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數(shù)據(jù)融合改變手術室

現(xiàn)今的手術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想，利用便攜式無線顯示裝置，將所有圖像數(shù)據(jù)整合到一幅實時信息概覽圖中，包括分析、虛擬會診和模擬等信息，從而營造出簡潔的環(huán)境。

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

不妨設想一下，你在漆黑的夜晚驅(qū)車赴約，沒有路燈，也沒有指路牌，更沒有人可以幫忙，甚至連擋風玻璃都沒有。你只能靠方向盤一側(cè)的兩個顯示屏來認路：一個屏幕上顯示了街道地圖；另一個屏幕上顯示了你的當前位置。如果這兩個圖合并在一起，事情會不會簡單得多？心臟病專家在執(zhí)行所謂的“介入性”手術，如利用遠程控制的導管，植入血管內(nèi)支架或心臟瓣膜時，面臨的挑戰(zhàn)差不多就是這樣。

在這樣的手術過程中，附近的一臺顯示器上通常將顯示，脈管解剖組織的術前高分辨率計算機斷層掃描（CT）成像，而介入治療室中現(xiàn)場生成的單獨的X光片，則顯示了導管尖的實時位置。

在位于新澤西州普林斯頓的西門子美國研究院，Daphne Yu是成像可視化實驗室的主任，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，但利用*的可視化技術，我們可以替他們將這些圖片融合起來。”

然而，他們的研究目標更為遠大。事實上，Yu和她在西門子美國研究院以及西門子醫(yī)療的同事，設想的是在未來的手術室和介入治療室環(huán)境中，采用符合人機工程學的方式，將所有模式成像融合起來。

這樣的成像模式包括，實時內(nèi)窺鏡成像、超聲成像、實時CT成像、熒光透視成像、電生理學成像（用于消除導致心律失常的心臟組織），以及最重要的三維術前CT或磁共振（MR）成像等。最后一種成像模式尤為重要，因為它們可以用作引導底圖，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。為了實現(xiàn)這個未來的一體化治療環(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)療成像中識別出任何器官，并分割——即將之從周圍組織中分離出來——的學習軟件。

一款能夠自動將心臟從三維CT或MR成像中分離出來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)合實時熒光透視成像使用時，所分割出來的心臟模型，可用于在心臟表面定位所要消融的確切部位，以便消除導致心律失常的組織。

此外，坐落于馬里蘭州貝塞斯達的美國國立衛(wèi)生研究所（NIH），正在實驗使用西門子中央研究院與西門子醫(yī)療聯(lián)合開發(fā)的實時成像模型融合軟件，來幫助引導將人造心臟瓣膜植入豬心臟中的目標位置。Yu表示，“這種心臟模型與實時圖像的融合圖像提供了界標，有助于醫(yī)生實時辨認導管所在的確切位置。這個例子充分表明，圖像融合能在介入治療室和手術室中發(fā)揮巨大作用。”

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

成像模式融合技術已初顯成效。不久前，得益于術前CT數(shù)據(jù)的融合，《未來之窗》2010年秋季刊中介紹的一項通過介入術植入主動脈瓣的技術得到了進一步增強。新的產(chǎn)品syngo.CT Valve Pilot™不僅能夠從CT成像中自動分割主動脈瓣及有關結(jié)構，而且提供了諸如瓣膜半徑等測量數(shù)據(jù)，這對于制定手術計劃和執(zhí)行手術至關重要。

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

現(xiàn)場模擬功能可以就動脈瘤的夾閉位置提供建議。

移動式數(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、隨地、根據(jù)需要提供這些成像。Yu說：“我們發(fā)現(xiàn)，比起在一個巨大的顯示屏上單獨顯示治療部位的各個成像，更為方便實用的做法是，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、心理活動與手眼協(xié)調(diào)的融合，并且甚至可以被用在增強現(xiàn)實環(huán)境中，從而允許外科醫(yī)生將診斷信息重疊到他/她的實際視野上。

為了將這個愿景變成現(xiàn)實，西門子研究人員正在開發(fā)有關技術，以促進開發(fā)超快速可視化解決方案。譬如，在西門子中央研究院，Andreas Hutter博士帶領的一支團隊正在設法針對醫(yī)療應用，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算能力和功耗。Yu說：“這些努力已初顯成效。歸功于此，我們可以利用標準以太網(wǎng)技術，將實時圖像流式傳輸至平板電腦。”

