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數(shù)據(jù)融合改變手術(shù)室

現(xiàn)今的手術(shù)室和介入治療室充斥著凌亂的電纜和各種診斷系統(tǒng)，令人分神。西門子中央研究院的研究人員設(shè)想，利用便攜式無(wú)線顯示裝置，將所有圖像數(shù)據(jù)整合到一幅實(shí)時(shí)信息概覽圖中，包括分析、虛擬會(huì)診和模擬等信息，從而營(yíng)造出簡(jiǎn)潔的環(huán)境。

學(xué)習(xí)軟件從術(shù)前CT成像和MR成像中識(shí)別并分離出器官，以便將之與手術(shù)室中生成的實(shí)時(shí)圖像相融合。這些數(shù)據(jù)集共同為一系列心臟手術(shù)提供了引導(dǎo)底圖。研究人員正在研究如何利用流式傳輸技術(shù)，將這些實(shí)時(shí)圖像傳送到無(wú)線平板電腦上。

不妨設(shè)想一下，你在漆黑的夜晚驅(qū)車赴約，沒(méi)有路燈，也沒(méi)有指路牌，更沒(méi)有人可以幫忙，甚至連擋風(fēng)玻璃都沒(méi)有。你只能靠方向盤一側(cè)的兩個(gè)顯示屏來(lái)認(rèn)路：一個(gè)屏幕上顯示了街道地圖；另一個(gè)屏幕上顯示了你的當(dāng)前位置。如果這兩個(gè)圖合并在一起，事情會(huì)不會(huì)簡(jiǎn)單得多？心臟病專家在執(zhí)行所謂的“介入性”手術(shù)，如利用遠(yuǎn)程控制的導(dǎo)管，植入血管內(nèi)支架或心臟瓣膜時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)差不多就是這樣。

在這樣的手術(shù)過(guò)程中，附近的一臺(tái)顯示器上通常將顯示，脈管解剖組織的術(shù)前高分辨率計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）成像，而介入治療室中現(xiàn)場(chǎng)生成的單獨(dú)的X光片，則顯示了導(dǎo)管尖的實(shí)時(shí)位置。

在位于新澤西州普林斯頓的西門子美國(guó)研究院，Daphne Yu是成像可視化實(shí)驗(yàn)室的主任，她表示，“外科醫(yī)生非常善于在他們的頭腦中將這些圖像融合起來(lái)，但利用*的可視化技術(shù)，我們可以替他們將這些圖片融合起來(lái)。”

然而，他們的研究目標(biāo)更為遠(yuǎn)大。事實(shí)上，Yu和她在西門子美國(guó)研究院以及西門子醫(yī)療的同事，設(shè)想的是在未來(lái)的手術(shù)室和介入治療室環(huán)境中，采用符合人機(jī)工程學(xué)的方式，將所有模式成像融合起來(lái)。

這樣的成像模式包括，實(shí)時(shí)內(nèi)窺鏡成像、超聲成像、實(shí)時(shí)CT成像、熒光透視成像、電生理學(xué)成像（用于消除導(dǎo)致心律失常的心臟組織），以及最重要的三維術(shù)前CT或磁共振（MR）成像等。最后一種成像模式尤為重要，因?yàn)樗鼈兛梢杂米饕龑?dǎo)底圖，最終所有其他模式的成像均將被融合于其中。

路線圖初具雛形。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)未來(lái)的一體化治療環(huán)境愿景，西門子中央研究院的研究人員開發(fā)了能夠在任何梗塞、視角、成像模式或病狀等條件下，從任何數(shù)字醫(yī)療成像中識(shí)別出任何器官，并分割——即將之從周圍組織中分離出來(lái)——的學(xué)習(xí)軟件。

一款能夠自動(dòng)將心臟從三維CT或MR成像中分離出來(lái)的心臟模型分割軟件，就是這種功能的典型代表。譬如，在結(jié)合實(shí)時(shí)熒光透視成像使用時(shí)，所分割出來(lái)的心臟模型，可用于在心臟表面定位所要消融的確切部位，以便消除導(dǎo)致心律失常的組織。

