生物醫學信息技術探討范文

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一、遠程醫療技術(Tele-medicine)

(一)背景及意義

二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫院容量有限,以及由于獨生子政策導致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫療技術的發展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫療形式是通過PSTN(公共電話網絡)進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫療技術研究與試驗則是伴隨當前IT技術的發展而發展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領域。它是現代通訊技術和計算機與現代醫學相結合的產物,它利用電子通訊及多媒體技術實現遠距離醫學檢測,監護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫療保健服務模式,最終達到共享醫療保健資源,降低醫療保健費用,提高醫療效率和質量的目的。另外,在戰場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫療技術也有很大的應用價值!廣義地講,遠程醫療是指醫護人員利用通訊和電子技術來跨越時空障礙、向人們提供醫療保健服務。根據不同的應用,遠程醫療又可分類為遠程監護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。

(二)發展過程

最早的遠程醫療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數據傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫療系統在50年代才開始出現,該系統可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫學數據。而在70~80年代遠程醫療開始利用電視系統傳輸醫學圖像,即以遠程放射醫學(Tele-radiology)為主。隨著現代微電子學、通訊技術、計算機及網絡技術的發展,在90年代人們開始實踐與評估該系統在遠程醫療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應用。近幾年來,隨著醫用數字影象設備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫院采用數字圖像存儲通訊系統(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現醫院的無膠片管理,為普及遠程醫療奠定了良好基礎。當前,遠程醫療系統技術的技術支持有:交互視頻影像設備(interactivevideo),高分辨監視器(high-resolutionmonitors),計算機網絡(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關系統(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網絡的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫療專家又缺少足夠帶寬的信息網絡,患者的經濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫療服務在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發展空間,值得國內的醫療電子企業重視。

(三)適宜范圍和初步的臨床效果

遠程醫療技術(Tele-medicine)最大的作用在于它對農村和不發達國家的那些得不到良好服務的人群提供健康護理服務。在這些地方,合格醫生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監護,家庭監護,病人教育,醫學教育等。有些醫學部門,如放射學(radiology),病理學(pathology)和心臟病學(cardiology),他們需要高保真的電子醫務數據和圖像為診斷服務,因而特別適合于采用遠程醫療。隨著遠程醫療技術的成熟,它能夠提供服務的醫學部門和范圍也會隨之相應地增加。比如,以下這些領域的遠程醫療實踐正在逐步增多:矯形外科學(orthopedics),皮膚病學(dermatology),精神病學(psychiatry),腫瘤學(oncology),神經病學(neurology),兒科學(pediatrics),產科學(obstetrics),風濕病學(rheumatology),血液學(hematology),耳咽喉科學(otolaryngology),眼科學(ophthalmol-ogy),泌尿科學(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關報告顯示,遠程醫療提供了醫生與遠端之間的可靠的高質量的數據和音頻視頻通信。通過將遠程醫療和直接的醫生診斷相比較發現,二者沒有大的差異。這些初步的結果說明,遠程醫療提供了與醫院相當的服務質量。目前,遠程醫療已被成功地用于直接的病人監護,它明顯地改進了醫生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫療在臨床醫學中的作用已被完全證實,它的使用情況已經超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監護工業的發展策略中,遠程醫療應是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現兩個“所有”:方便地實現所有的醫學服務和面向所有的地方。

(四)遠程醫療系統與信息技術

很顯然,遠程醫療(Tele-medicine)應當有許多不同的系統和技術要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現場醫生或護理人員一起在遠處,專家在醫學中心。對于SAF模式,所有相關的信息(數據、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應不必是立即的。在大多數情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫療系統當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監護單元。基站需要有控制系統或工作站、在線的醫學數據庫、視頻相機和監護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監護儀、各種診斷設備、圖形圖像輸入設備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術可以使得遠程醫療系統具有可靠的高質量的數據和視頻-音頻通信(在醫學中心的醫生和遠端病人之間),能夠提供與到醫院就診相當的服務。隨著遠程醫療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關注的技術和臨床問題包括:傳輸的圖像、視頻信息的知覺質量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫療服務和當前臨床常規檢查的有機結合問題等。遠程醫療當中的一個重要技術成份是通信系統,它的基本的傳輸介質是銅質電纜、光導纖維,微波中繼,衛星轉發。一個混合的網絡可能是,衛星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數據、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預測。RT模式要求短時間內傳送大量的信息,它強調的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數據傳送就行。一般的多媒體遠程醫療系統應具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫療系統的組成劃分,它一般由三個部分構成:用戶終端設備,醫療中心終端設備和聯系中心與用戶的通訊信息網絡。不同的遠程醫療應用,對通訊系統和系統終端設計又有不同的要求。相應的設備費用也依要求的不同而變動較大。

