谈谈数字医学影像核心装备

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〔摘　要〕本文归纳和总结了数学医疗核心装备及其医疗软件业的现状和发展,并就中国这个领域内存在的问题,以及对解决这些问题的思路提出了自己的看法。　　

〔关键词〕医学影像;数字化医疗装备;医疗软件;现状和发展

医学成像领域的现状[1] 临床广泛使用的四大成像系统 (1) X-射线成像自从伦琴发现X-射线以后,几乎世界上所有大学的物理系都建立了X-线产生和成像装备,并很快在医学上得到了广泛应用。110年之后的今天,估计每1000人中大约有700人每年要用X-线检查,现代人一生中要做几十次X-射线成像检查。所以, X- 线成像及其应用可以称得上是世界科学史及医学发展史上最重要的一个里程碑。以人体不同器官和组织对 X-射线的不同吸收特性为基础发展起来的X-射线透视和X-射线照相术,为人体骨骼和内脏器官疾病或损伤进行诊断、定位提供了强有力的手段,同时也把胶片带进了医学成像的领域,使之成为110多年来图像显示的主要工具。在平面X-射线成像之后,显像增强剂得到了很大的发展,血管造影技术和其他脏器的专门化X-线机相继延生,大大扩大了X-线成像的应用范围。目前在所有血管造影技术中, X-射线的血管造影仍然是最经典的技术,可以作为其他成像技术的金标准。平面X-射线成像的未来发展方向是数字化的X -线机技术。这种技术来自对传统X-线机的批判。传统的X-线机照相技术的剂量有可能提高癌症的发病率,从而限制在妇幼保健体检中的应用;由于胶片显像使用的微粒的大小尺寸已经受到限制,而进一步克服颗粒不均匀性等因素已经非常困难,使得胶片图像质量的进一步提高受到了限制。用胶片作为成像媒介的最大问题是胶片图像不能用于计算机处理和存贮,不能在网上传送。目前把传统的X-线机数字化已经是发展的潮流,其中包括直接数字化的X-线机(DR)和用图像版的X-线机(CR)两种。最终的目标当然是DR, 但是DR的普及需要进一步提高产品的可行性并降低产品的价格。 (2) X-射线断层成像(X-CT)。这是平面X- 射线成像得到充分发展之后进一步发展的必然结果。

X-CT已经从二十世纪七十年代初简单的成像装备发展为今天以多层螺旋CT为主的技术。它是传统影像技术中发展中最为成熟的成像模式之一,其速度已经快到可以实现心脏的动态显像。但是,如何在病人剂量和片厚之间进行选择,在临床上是经常需要考虑的问题;空间分辨率和对比度的进一步提高也受到了很多制约。而多模态集成的成像装备,例如PET-CT、 MRI-CT、电子直线加速器/CT等相继问世,为用户提供了更多的选择和可能性。同时,各种专业化的 CT发展技术也得到了很快的提高和发展。最近的设计理念是去掉“层厚”的概念,实现真正意义上的三维空间X-射线成像(volume CT),也就是目前直接数字化平面X-射线在三维空间的数据采集和重建。这种volume CT的实验室样机已经问世,图像的空间分辨率已经达到0·1mm的水平。 核磁共振成像(NMRI) 核磁共振成像也开始于二十世纪七十年代末,当时在美国纽约洲立大学石溪分校工作的P·C·Lauterbur 教授,用三维空间的梯度场发展了核磁共振(NMR) 的空间定位方法,并用X-CT的相同的图像重建技术实现了磁共振成像(MRI)。1983年MRI的商业化设备进入市场,并大量应用于无创伤疾病诊断、无创伤介入治疗等现代医疗活动中,之后该项技术越来越成熟,在影像诊断市场上所占的份额不断提高。由于这种成像设备具有在任意方向的多切片成像及多参数成像整个空间的真三维数据采集、结构和功能成像以及没有放射性等优点, MRI受到广泛重视,不断扩展用途,还在迅速发展过程中。但是,相对而言,核磁共振成像也是所有成像模式中技术最为复杂的一种成像方法,研制和开发这样的装备涉及磁共振物理学、磁学、电子工程、计算机软件工程、信号处理等许多科学技术领域。目前各种各样的产品都已经大量地进入市场,其中包括高场超导系统,低场开放系统和快速成像系统。在技术上, 多线圈并行采集已经成为当前技术的重要发展方向之一,而气体成像(3He,129Xe)已经成为肺部显像的商业选件。今后的发展有可能借助微电子技术实现在体素水平上的平行采集和不依赖于梯度的编码技术,但是,在商业上实现这一点,还需要很长的时间, MRI 成像技术还在发展。

