大数据在妇产科微生态领域中的应用现状及展望

作者:廖秦平,陈锐 单位: 来源:中国实用妇科与产科杂志 编者:
2018-2-6 阅读

据统计,我国妇产科感染性疾病发生率在女性人群中约占40%,每年有近7亿的女性就诊人群中,有3亿多人受到生殖道感染性疾病的困扰。而几乎所有的妇产科感染都伴随着女性生殖道微环境的改变。


同时由于医疗行业的特殊性,一直在面临海量数据和非结构化数据的挑战,近年来很多国家都在积极推进医疗信息化发展,这使得大数据分析在医疗行业众多领域都具有一定的应用前景。


1、人体微生态与妇产科微生态 

人类医学经历了治疗医学和预防医学,正在向保健医学迈进,微生态学是研究细胞水平及分子水平的生态学,是一门新兴的边缘学科。关于人体微生态的研究,欧洲、加拿大、美国、日本均处于领先的地位。近年来,随着我国经济发展、科技进步,以及李兰娟院士团队在胃肠道微生态及人体微生态领域中相关基础和科研成果迎头赶上国际先进行列,并多次在国际人体微生态大会上发布重要学术成果,使得我国的人体微生态研究开始吸引了国际目光。


妇产科微生态系统是人体微生态系统的一个分支,主要针对女性生殖道内的益生菌和致病菌的形态结构与功能进行研究。目前在国际上研究最早和最多的是肠道微生态系统,关于泌尿生殖系统研究相对较少,尤其是女性阴道微生态的概念在临床上的应用更少。在国外,由于妇产科微生态的临床和基础研究分离,其应用受到限制。而我国妇产科微生态研究一直是临床与基础同步进行,所以目前已研发出了具有我国独立自主知识产权的阴道微生态检测仪器和下生殖道诊断平台,并应用于临床,相关技术处于国际领先地位,也引起了国际社会的广泛关注。


2、通过大数据了解我国女性阴道炎性疾病流行病学特征、疾病谱

随着医疗技术的进步和发展,医疗水平的全面提高,国家卫生行政部门及各医疗机构、专家学者,并不仅仅着眼于威胁生命健康的恶性肿瘤。对于各种生殖道感染等影响女性生殖健康的感染性疾病也日益重视。


田泉等对4019例妇科门诊患者阴道微生态状况进行分析,其中阴道微生态正常者占0.7%,阴道微生态失调者占99.3%,其中有明确感染者占32.94%,外阴阴道假丝酵母菌病(VVC)占24.33%,需氧菌性阴道炎(AV)占3.11%,细菌性阴道病(BV)占3.14%,滴虫性阴道炎(TV)占5.15%,混合感染占8.31%。有研究对4025例患者进行阴道微生态检测,其中2066 例白带检测异常,总检出率为 51.33%,其中VVC占 28.99%,BV占 8.57%,TV为 2.03%,混合性阴道炎为 0.48%,未定义及未分类的阴道微生态失调为 59.92%。


通过上述数据我们可以看到,对于我国女性阴道微生态组成各研究报道略有差异,分析原因可能是由于妇产科微生态为近年来才发展起来的热点专业和话题,其临床和科研发展相对滞后,且没有一致的评价标准,使得目前所获取国内的数据质量欠佳。如运用大数据的概念和技术,获取妇产科感染性疾病相关更加全面和充分的信息进行分析,可帮助了解感染性疾病在我国的流行病学特征、疾病谱、临床特点、诊疗效果等,为国家在医疗保健相关政策制定方面提供有力的数据支持,并能在临床和科研工作中为临床医生进行决策提供帮助。