(五)相關的有待解決的技術問題

仍然有待解決的,與遠程醫療全面、廣泛地實施有關的關鍵技術問題包括:數碼醫院的建立,目前有些醫院己有醫院信息系統(HIS)和圖像歸檔與通信系統(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫院現有的這些系統是遠程醫療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫療系統的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫學信息庫;開發功能可靠、操作方便的終端設備•以及接口技術問題,因為遠程醫療系統涉及多種醫療設備與通訊系統的連接,建立通用的標準接口將會減少系統建立時的復雜程度和節省費用;系統加密問題,以確保醫療數據在通訊網絡傳輸中的安全性,維護病人的隱私權;家庭以及偏遠地區的寬頻通訊問題,初期通訊網絡的鋪建應考慮到遠程醫療的用途。目前,有關研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網絡的研究,主要解決各種信息的有效上網和傳送;(2)傳感器技術的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數據與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現遠程醫療數據與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫學信息與數據傳輸安全問題的研究,為相應的立法等提供技術保證。

二、醫學成像技術與三維醫學圖像處理

(一)醫學成像技術

1895年德國物理學家倫琴發現了X射線,并被應用于醫學,產生了以X光照片為標志的醫學影象學。此后的整個20世紀可以說是醫學成像的盛世。面對各種紛紛涌現的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術各有何特點?它們的發展前景又如何呢?到目前為止出現的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫學成像模式進行分類,在靜態場領域有電生理成像,低頻領域有阻抗CT,高頻領域有微波CT,光領域有光學CT,在更高的頻率領域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫學影象手段提供了大量的有關病人的各種信息,包括形態的和功能的、靜態的和動態的等,被廣泛應用于診斷和治療,成為現代化中必不可少的手段和工具。

1•電阻抗斷層成像技術

電阻抗斷層成像技術(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫學成像技術。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態而改變,因此圖像也包含了功能信息在內。此外加上對人體幾乎無創傷、廉價、操作簡便等優點,EIT受到了日益廣泛的關注。但由于受到數據采集系統和算法等因素的限制,目前該技術并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術根據測量目標的不同可以分為兩類:靜態EIT和動態EIT。靜態EIT以測量對象內部電阻(導)率的分布為成像目標;而動態EIT則是測量對象內部的電阻(導)率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態EIT技術只需反映阻抗的相對變化量,相應地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設條件難以滿足、推導過程不嚴格等缺點使得動態EIT的成像質量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應性強、能反映變化的信息等優于靜態EIT的這些優點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質量的提高,動態EIT有望在臨床上發揮更大的作用。

2•電生理成像技術

電生理成像技術指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內電活動情況成像的技術。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術上是密切相關的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網絡法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內腦電活動源的空間位置的一項技術。其具體方法有非線性優化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術與其它的醫學成像技術如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(或誘發)的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術,且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發的間接的功能信息。另外一個優點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發展方向是,電生理成像技術與其它影像技術相結合(如EEG與fMRI結合),實現優勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。

3•微波CT

微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構圖像,獲得的是形態圖像。微波CT作為一種醫學成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內的衰減愈大。同時,微波在介質中傳播時產生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫學成像手段。