数字医学影像装备涉及的10个关键技术: (1)产生用于成像的物质波装备的原理和关键技术,即提高波源产生物质波的效率和改善物质波束流品质的方法和关键技术。 (2)对物质波和人体组织发生相互作用的规律建模,通过模型参数的最佳化,改善影像信息提取的数量、质量和速度。 (3)研究探测物质波的探测器、传感器或者换能器等探测部件,使得它们具有更好的灵敏度以及空间和时间分辨率。 (4)把探测到的信号放大,成形并实现数字化, 在计算机记录的编码过程中防止失真,开展提高信号传输效率和保真度的方法研究。 (5)快速、高效地实现图像重建,在重建中减少噪声的方法学研究。 1医疗装备2005第4期(6)减少噪声、伪影和畸变,提高图像质量的方法学研究。 (7)更符合人体视觉效果的医学图像显示方法和关键技术。 (8)设计为新的成像系统的性能指标进行测量和评估的方法学以及相应的软件。 (9)以高效和快速的医学图像的存贮、通讯管理、检索以及从海量数据中寻找规律的知识挖潜的方法学为主要内容的PACS (PictureAchieving munica- tion System)技术。 (10)分子和基因成像,在基因序列测定之后的后基因时代,为了搞清楚基因和人体内的生物大分子之间的关系,疾病和基因以及生物大分子之间的关系,开展基因和分子成像成为医学成像的一个新的发展方向。其中核医学成像、功能磁共振成像是目前已经可以在临床开展诊疗的分子和基因配体水平上成像,而光学成像是一个非常有前途的正在开发中的成像模态。但是由于空间分辨率差和受到放射性标记药物的限制,核医学成像用于分子水平成像的潜力还没有很好发挥出来。随着后基因时代的到来,核医学成像将越来越受到重视。MRI可以提供分子成像某种现实的技术手段,例如谱成像技术。分子成像工具都是新药开发的必要工具。但是国内药物开发商使用这类工具的几乎没有。因为用放射性标记药物进行药物病理和毒性的研究是目前活体水平研究的最重要的工具。所以,我们把成像技术的最后一个重要方向归纳为:实现分子成像的新原理和新方法,以及对现有方法的改进技术。