顯然，必須將時延縮短至幾乎令人覺察不到的程度。Yu指出，“當醫(yī)生將針頭或?qū)Ч芡迫牖颊呱眢w組織時，他需要立即獲得反饋。譬如，在做涉及血管造影的手術時，我們的成像設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，將這些圖像發(fā)送至顯示裝置，并進行解碼和渲染。”當然，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，這或許不會明顯加劇時延。譬如，借助eSieFusion成像解決方案，初始配準CT成像和超聲成像可能需要三秒鐘，但此后便可實時融合任意兩張圖像。

美國國立衛(wèi)生研究所已在一項實驗手術中使用了西門子的實時成像模型融合軟件，用來引導將人造心臟瓣膜植入豬心臟。右圖：血液流動的實時模擬。

將專家系統(tǒng)納入其中。在未來的手術室和介入治療室中，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、隨地、根據(jù)需要提供任何信息。除融合多種不同模式的術前成像和實時成像之外，我們還將融合患者的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如心率和血壓。”沿著這條路繼續(xù)向前，在數(shù)以千計的類似病例的基礎上，得出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)，也將被應用到具體的手術中，從而為虛擬會診功能和替代方案分析開啟一扇大門。

譬如，現(xiàn)場模擬功能或許能夠根據(jù)實時計算的流體力學數(shù)據(jù)，就動脈瘤的夾閉位置提供建議。虛擬血管造影、個體化麻醉和藥物相互作用等均可在手術過程中進行模擬，然后在給藥時進行跟蹤，以優(yōu)化基礎算法。

最后，數(shù)據(jù)融合還有望節(jié)省費用。Yu說：“它可用于自動記錄手術過程，這將支持高效的報銷系統(tǒng)，并且可供學習系統(tǒng)用來進一步優(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；需要制定各種標準，從圖像質(zhì)量到傳輸速度，不一而足；需要滿足對帶寬幾乎無止境的渴求，這將要求不斷提高處理能力和能效。Yu說：“實時數(shù)據(jù)融合尚處于起步階段，但綜合考慮這個領域的各項進展就會發(fā)現(xiàn)，我們正在創(chuàng)造一個生態(tài)系統(tǒng)，它將轉(zhuǎn)變我們在各類治療中進行規(guī)劃、實施、記錄和汲取經(jīng)驗教訓的方式。”

用數(shù)字讀懂一切

自20世紀90年代初以來，數(shù)字技術已從根本上改變了我們的生活方式。如今，我們即將開始全面轉(zhuǎn)型——將所有以模擬形式記錄的人類知識，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式?！段磥碇啊穾黄鸹厥淄?，暢想未來。

巴伐利亞州立圖書館的藏書，正在被掃描并上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

楚澤（Zuse）、歐洲核子研究中心（CERN）和扎克伯格（Zuckerberg）——這三個名字標志著數(shù)字革命進程中的重要里程碑。早在1941年，Konrad Zuse在柏林研制出了世界上*臺可以正常工作的計算機。他稱這臺外形龐大的數(shù)字計算機器為“Zuse Z3”。1991年，就職于瑞士歐洲核子研究中心的Tim Berners-Lee開發(fā)的萬維網(wǎng)，向全球公眾開放。Web技術進一步變革了人們的通信方式，為谷歌、亞馬遜以及不計其數(shù)的其他企業(yè)，鋪平了道路。后來，2004年，Mark Zuckerberg創(chuàng)建了名為臉書（Facebook）的社交網(wǎng)絡。如今，得益于臉書及類似網(wǎng)絡，近20億人獲得了數(shù)字身份。