3、通过大数据评价不同生命周期女性的正常阴道微生态状态

女性阴道微生物菌群种类繁多,相互共生、拮抗,处于动态平衡,生殖道系统解剖结构、微生物菌群、局部免疫、内分泌等各种因素均影响其变化。中华医学会妇产科学分会感染性疾病协作组将正常阴道微生态的定义为:阴道菌群的密集度为Ⅱ~Ⅲ级、多样性为Ⅱ~Ⅲ级、优势菌为乳杆菌、 阴道pH值为 3.8~4.5、乳杆菌功能正常(H2O2分泌正常)、白细胞酯酶等阴性。而对于幼儿期、儿童期、青春期及绝经期女性,其体内雌激素水平低于性成熟期女性,阴道内的乳杆菌较少,优势菌可表现为以需氧或厌氧菌为主。Olmos 等的研究结果显示,14~18岁的青春期女性阴道菌群与成年女性BV的菌群类似。Hickey等的研究指出在绝经后女性中乳杆菌逐渐减少,而被厌氧菌及肠杆菌替代。且有越来越多的研究指出,在某些女性中,以非乳杆菌为优势菌的阴道菌群是处于“平衡”状态的,同样可以利用糖原产生乳酸,如某些乳酸球菌等。


在国内,林建成等应用微生态检测技术对1069例<15岁女童阴道微生态状况进行分析,结果显示,女童患者的阴道分泌物菌群中杆菌比球菌检出的相对较少。金宇婷等对疑诊为细菌性外阴阴道感染的患儿 825 例,常规进行阴道分泌物培养细菌鉴定,分离出的小儿外阴阴道炎的常见需氧菌为:白色假丝酵母菌 12.3%,淋病奈瑟菌 10.7%,化脓链球菌 7.6%,金黄色葡萄球菌 5.4%,大肠埃希菌 5.1%,肺炎克雷伯菌 1.9%,肺炎链球菌 1.9%,B 族链球菌 1.9%,变形杆菌 1.3%。


鉴于某些细菌不能被常规采用的培养方法检出,使得目前所获得的数据具有一定缺陷。因此,如有大数据项目进行支撑,对不同生理状态下女性的正常阴道微生态进行评估,可减少临床干预,以建立更加动态、完善的阴道微生态评价体系,为患者制定更加个性化的管理方案。


4、用大数据筛选适宜的治疗方案

需氧菌性阴道炎既往又被称为脱屑性阴道炎,2002年由Donders正式提出AV的概念及诊断标准。其病因及发病机制目前尚不清楚,且目前仍没有对于AV的标准治疗方案。治疗原则是使用覆盖需氧菌的抗生素治疗7 d,多采用阿莫西林、头孢类、喹诺酮类等药物进行治疗,或采用卡那霉素、克林霉素阴道局部用药。


Tempera等于2004年及2006年报道了使用卡那霉素及氯甲烯土霉素阴道栓剂(每晚1次,连用6 d)用于治疗AV,氯甲烯土霉素组的缓解率为 80%,卡那霉素组缓解率为 100%。2011年,Sobel 等采用 2% 克林霉素阴道内局部用药治疗AV,其中85.7%患者的症状在 3 周内得到缓解,但32%的患者在治疗后的6周复发。刘朝晖等将复方莪术油栓剂用于治疗AV,在症状、体征改善中的总有效率为86.96%。耿女等对诊断AV的患者,给予口服莫西沙星 0.4 g,每天 1 次,连用 6 d 为 1 个疗程,治愈率为 65.7%,有效率为 29.4%,无效率为 4.9%。


目前,关于AV治疗的大样本临床实验尚缺乏,如有大数据结果进行分析和总结,将有助于探讨AV的适宜治疗方案,为临床处理提供帮助。


5、机器学习与妇产科微生态

妇产科微生态检测技术核心主要包括形态学和功能学两个环节。中华医学会妇产科分会感染协作组推荐的阴道微生态诊断方案也为形态学结合功能学检测,以期能全面、系统的评价女性阴道微生态状况,给予个体化、规范化的管理。


随着妇产科微生态概念的深入人心,各种微生态相关检测技术也层出不穷,良莠不齐。经过对市场上主要微生态医疗仪器供应商市场占有率及全国各级医疗机构参加微生态相关培训时所反馈的一手数据的统计和推断,截止2017年5月底,已有至少300余家医院及医疗机构,正式采用妇产科微生态诊疗方法,并具备开展微生态检测及治疗的软硬件条件。