医学影像的4个应用领域可以归纳为: (1)在疾病的无创伤诊断中的应用,目前已经涉及到人的解剖和生理有关的几乎所有领域,但是最重要的还是肿瘤、心血管以及机械创伤后脏器损伤的检查,及所有脏器的器质性病变参数或者代谢功能参数的测量。这里介绍的内容中还应该包括计算机辅助诊断。由于医院的放射科每天产生的图像太多,放射科医生的工作量太大,眼睛容易疲劳,加上个人的经验问题,漏诊或者误诊的问题时有发生。为了减少工作量和用于活检的人数,防止漏诊,减少误诊,发展基于医学影像的计算机辅助诊断MICAD (Medical Imaging based puted Assistant Diagnosis)是非常必要的。 (2)在脑功能成像基础研究中的应用也是今后发展的一个重要内容。大脑的作用对人的重要性是不言而喻的。脑功能成像是目前无创伤研究人脑工作机制、诊断大脑疾病的唯一有效的方法。从基础研究看,它们是实验心理学的主要工具;从医学的角度看,主要用于诊断大脑的脑功能性疾病,并为大脑占位性病变提供的脑功能性疾病,并为大脑占位性病变提供功能模块重新分布的信息,从而为准确治疗提供依据,其实人脑的疾病,是常见病和多发病,诊断和治疗这些疾病都需要对大脑进行功能成像。解决这些问题是二十一世纪人类面临的挑战,也是科学和医学有可能有重大突破的地方,实际上脑认知功能成像已经完全可以用于临床诊断。 (3)成像设备还是疾病治疗时的辅助工具,其中主要包括用于手术或者肿瘤放疗计划设计、治疗时的影像监督技术、治疗后的验证和预后。同时,通过信息集成完成的虚拟内窥镜技术、外科手术计划、影像导引下的外科手术、以影像信息为基础制定的放疗计划、影像导引下的介入治疗是医学影像的重要应用领域,这方面的应用方兴未艾。 (4)医学图像的解剖学、生理学的教学当中也有非常广泛的应用。今后的医科学生都应该具备基本的医学图像产生机制、各种成像设备的设计原理以及检测标准等广泛的知识,为他成为正式医生之后选用合理的成像工具打下基础。综上所述,医学影像是人体的最大的信息源,通过无创伤的数据采集实现对人体在三维空间的时间轴上的信息测量,通过对测量数据的分析,获得人体内部解剖学、生理功能和脑认知心理信息,是采集人体宏观和微观信息并具有非常广泛应用领域的一个产业群。围绕这个产业群工作的不仅是这类产品研发、生产、销售和售后服务人员,还包括使用这些装备的医务人员、医学物理师、临床工程师和技术员。综上所述,医学影像是人体信息获取、分析和人类疾病诊疗的重要工具,这些行业的发展是一个国家整体实力和科技综合水平和体现。但是,目前任何一种成像工具只能获取人体的部分信息。局部的或者部分的信息还不足于为准确诊断提供足够依据,所以肿瘤的活检还不能废除。加上各种原因,在图像中还夹带了伪影和噪声,所以正确使用成像工具,不断改进医学图像的质量,研究和发展 2Medical Equipment Vol·18, No·4新的成像工具,是我们今后发展中相当长一段时间内需要解决的问题。

　　核医学成像(NMI) 单光子计算机机断层成像(SPECT)的发明过程比较难以说清楚,因为有很多家实验室几乎同时发展。其中需要提到的是Jaszczak等人和Keys等人,他 3医疗装备2005第4期们于1977年分别报告在实验室内得到了包括旋转支架在内的SPECT,而且得到了临床应用结果,是现代 SPECT发展的关键性一步。正电子发射断层成像(PET)的思想是Wrenn等人在1951年提出来的。但是在六十年代末才得到临床可以使用的PET图像。由于价格昂贵和产生同位素的困难, PET一直没有在临床得以广泛的应用。最近由于技术的可靠性增加,以18F为代表的放射性核素显像技术开始在临床广泛推广。从整个学科来说, 平面通用的伽玛相机正在逐步被淘汰,专用的平面伽玛相机,例如甲状腺疾病诊断和治疗监督的专用小型伽玛相机等仍然是市场看好的产品。核医学成像在最近的一个亮点是分子成像[2]。目前分子水平的成像主要是指用放射性核素标记的放射性化合物分子在人体内分布的可视化。这些图像是人体内微观的分子甚至亚分子(例如基因配体)的宏观分布。在宏观水平上通过统计学分析后得到的关于该分布的分布,结合人类已经掌握的生化知识,分析这些生化过程,从而确定该生化分子在人体内的行为, 并根据它的行业分析该化学分子在人体内和人体的相互作用(机制),或者归纳出对该化学分子是否对人体有利或者有害的结论(药物的药理和毒性的研究)。人体的病变,有些是通过基因突变开始的,从基因调控下的大分子运动紊乱开始,长期的紊乱引起脏器功能的变化,这种变化在脏器发生器质性变化之前就发生了,例如代谢紊乱、血流变化、血容积的变化等。但是主要从事结构诊断的影像设备,例如X- CT、超声波检查及大部分MRI设备都不可能对这些紊乱进行测量,能够定量地测量这种紊乱,就是医学上的早期诊断。由于核医学成像能够实现早期诊断, 这是核医学影像设备得以发展的原因。核医学成像的作用是早期诊断。拿癌症来说,根据统计学方法的研究结果,放射型CT (SPECT)可以比X-CT提前三个月诊断出癌症,正电子CT (PET) 一般比SPECT还要早三个月诊断出癌症。很多癌症发展是非常快的,半年时间就足可以挽救至少延长一个人的生命。从原理上来说, X-CT诊断病人的根据是X射线通过人体时,人体组织对X-射线不同的吸收系数,而核医学影像设备的诊断依据是人体内的放射性药物的强度分布,这种分布是通过放射性核素标记的药物的生化过程体现出来的,因而可以用于研究和开发药物。因为带有放射性标记的药物可以自动寻找和浓集在需要探测和研究的人体组织或者脏器上, 根据放射性强度的分布及其随时间的变化曲线就可以知道特定组织或者脏器内对这种药物特异性吸收所揭示的生化规律,满足对这些药物的药理和毒性的研究目标。核医学成像的优点是特异性好,是代谢、功能和分子成像,能够用于早期诊断;其缺点是空间分辨率差,病理和周围组织的相互关系很难准确定位。如何克服这些缺点发扬它的优势,是医学物理工作者的一个重要任务。把核医学成像叠加在诸如X-CT成像、 MRI高分辨率结构图像上进行定位是目前比较流行的方法。所以,医学图像配准、分割和融合在医学成像方面的应用是这个领域内一个重要的方面。