計算機、Web和臉書，都基于數(shù)字技術。數(shù)字化的含義，就是將模擬信息，如文本、聲音、圖像和視頻等，轉(zhuǎn)換為易于存儲的、由大量零和一組成的二進制代碼。一經(jīng)創(chuàng)造，這樣的數(shù)字項就能被無*地復制，而質(zhì)量絲毫不受影響，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)瞬間傳遍全球。數(shù)字技術為企業(yè)創(chuàng)造了全新的銷售渠道類型，但它也帶來了新的問題，如違法拷貝數(shù)據(jù)。始于20世紀90年代的互聯(lián)網(wǎng)熱潮，掀起了一場*的數(shù)字化浪潮。1993年，在全球范圍內(nèi)，只有大約3%的信息以數(shù)字形式存儲，但到2007年，這個比例已經(jīng)飆升至94%。而且，這一趨勢愈演愈烈，每天都有大量新的數(shù)據(jù)被數(shù)字化。

數(shù)字最重要的先驅(qū)之一是德國發(fā)明家Rudolf Hell，他被譽為“圖形行業(yè)的愛迪生”，曾被授予“德意志聯(lián)邦共和國大十字勛章（Grand Merit Cross）”，并且曾榮獲“古騰堡大獎（Gutenberg Prize）”和“魏納獎（Werner-von-Siemens-Ring）”。Hell是*的傳真機和掃描機之父。1980年，他將突破性的Chromacom數(shù)字圖像處理系統(tǒng)商業(yè)化。20世紀80年代初期，當時還是西門子子公司的HELL公司，受雇于梵蒂岡圖書館，掃描并以數(shù)字形式復制珍貴典籍，以便向公眾開放閱讀。20世紀90年代，數(shù)字化進程變得更加廣泛，也更具系統(tǒng)性。譬如，1990年，西門子利多富公司為莫斯科的克里姆林宮博物館安裝了一套數(shù)字處理系統(tǒng)，有史以來*次，以數(shù)字形式為俄羅斯沙皇的全部藝術藏品編目錄。然后，將所生成的數(shù)字圖像和信息，記錄并分類保存到圖像數(shù)據(jù)庫中。

掃描半開的書籍。如今，許多機構都想為其所擁有的全部模擬信息，制作數(shù)字拷貝。在這方面，坐落于慕尼黑的巴伐利亞州立圖書館堪稱*，其數(shù)字化中心擁有各式各樣的設備，在德國首屈一指。巴伐利亞州立圖書館的副館長Klaus Ceynowa說：“我們使用了26套不同的掃描系統(tǒng)，包括4臺每小時能夠處理最多2000頁的全自動掃描機器人。我們有兩名操作人員，每人看管兩臺機器人。這個系統(tǒng)不止是速度快，為了保護書籍，書籍只需翻開60度。該系統(tǒng)的掃描棱鏡就可插入半開的書頁之間。它能清楚無誤地讀取頁面內(nèi)容，然后翻頁，繼續(xù)執(zhí)行掃描。”

巴伐利亞州立圖書館的全部藏書（左圖）正在被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。目前，已有一款應用程序，可用于閱讀其最珍貴的文化寶藏。

自2007年起，巴伐利亞州立圖書館一直在與谷歌公司合作開展“谷歌數(shù)字圖書館”項目，通過這個項目，巴伐利亞州立圖書館的100萬冊藏書，將實現(xiàn)數(shù)字化并放到互聯(lián)網(wǎng)上供公眾閱讀。其所涉及的書籍，均成書于1601年至1874年期間，不再受版權保護。Ceynowa解釋道：“每個星期，經(jīng)谷歌在其位于德國的掃描中心將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，我們要發(fā)布大約5000冊圖書。谷歌承擔掃描費用，并將數(shù)字拷貝提供給我們，以保存在我們自有的數(shù)據(jù)庫中。1601年之前和1874年之后的所有著作，包括從中世紀傳下來的極其寶貴的手抄文稿，均在我們自己的數(shù)字化中心進行轉(zhuǎn)換。按計劃，谷歌項目將在今年年底之前結(jié)束。我們已經(jīng)將幾乎全部100萬冊藏書，上傳至我們的數(shù)字圖書館，任何人都可以在這里閱讀這些書籍。”