相对于更加依赖设备及试剂的功能学检测环节,形态学检测需要经过专业培训的实验室技术人员,能够娴熟地应用显微镜并对所观察到的形态学特征进行判读。虽然,以北京清华长庚医院、北京大学第一医院等三甲医院临床专家为首的团队已开展了多年的微生态临床技术检测培训,但尚不能满足目前的临床需求,同时存在一定的主观性。因此,形态学检测这一环节成为了制约微生态检测技术进一步推广的短板。


为了解决上述问题,2016年10月起,由北京清华长庚医院、北京大学第一医院两家医院的妇产科微生态实验室牵头,联合北京麦科瑞博生物研究院等社会科研机构,展开了运用机器学习、大数据技术在微生态形态学检测环节中的相关研究。


研究方法主要通过图像采集设备,采集实验室微生态样本中的典型图像,将图像数据进行预处理,集中存储并通过卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)、ADMM(alternating direction method ofmultipliers)等算法对超过100万个微生物图像样本数据进行反复归集。组织算法开发人员与妇产科微生态实验室的技术专家协同工作,集中进行机器监督学习,不断修正机器学习误差,提高准确度。


经过将近6个月的协同工作,在抽取的每组50 000个简单随机样本(整体图像)中,平均识别率为86.99%[其中,常见菌如革兰阳性大杆菌G+b(L)识别率为99.92%],错认率稳定在3%以下(见图1)。报告反馈时间约为1.0~2.5秒。人机业务对比实验显示,从识别率、错认率、速度等主要指标上,机器均明显优于人工(见图2、表1),并已经基本具备了提供图像、文字提示辅助人工检测判断、自动根据判断结果出具检测报告的能力。相关科研工作尚在进一步进行中。


目前,国内外尚缺乏微生态形态学方面的技术积累及基础数据资源,大数据技术的应用将有助于构建微生态形态学基础数据库,通过不同场景深度学习,神经网络及特征工程等多种大数据处理及识别技术,有助于面向临床应用开发有效的软硬件系统,以供临床应用,解决实验室检测技术瓶颈。


6、大数据技术在妇产科微生态领域中应用的展望

妇产科微生态不仅仅是局限于女性生殖道的感染性疾病,鉴于其解剖位置特征,其与泌尿系统微生态、肠道微生态之间也存在一定相关性。同时,与多种妇产科疾病密切相关,如盆腔炎性疾病、异位妊娠、早产、胎膜早破等。由于妇产科微生态在女性生殖健康中的重要地位,其相关科研工作近年来也如雨后春笋般涌现。如关于妇产科微生态与HPV感染、宫颈病变以及宫颈癌发生的相关性,成为近年来妇产科临床医生关注的热点。微生态失调与HPV感染、宫颈癌的发生是否相关?哪种微生态失调与其相关?如果相关,是微生态失调导致的HPV感染、宫颈癌的发生,还是反之?是微生态紊乱后导致的阴道炎症发生,还是阴道炎导致的微生态紊乱?相关问题目前尚无定论。搜索国内外相关文献,对于上述问题的探讨目前仅停留于小样本量的临床数据分析阶段,尚缺乏大样本、大数据的临床资料分析。因此,在上述领域,如运用大数据的概念和技术对临床数据进行收集、分析和整理,将有助于回答上述科研假设。


同时,大数据技术的应用,使得相关妇产科感染性疾病诊疗数据信息能实时上传、云端共享,为各妇产科微生态临床检测机构进行质量控制和监管,对出现的相关问题能作出迅速反应、及时处理提供依据。


综上所述,将大数据技术应用于妇产科微生态领域,有助于我国生殖道感染性疾病的综合、全面分析及管理、政策制定,有助于将我国的生殖道感染中的临床及科研工作在国际发声,提高我国妇产科微生态在国际人体微生态研究领域的声誉,该项工作也需要全国各专家学者及企业的共同参与和努力,将我国的妇产科微生态工作推向更高的台阶。


参考文献略。


来源:廖秦平,陈锐等,大数据在妇产科微生态领域中的应用现状及展望[J].中国实用妇科与产科杂志,2018,34(1),52-55。

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