4•光學CT

光學CT也將是21世紀的重要研究領域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學CT大致可以分為內稟(Intrinsic)光學成像、光學相干層析成像、光子遷移技術成像等幾種。內稟信號指的是,由組織活動(如神經元活動)引起的有關物質成分、運動狀態的改變而導致起光學特性發生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內稟光學成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學相干層析成像,即將光學相干剖析術(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現出極為誘人的應用前景。目前它已在視網膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領域發揮出巨大的作用。這種技術已成為國內外在生物光學方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當的重檢算法,就可以確定測量組織的光學特性。通過檢測組織的光學特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態動態監護、藥物分析及光動力學治療等場合。光子遷移技術成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區,生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現出不同特性,而且在不同生理狀態下的組織光學參數也不大相同。高頻調控的正弦入射光經組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現了吸收的變化。光學方法正處于迅速發展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術發展成熟。光學CT還有一個吸引人的優勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預料,光學CT會在醫學研究和臨床等方面發揮越來越大的作用。

5•正電子發射斷層掃描技術

正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統的核醫學成像技術,它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發現了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發明了可發射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環至全身。正電子與人體內的電子相遇并湮滅產生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內進行重復測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態成像、定量檢測化學物質分布及實現真正的功能成像等獨特的優點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫學、基礎醫學、腦科學等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經類疾病的發病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數來診斷疾病。同時,PET的獨特優點也給神經科學提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學習、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學習、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。

6•X-線成像技術

X-線成像技術可以說是在醫院當中應用的最傳統、最廣泛的一種醫學影象技術。X-線圖像建立在當X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術的發展,這種傳統方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀X成像技術時,多數資深專家均認為影像的數字化是最新、最熱門及最重要的進展。數字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術,以數字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫學影象及相關信息,使臨床醫學徹底擺脫對傳統硬拷貝技術的依賴,真正實現X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術的發展方向均是設法進一步提高分辨率和實時性。數字影像可以說是伴隨著計算機技術的發展應運而生。1981年第15屆國際放射醫學會議上首次展出了數字放射新產品。進入90年代中后期,國外已經推出了多種新型的數字化X-線影象裝置;傳統X-線裝置中的X-線乳腺影像設備也已數字化。到目前為止,市場上的數字化的X-線影像設備已占70%以上。可以預期,數字化的X-線影像設備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發生令人矚目的變化。

7•磁共振成像(MRI)

在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領域,自從1946年哈佛大學的E•M•Purcell和斯坦福大學的F•Bloch發現了核磁共振現象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學的方向發展,成為化學、生物學等領域研究分子結構不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應用于臨床。由于質子(1H)結構簡單,磁性較強,是構成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫學上主要利用質子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產生共振激發;被激發的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內部結構的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結構信息等優點而被廣泛應用于臨床診斷。隨著技術的發展和需求的提高,動態成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應用是用外面的造影劑或內生的血氧度相關效應(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內脫氧血紅蛋白濃度發生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經科學研究領域中,BOLD成像有很多優點。這類研究完全非侵入性,產生的圖像數據與解剖結構的數據是完全配準的。BOLD技術已經發展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結果。它的最大優點是無損傷(不用外源介質),可以直接進行反復的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術,成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設備的硬件和軟件的結合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現象的本質決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關的成像技術外,還有基于超聲波的多種結構、組織和功能的成像技術,這里不再詳述。

(二)三維醫學圖像處理

醫學圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術的發展,醫學圖像的處理已開始從二維轉向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫學圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數據的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現實技術、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:

1•圖像的融合和可視化

醫學影象技術的發展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結果結合起來進行分析,以提高醫學診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區域的輪廓。常規的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準問題。所謂醫學圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術使各種影象模式統一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫學圖像配準和融合技術的研究和應用日趨受到醫學界和工程界的重視。對醫學圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫學圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數;執行變換。基于特征點選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準方法和基于內部特征的圖像配準方法。基于外部特征的圖像配準通常是在研究對象上設置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術室使用。目前的研究集中在基于內部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫學圖像中相對運動較小的解剖結構,如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內部特征點進行匹配。目前,基于內部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應用于臨床。但目前大多數模糊動態圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統計特性進行全局最優化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩定,并能獲得相當準確的結果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現的各種相關性算法,如互相關法(correlation)、聯合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫學影像的三維重建和可視化也是一個值得關注的問題。常規影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫學圖像的重建將有助于觀察復雜結構的立體形態;有利于醫生制定放射治療計劃;有助于神經外科手術的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內外學者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結構,再由計算機圖形學中的光線跟蹤法(RayTracing),根據一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數據量越來越大,各種算法也越來越復雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結果,及時用于診斷與治療。因此,醫學圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統的運行速度,當然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應用多處理器進行醫學圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。