盡管如此，巴伐利亞州立圖書館的全面數(shù)字化進程遠未走到終點。Ceynowa表示：“我們的工作只是開始，因為我們迄今為止所做的事，為連接和重新組合數(shù)字信息創(chuàng)造了不同的可能性。”巴伐利亞州立圖書館已經(jīng)開發(fā)了數(shù)款移動應用程序，包括一款名為“Ludwig II”的應用程序。這款應用程序允許人們按其所在位置，定制查閱與路德維希二世的“童話城堡”有關的歷史資料、圖像和文獻。譬如，當人們站在路德維希二世在慕尼黑建造的Residenz宮殿的正前方時，他們可以利用其智能電話的照相模式，來獲取這座宮殿著名的Wintergarden的實時圖像——這座花園早已湮沒在歷史的塵埃中。Wintergarden是一座建在Residenz宮殿屋頂?shù)幕▓@，奇花異草掩映其間，人工湖泊波光粼粼——通過這款應用程序，人們可以欣賞到這美輪美奐的歷史景色。

現(xiàn)已可在網(wǎng)上閱讀巴伐利亞州立圖書館的近百萬藏書。

民事登記數(shù)字化。博物館和圖書館只是最后一批充分享用全面數(shù)字化益處的機構；政府機關和工業(yè)企業(yè)早已開始利用這項技術。現(xiàn)在，德國的16個聯(lián)邦州均計劃將其所有民事登記數(shù)字化。為此，過去兩年來，西門子中央研究院在Bernt Andrassy博士的指導下，受托開展了一項可行性研究。Andrassy解釋道：“德國的土地基本上被劃分為若干區(qū)塊。登記制度向這些區(qū)塊分配了一定的權利。因此，登記制度是德國土地使用的中央監(jiān)管機制。目前，各聯(lián)邦州已經(jīng)掃描并歸檔了過去50年來的全部登記文件，西門子中央研究院為它們提供了所需的重要系統(tǒng)組件。我們收集了大量數(shù)據(jù)，總共多達約5億頁pdf文件。”

勃蘭登堡州立檔案館保存的一份1743年的手寫登記（左圖）和法蘭克福區(qū)法院的一名員工展示的當代電子登記（右圖）。

誤讀可能導致數(shù)百萬損失。Andrassy在登記數(shù)字化項目中獲得的經(jīng)驗，也適用于工業(yè)領域。Andrassy表示：“我們正在研制一款軟件包，它能自動登記招標公告中的客戶要求，然后，將之與以往項目留下的數(shù)字化文檔中的數(shù)據(jù)進行比對。這樣的招標公告文件通常采用pdf格式，并且往往厚達上千頁。過去，必須人工摘錄每一項技術規(guī)格，然后由專家評估，如輪機最大轉(zhuǎn)速，或下午4點以后聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的最大允許噪聲級等。”

但是，要求和技術規(guī)格列表通常很長，哪怕誤讀一個句子，也會在日后導致數(shù)百萬歐元的損失。考慮到這一點，慕尼黑的專家開發(fā)了一項可靠的搜索系統(tǒng)技術，它能發(fā)現(xiàn)所做的每一處變更，并通知用戶。其最終目的是，讓這款程序?qū)⒓夹g規(guī)格作為語義對象，來理解并正確解讀。Andrassy解釋道：“我們所開發(fā)的軟件，分為三個工作階段，我們分別稱之為‘標書檢索’、‘標書比對’和‘標書追蹤’。*個步驟是一個非常高效的過程，允許用戶找到招標文件中的技術規(guī)格。在第二個步驟中，軟件將從以往項目的文件中檢索類似的技術規(guī)格。這樣一來，就可以利用以前所做的相應評估，從而避免錯誤。在最后一個步驟中，軟件將在招標文件的所有新版本中，跟蹤所確定的技術規(guī)格。”

這種方法的優(yōu)點顯而易見，因為自動評估大大加快了評估過程，并且有助于盡早發(fā)現(xiàn)在類似項目中犯下的錯誤。此外，這個系統(tǒng)支持客戶在最后一刻作出更改，并且快速分析其后果，并將之整合到項目中。

轉(zhuǎn)瞬間完成檔案梳理。全面數(shù)字化僅僅是開端。不論是圖書館、政府機關，還是工廠，都在創(chuàng)造大量數(shù)字知識，可以采用全新的方式來使用這些知識。因此，今后幾年乃至幾十年的開發(fā)工作，將側(cè)重于基于軟件的工具，這些工具需要在轉(zhuǎn)瞬間完成數(shù)字檔案篩查、理解語義關聯(lián)、以及分類并重新組合信息。Ceynowa表示：“譬如，學者將能夠快速確定‘novel’一詞最早見于哪部手稿。他們不必鉆進故紙堆，查遍世界各地圖書館中的數(shù)百份文件，就能得到答案。這將*變革某些研究學科。”