超声波成像(Ultrasonic Imaging) 超声波成像是除了平面X-射线成像以外使用最为广泛的医学成像工具。超声波成像使用脉冲—回波技术,和雷达技术相似,从第二次世界大战之后不久发展起来的。它的发展受到X-射线金属探伤的启发。第一台超声波成像仪是1952年由Wild和Reid完成的,他们得到了活人腿的单层超声波图像。第一台二维的商业超声波成像仪被认为是Donald等人于 1958年研制出来的。目前超声波成像仪已经从过去的单探头发展成为今天的探测器阵列,从模拟系统发展到数字化和图像实时显示系统。如何增加超声波成像仪的对比度是研究和发展的重点。彩色超声波成像和杜普勒超声成像正在逐步被发展为三维实时成像系统。超声波成像的优点是安全可靠、价格低廉,所以在诊断/介入治疗和预后影像检测中都得到了迅速发展,成为四大医学影像之一,数量上增长最快。目前在中国超声波成像正以每年1000台的数量级在增长。超声成像的缺点是图像对比度差,信噪比不好, 准确判断还需要别的成像工具的帮助,而且图像的重复性在一定程度上依赖于操作人员。因为超声波的发射和接收都是通过探头实现的,而探头掌握在操作员的手上。 医学计算机图像工作站在所有的医学影像装备中,图像工作站是系统的重要组成部分。但是,这里强调的图像工作站是相对独立于成像系统的图像工作站,是用于进行图像数据 4Medical Equipment Vol·18, No·4的集成和分析的专用图像工作站,例如外科手术计划、影像导引下的介入治疗、手术模拟、放疗治疗计划、放疗时的实时监督和放疗后的剂量分布验证、针对某种特殊用途或者特定疾病的计算机辅助诊断图像工作站等。为了充分使用医学成像设备产生的医学图像资源,需要每个科室、每个医生都能用上这些图像资源。但是没有统一标准和规划,医院PACS系统的发展完全跟不上IT行业的快速发展。现在厂商提供的PACS系统只是网络工作在医院的实现,主要用于管理还没有让医院的每个科室和科室内的每个医护人员能够充分把这些信息用起来。所以,我们这里强调的医学图像工作站,是为了满足不同科室对医学图像信息、生化信息整合在一起,通过统计学的分析方法,协助对病人数据的处理和分析,然后通过医生的诊断给出病人数字档案文件和对病人诊疗意见的图像工作站。这类图像工作站,非常具有医生和科室的个性,所以从事这种图像工作站开发的研究人员应该紧密和医生配合,做出“量体裁衣”式设计和制作,对这类图像工作站的软件和硬件需要经常更新,实现终生服务。