此外，坐落于馬里蘭州貝塞斯達(dá)的美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究所（NIH），正在實(shí)驗(yàn)使用西門子中央研究院與西門子醫(yī)療聯(lián)合開發(fā)的實(shí)時(shí)成像模型融合軟件，來(lái)幫助引導(dǎo)將人造心臟瓣膜植入豬心臟中的目標(biāo)位置。Yu表示，“這種心臟模型與實(shí)時(shí)圖像的融合圖像提供了界標(biāo)，有助于醫(yī)生實(shí)時(shí)辨認(rèn)導(dǎo)管所在的確切位置。這個(gè)例子充分表明，圖像融合能在介入治療室和手術(shù)室中發(fā)揮巨大作用。”

在位于德國(guó)Forcheim的西門子成像和治療系統(tǒng)集團(tuán)，Razvan Ionasec博士是面向醫(yī)療成像的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用專家，他沿著類似的思路，將術(shù)前三維CT成像與由一臺(tái)西門子“C-arm”CT成像設(shè)備在手術(shù)室中現(xiàn)場(chǎng)生成的二維X光視頻圖像相融合。他解釋道，“通常的情況是，手術(shù)之前，有充裕的時(shí)間利用各種高分辨率設(shè)備生成大量醫(yī)療成像。但我們需要在分秒必爭(zhēng)并且成像技術(shù)有限的手術(shù)室里，為醫(yī)生提供這些術(shù)前信息。為了彌合這一缺口，我們將術(shù)前信息與熒光透視成像數(shù)據(jù)相映射。這樣一來(lái)，我們一下子就獲得了實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，而這樣的信息，是僅僅依靠熒光透視成像所無(wú)法得到的。”

成像模式融合技術(shù)已初顯成效。不久前，得益于術(shù)前CT數(shù)據(jù)的融合，《未來(lái)之窗》2010年秋季刊中介紹的一項(xiàng)通過(guò)介入術(shù)植入主動(dòng)脈瓣的技術(shù)得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。新的產(chǎn)品syngo.CT Valve Pilot™不僅能夠從CT成像中自動(dòng)分割主動(dòng)脈瓣及有關(guān)結(jié)構(gòu)，而且提供了諸如瓣膜半徑等測(cè)量數(shù)據(jù)，這對(duì)于制定手術(shù)計(jì)劃和執(zhí)行手術(shù)至關(guān)重要。

同時(shí)，另一項(xiàng)名為“eSieFusion™成像”的技術(shù)，則可以將實(shí)時(shí)超聲成像覆蓋在先前采集的三維CT和MR成像上。這項(xiàng)技術(shù)可用于引導(dǎo)醫(yī)生更加精確地將穿刺針插入目標(biāo)組織。目前，西門子的ACUSON S3000™超聲成像系統(tǒng)已經(jīng)可以提供這項(xiàng)技術(shù)。最終，超聲成像也將與CT成像和X光片融合，以支持植入主動(dòng)脈瓣，Ionasec如是道。

現(xiàn)場(chǎng)模擬功能可以就動(dòng)脈瘤的夾閉位置提供建議。

移動(dòng)式數(shù)據(jù)融合。除融合多種臨床成像模式之外，西門子中央研究院的研究人員還著眼于隨時(shí)、隨地、根據(jù)需要提供這些成像。Yu說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，比起在一個(gè)巨大的顯示屏上單獨(dú)顯示治療部位的各個(gè)成像，更為方便實(shí)用的做法是，提供一幅可移植的融合圖像。”可以在安裝于支架上的平板電腦上，甚或可以在頭戴式裝置上，顯示這樣的圖像。后者將支持視覺、心理活動(dòng)與手眼協(xié)調(diào)的融合，并且甚至可以被用在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，從而允許外科醫(yī)生將診斷信息重疊到他/她的實(shí)際視野上。