2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統

發展各種醫學影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結構和功能,輔助醫生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統、立體外科手術仿真系統、醫學中的虛擬現實系統等。在過去的放射治療時,先有醫生根據CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據病灶位置和形狀布置焦點,經計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規劃焦點。反復重復直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間。總的說來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統則大大方便了腫瘤醫師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫學圖像處理的各個環節,如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統的推出不僅提高了醫生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉照射或靜態多射野照射,使得高劑量區劑量分布的形狀在三維上與靶區(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調整射野內的射線強度分布,故又稱為調強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調強算法根據醫生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫生要求的強度分布,是一個典型的多參數優化問題。1989年,英國科學家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調強算法可以說是層出不窮,成為當今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發展,醫生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術的效果。虛擬現實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環境代替一個現實世界的真實環境,讓使用者在這個三維環境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學、傳感技術、高性能計算機和網絡等的一門新興學科,涉及學科面廣且發展十分迅速。VR在醫學領域的應用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構成最終實用的手術模擬器。隨著醫學成像可視化和虛擬現實技術的發展,科學家們已經有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫學圖書館(NLM)發起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內窺鏡手術等等。例如在內窺鏡手術中,外科醫生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內的手術器械。虛擬環境技術可大大改善這種手術過程。事實上,虛擬內窺鏡系統(Virtualendoscopy)是目前發展比較快的一個方面。

三、網絡化醫學儀器人才的培養

生物醫學工程專業的范疇很廣,各高校的側重點各不相同。我校本學科專業與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學、計算機科學為支撐平臺,強調與生物醫學、醫療儀器相結合,在醫療儀器的智能控制、管理方面有很強的優勢。隨著以上醫學信息技術的發展,我們提出了依拓本校的優勢專業如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫學工程學科培養網絡化、智能化醫學儀器方向人才的設想。

(一)培養網絡化醫學儀器人才的依據

計算機及網絡技術飛速發展,世界正進入一個數字化的時代。在醫療領域,數字診斷設備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數字X光機、CT、B超等,在一些發達國家,已經取代常規設備成為臨床診斷的主流。醫療設備已經到了一個更新換代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫療信息實現了網絡模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數字化、網絡化將是21世紀醫學發展的主流。而遠程醫療系統則以其迅猛的發展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養提出了新的要求,同時具有醫學知識和網絡技能的復合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網絡化醫學儀器”作為本學科領域出現的新方向,在國內外沒有現成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設計劃。

(二)網絡化醫學儀器人才培養基地建設

“人才培訓基地”應以如下幾點作為建設目標:第一,建設一個功能完善的醫學儀器網絡實驗室;第二,制訂出一套適用于網絡化醫療儀器教學和實驗的培訓計劃并編寫出相關教材;第三,結合教學與實驗,撰寫一批具有影響力的教學心得論文和專業科技論文,為大力推動“網絡化醫學儀器”學科的發展起到拋磚引玉的作用;第四,為社會系統化地培養同時具有醫學知識和網絡技能的復合型人才。為達到這樣的目標,建設內容:第一,在現有硬件基礎上進行更新和完善,逐步建立起一個功能齊全的醫學儀器網絡實驗室,使之能開設專業實驗課程:第二,在現有的生物醫學工程專業培養計劃和教材的基礎上,進一步豐富計算機及網絡技術方面的內容,同時加強醫學信息的數字化處理方面的內容,為當今國內尚處于醞釀階段的“網絡化醫學儀器”學科領域,逐步建立起一套切實可行的培養計劃。第三,依托條件完善的實驗設備、優秀的師資隊伍和高水平的教材,努力培養社會需求的同時具有醫學知識和網絡技能的復合型人才。