只有这样,数字化医院的概念,以及通过医院的数字化使得医院、医院的医护人员以及患者从信息革命中获得好处,推动医学事业的进步和医疗服务水平的提高。医院的信息系统把医院所有的图像工作站连接起来,形成数字化医院信息流的主要内容。每个接诊的医生和护士都把信息录入到系统当中,通过录入的病人信息还可以和注册的病人进行比较,可以起到核对的作用。每天下来,一个医院有多少病人就诊,有多少病人住院、用药和接受检查的统计数字很容易统计出来,电子文档的问题也就不存在了。这种图像工作站以某个科室或者病房作为节点形成微型的PACS系统,把微型的PACS系统和整个医院连接起来才能形成医院有效使用病人信息的大环境。所以,建议我国发展这类图像工作站作为我国医院数字化的基础工作来做,使得医院尽快产生经济效益,使得大家有积极性去做这件事。目前,很多国内医院在整体水平上建立的PACS系统没有真正普及的原因就是因为医院的数字化不是从基础做起,基础不扎实。这还和我国医务人员整体的计算机水平、数理知识的应用水平有关,和医学院校学生的知识结构有关。没有医院基层的基础,还很难在全院范围、甚至院际之间推行 PACS系统。因为以科室为单位做,只要一个科室的工作完成了,整个医院的网络系统是正常工作的,整个医院的PACS是很容易建立起来的。采用这种思路,使得我国广大的中小企业一个发展的机会。因此,发展这些专用图像工作站的努力值得鼓励的。为此,作者把发展专业医学图像工作站作为发展数字化医疗装备的一个重要方面列出来,以便引起大家的重视。 3　对医学成像装备和医院信息化今后发展的看法 3·1　对影像诊断医疗设备产业发展的整体评价用各种医学影像装备采集人体内部解剖学、生理学(包括病理学)和心理学的信息并实现可视化的手段,是医学诊断和治疗可视化必备的设备。引进这些设备是对医院医疗服务的革命性变革,从事这个行业的人员,尤其是领头人物必须具有物理学、信息学和医学的跨学科知识。改革开放之后的历史充分证明了这一点。但是无论是影像诊断还是治疗过程中的影像学, 在中国都还比较落后,抓住我国国民经济调整发展的机遇,采取综合措施,以比西方国家更快的速度发展这个行业是完全可能的。 3·2　对发展我国影像数字化核心装备产业的建议从技术的层面分析,由于我国人口多,地区发展不平衡,发展肿瘤和心脑血管早期影像诊断技术应该作为我国在这个领域内产品发展的重点。而把信息学、数理化基础科学和医学的结合看成一个战略措施,形成我国在这个领域内新的生长点。建议以理工和医学院校合并之后运行比较好的大学为中心,建立若干个综合基地或者中心,例如数字医疗核心装备关键技术国家工程研究中心,制定这方面的规划,引领整个行业发展,作为规划这个行业的一个重要措施。在规划时是否考虑把整个行业分成三个层次。首先是新的成像模式的发明、发展及临床试用、市场准入以及政府的鼓励措施把这个层次作为重点;其次对已经广泛使用的成像设备的技术完善和改进要足够重视,因为我国已经购进了大量的先进影像设备,但是这些设备除了常规诊断外,很多其他功能没有发挥出来,研究工作开展得很不够,这是对这些设备的重大浪费;最后是利用这些设备产生的我国特有的大量正常人体信息,尤其是病理信息资源,进行大面积的开发应用,形成对医学信息深加工的产业群是完全可能的。多家综合部门和基金申请部门应该鼓励大家做这 5医疗装备2005第4期些事。因此,从当前我国现实情况看,把发展的重点放在医学影像信息的整合上,不失为一种好的选择。因为相对而言,所投入的钱比较少,效果比较显著, 更重要的是可以把世界上发展最快的信息产业所取得的成果尽快地应用到医疗行业中来。

[参考文献] [1]包尚联编著·《医学影像物理学》[M]·北京大学医学出版社, 2002年12月出版· 6Medical Equipment Vol·18, No·4