為了將這個(gè)愿景變成現(xiàn)實(shí)，西門子研究人員正在開發(fā)有關(guān)技術(shù)，以促進(jìn)開發(fā)超快速可視化解決方案。譬如，在西門子中央研究院，Andreas Hutter博士帶領(lǐng)的一支團(tuán)隊(duì)正在設(shè)法針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用，量身定制流式傳輸和視頻壓縮解決方案，而其他研究人員則在與芯片制造商合作，以最大限度地降低處理圖像所需的計(jì)算能力和功耗。Yu說(shuō)：“這些努力已初顯成效。歸功于此，我們可以利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，將實(shí)時(shí)圖像流式傳輸至平板電腦。”

顯然，必須將時(shí)延縮短至幾乎令人覺察不到的程度。Yu指出，“當(dāng)醫(yī)生將針頭或?qū)Ч芡迫牖颊呱眢w組織時(shí)，他需要立即獲得反饋。譬如，在做涉及血管造影的手術(shù)時(shí)，我們的成像設(shè)備能夠以超快的速度生成每一幅圖像并編碼。然后，必須利用流式傳輸技術(shù)，將這些圖像發(fā)送至顯示裝置，并進(jìn)行解碼和渲染。”當(dāng)然，隨著融合的成像模式日益增多，所需的處理能力將不斷提高。盡管如此，這或許不會(huì)明顯加劇時(shí)延。譬如，借助eSieFusion成像解決方案，初始配準(zhǔn)CT成像和超聲成像可能需要三秒鐘，但此后便可實(shí)時(shí)融合任意兩張圖像。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究所已在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)手術(shù)中使用了西門子的實(shí)時(shí)成像模型融合軟件，用來(lái)引導(dǎo)將人造心臟瓣膜植入豬心臟。右圖：血液流動(dòng)的實(shí)時(shí)模擬。

將專家系統(tǒng)納入其中。在未來(lái)的手術(shù)室和介入治療室中，多模數(shù)據(jù)融合將不僅限于成像。Yu表示，“我們的愿景是隨時(shí)、隨地、根據(jù)需要提供任何信息。除融合多種不同模式的術(shù)前成像和實(shí)時(shí)成像之外，我們還將融合患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如心率和血壓。”沿著這條路繼續(xù)向前，在數(shù)以千計(jì)的類似病例的基礎(chǔ)上，得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)，也將被應(yīng)用到具體的手術(shù)中，從而為虛擬會(huì)診功能和替代方案分析開啟一扇大門。

譬如，現(xiàn)場(chǎng)模擬功能或許能夠根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的流體力學(xué)數(shù)據(jù)，就動(dòng)脈瘤的 夾閉位置提供建議。虛擬血管造影、個(gè)體化麻醉和藥物相互作用等均可在手術(shù)過(guò)程中進(jìn)行模擬，然后在給藥時(shí)進(jìn)行跟蹤，以優(yōu)化基礎(chǔ)算法。

最后，數(shù)據(jù)融合還有望節(jié)省費(fèi)用。Yu說(shuō)：“它可用于自動(dòng)記錄手術(shù)過(guò)程，這將支持高效的報(bào)銷系統(tǒng)，并且可供學(xué)習(xí)系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化治療方案。”

要充分釋放其全部潛力，多模數(shù)據(jù)融合還需要克服許多挑戰(zhàn)：需要大大提高不同系統(tǒng)軟件之間的互通性；需要制定各種標(biāo)準(zhǔn)，從圖像質(zhì)量到傳輸速度，不一而足；需要滿足對(duì)帶寬幾乎無(wú)止境的渴求，這將要求不斷提高處理能力和能效。Yu說(shuō)：“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合尚處于起步階段，但綜合考慮這個(gè)領(lǐng)域的各項(xiàng)進(jìn)展就會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們正在創(chuàng)造一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，它將轉(zhuǎn)變我們?cè)诟黝愔委熤羞M(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施、記錄和汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的方式。”