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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(shù)前CT成像和MR成像中識別并分離出器官，以便將之與手術(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)，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(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)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），以及重要的三維術(shù)前CT或磁共振（MR）成像等。后一種成像模式尤為重要，因為它們可以用作引導底圖，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(shù)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(shù)前三維CT成像與由一臺西門子“C-arm”CT成像設備在手術(shù)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(shù)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(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，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(shù)已初顯成效。不久前，得益于術(shù)前CT數(shù)據(jù)的融合，《未來之窗》2010年秋季刊中介紹的一項通過介入術(shù)植入主動脈瓣的技術(shù)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(guān)結(jié)構(gòu)，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(shù)計劃和執(zhí)行手術(shù)至關(guān)重要。

同時，另一項名為“eSieFusion™成像”的技術(shù)，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(shù)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(shù)。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(guān)技術(shù)，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(lǐng)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(shù)，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(shù)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(shù)，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(shù)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(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、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(shù)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(shù)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。

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(shù)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(lǐng)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。”