Andrassy補充道：“可以更加快速地查閱諸如司法判例，以及以往對罕見疾病的醫(yī)療診斷等信息。盡管如此，智能數(shù)據(jù)采掘仍然無法替代人，不過它能為人們給予支持。換句話說，要打造出能夠讀懂客戶的pdf文件，將之與數(shù)據(jù)庫進行比對，然后立即知道它要制造什么物品及如何制造該物品的自治工廠，還有很長一段路要走。”

Nils Ehrenberg

飛翔的監(jiān)工

“Aspern——維也納的城市湖畔”，這個占地240公頃、位于奧地利首都維也納東北部郊區(qū)的全新小區(qū)，是歐洲最大，也最富創(chuàng)新精神的城市開發(fā)項目之一。這個小區(qū)有望設立能效和環(huán)境平衡的新標準。

一家由維也納市政府、當?shù)仉娏荆╓ien Energie）、當?shù)鼐W(wǎng)絡提供商（Wiener Netze）和西門子共同成立的合資企業(yè)，將Aspern當做一間用于技術創(chuàng)新的“富有生命力的實驗室”。為此，西門子名副其實地讓最*的三維數(shù)字化技術飛上了天。

Claudia Windisch是西門子中央研究院Videoanalytics研究小組的負責人，她說：“將近三年來，我們一直在CONSTRUCT（建筑工地監(jiān)測研究項目）框架下，研制民用無人駕駛飛行器。這些用于拍攝并分析建筑工地現(xiàn)場情況的無人駕駛飛行器，是一種小巧的八旋翼飛行器，其重量不足5公斤。”目前正在維也納Aspern區(qū)及其他地方，對這項用于監(jiān)測施工進度的空中數(shù)字技術進行測試。Windisch解釋道：“我們使用了GPS來設定飛行航線。操作者可密切觀察飛行器的情況，以便在出現(xiàn)問題時及時干預。然而，操作者有時也不得不對飛行器進行控制，譬如，在對一面幕墻進行拍照時。”利用大量大面積重疊的建筑物航拍圖片，可以生成現(xiàn)場的三維模型。

研究人員正在研制一個能在飛行器的飛行過程中，生成并持續(xù)更新三維模型，且能在問題區(qū)域標注色碼的系統(tǒng)，以便為操作者提供支持。這個系統(tǒng)要求拍攝更多圖片，以達到生成精確模型所需的重疊程度。Windisch解釋道：“如今，大多數(shù)建筑設計都采用了三維技術，因此，在三維系統(tǒng)中對實際數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)進行比對，不啻為明智之舉。如果將時間軸納入考慮，甚至可以說，我們研制的是四維技術。借助這項技術，我們可以確定施工進度，以及任何偏離計劃的情況。然而，由于目前駐場施工經(jīng)理只有平面設計圖可用，因此，決定只能在維也納Aspern區(qū)使用三維模型，來生成實際現(xiàn)場的二維圖形?？梢詫鹘y(tǒng)二維CAD設計圖，重疊在所生成的二維圖形上，然后進行比對。”

未來，將進一步優(yōu)化這個過程，以實現(xiàn)自動比對，以及以圖形化方式在虛擬三維模型中標注出設計與實際結(jié)果之間的偏差。偏差包括缺了窗戶或者墻沒有對齊等。Windisch說：“我們開發(fā)的技術能夠簡便、快速地檢測出設計與實際結(jié)果之間的偏差。然后，可以在大型圖形中顯示這些偏差——無需派檢查員親自前往可能存在危險且難以到達的區(qū)域――如尚未完工的屋頂，就能做到這一切。”然而，建筑工地只是這項技術的眾多潛在應用領域之一。譬如，Windisch的團隊已經(jīng)執(zhí)行了不計其數(shù)的無人駕駛飛行器飛過工廠車間的任務——經(jīng)翻新和現(xiàn)代化改造后，工廠車間的實際情況往往與最初的建筑設計有所不同。