎。

用法用量：常用劑量每天不應(yīng)小于1500 mg，否則療效欠佳，每天分2～3次服用，持續(xù)8周以上顯效，8～12周為1療程，每年可重復(fù)2～3療程，使用一年以上療效更穩(wěn)定，可聯(lián)合NSAIDs使用。

安全性評價：氨基葡萄糖的藥物安全性是值得肯定的，它的不良反應(yīng)發(fā)生率低，遠(yuǎn)低于非甾體抗炎藥，特別是胃腸道不良反應(yīng)。對有殼水生動物如蝦蟹、貝殼類過敏者，應(yīng)禁用氨基葡萄糖類藥物。氨基葡萄糖對哺乳期及兒童的影響尚不清楚，故哺乳期婦女不宜服用。

證據(jù)等級：Ⅲ級證據(jù)（專家共識）。

3.5.2 手術(shù)治療

局限性軟骨損傷是骨關(guān)節(jié)炎的高危因素，局限性軟骨損傷根據(jù)軟骨損傷的位置、大小、深度、軟骨下軟骨損傷的程度可以采用微骨折、自體骨軟骨移植及其組織工程軟骨修復(fù)技術(shù)治療。

對于有癥狀的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎可以采用脛骨近端外翻截骨術(shù)治療，綜合考慮患者的年齡、性別、職業(yè)、功能要求等決定是否手術(shù)，對于高齡患者應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎考慮。

3.5.3 關(guān)節(jié)置換

對于髖或者膝骨關(guān)節(jié)炎患者，在經(jīng)過非藥物及藥物干預(yù)的保守治療后，關(guān)節(jié)疼痛、僵硬及活動功能仍未獲得明顯改善者，可推薦行關(guān)節(jié)置換手術(shù)。針對有明顯癥狀，伴或不伴關(guān)節(jié)功能活動障礙的患者，關(guān)節(jié)置換手術(shù)是有效的，并且具有很高的成本效益，可以顯著提高患者的生活質(zhì)量。

3.6 隨訪機制的建立

本文提出的骨性關(guān)節(jié)炎個體化精準(zhǔn)診療體系的隨訪機制是通過示范區(qū)內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)的PACS業(yè)務(wù)來完成的。各PACS業(yè)務(wù)能夠?qū)颊邭v史版本的報告進行直觀的比較，可追溯審核修改過程和檢查過程，并生成歸檔隨訪報告。系統(tǒng)中設(shè)置的隨訪時效一般為3～5年，如果發(fā)現(xiàn)患者的等級發(fā)生偏差，應(yīng)立即對患者的診斷數(shù)據(jù)進行重新處理，更正其骨性關(guān)節(jié)炎等級，以便提供更精準(zhǔn)的治療服務(wù)。

4 討論

目前醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)大多依賴人工分析，如X線、CT、MRI只能依靠影像診斷醫(yī)生主觀判讀。由于受不同層級醫(yī)院診斷醫(yī)生的水平限制，醫(yī)學(xué)影像診斷正確性也受到影響，所以老百姓對基層醫(yī)院服務(wù)水平的信任度不夠。本文的主要研究目的是基于影像大數(shù)據(jù)建立骨性關(guān)節(jié)炎的個體化精準(zhǔn)診療體系。該體系能夠提高基層醫(yī)院的診斷水平，真正實現(xiàn)三甲醫(yī)院先進技術(shù)下沉到社區(qū)，對于本地區(qū)的影像診斷水平具有很好的推動作用，使膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的治療達到規(guī)范化基礎(chǔ)上的個體化，提高人民群眾的就醫(yī)滿意度，符合國家醫(yī)改的大趨勢。