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运城西门子总代理商
产品时间:2020-11-23
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数据融合改变手术室

 

现今的手术室和介入治疗室充斥着凌乱的电缆和各种诊断系统,令人分神。西门子中央研究院的研究人员设想,利用便携式无线显示装置,将所有图像数据整合到一幅实时信息概览图中,包括分析、虚拟会诊和模拟等信息,从而营造出简洁的环境。

学习软件从术前CT成像和MR成像中识别并分离出器官,以便将之与手术室中生成的实时图像相融合。这些数据集共同为一系列心脏手术提供了引导底图。研究人员正在研究如何利用流式传输技术,将这些实时图像传送到无线平板电脑上。

不妨设想一下,你在漆黑的夜晚驱车赴约,没有路灯,也没有指路牌,更没有人可以帮忙,甚至连挡风玻璃都没有。你只能靠方向盘一侧的两个显示屏来认路:一个屏幕上显示了街道地图;另一个屏幕上显示了你的当前位置。如果这两个图合并在一起,事情会不会简单得多?心脏病专家在执行所谓的“介入性”手术,如利用远程控制的导管,植入血管内支架或心脏瓣膜时,面临的挑战差不多就是这样。

在这样的手术过程中,附近的一台显示器上通常将显示,脉管解剖组织的术前高分辨率计算机断层扫描(CT)成像,而介入治疗室中现场生成的单独的X光片,则显示了导管尖的实时位置。

在位于新泽西州普林斯顿的西门子美国研究院,Daphne Yu是成像可视化实验室的主任,她表示,“外科医生非常善于在他们的头脑中将这些图像融合起来,但利用先进的可视化技术,我们可以替他们将这些图片融合起来。”

然而,他们的研究目标更为远大。事实上,Yu和她在西门子美国研究院以及西门子医疗的同事,设想的是在未来的手术室和介入治疗室环境中,采用符合人机工程学的方式,将所有模式成像融合起来。

这样的成像模式包括,实时内窥镜成像、超声成像、实时CT成像、荧光透视成像、电生理学成像(用于消除导致心律失常的心脏组织),以及最重要的三维术前CT或磁共振(MR)成像等。最后一种成像模式尤为重要,因为它们可以用作引导底图,最终所有其他模式的成像均将被融合于其中。

路线图初具雏形。为了实现这个未来的一体化治疗环境愿景,西门子中央研究院的研究人员开发了能够在任何梗塞、视角、成像模式或病状等条件下,从任何数字医疗成像中识别出任何器官,并分割——即将之从周围组织中分离出来——的学习软件。

一款能够自动将心脏从三维CT或MR成像中分离出来的心脏模型分割软件,就是这种功能的典型代表。譬如,在结合实时荧光透视成像使用时,所分割出来的心脏模型,可用于在心脏表面定位所要消融的确切部位,以便消除导致心律失常的组织。

此外,坐落于马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究所(NIH),正在实验使用西门子中央研究院与西门子医疗联合开发的实时成像模型融合软件,来帮助引导将人造心脏瓣膜植入猪心脏中的目标位置。Yu表示,“这种心脏模型与实时图像的融合图像提供了界标,有助于医生实时辨认导管所在的确切位置。这个例子充分表明,图像融合能在介入治疗室和手术室中发挥巨大作用。”

在位于德国Forcheim的西门子成像和治疗系统集团,Razvan Ionasec博士是面向医疗成像的机器学习应用专家,他沿着类似的思路,将术前三维CT成像与由一台西门子“C-arm”CT成像设备在手术室中现场生成的二维X光视频图像相融合。他解释道,“通常的情况是,手术之前,有充裕的时间利用各种高分辨率设备生成大量医疗成像。但我们需要在分秒必争并且成像技术有限的手术室里,为医生提供这些术前信息。为了弥合这一缺口,我们将术前信息与荧光透视成像数据相映射。这样一来,我们一下子就获得了实时运动信息,而这样的信息,是仅仅依靠荧光透视成像所无法得到的。”

成像模式融合技术已初显成效。不久前,得益于术前CT数据的融合,《未来之窗》2010年秋季刊中介绍的一项通过介入术植入主动脉瓣的技术得到了进一步增强。新的产品syngo.CT Valve Pilot™不仅能够从CT成像中自动分割主动脉瓣及有关结构,而且提供了诸如瓣膜半径等测量数据,这对于制定手术计划和执行手术至关重要。

同时,另一项名为“eSieFusion™成像”的技术,则可以将实时超声成像覆盖在先前采集的三维CT和MR成像上。这项技术可用于引导医生更加精确地将穿刺针插入目标组织。目前,西门子的ACUSON S3000™超声成像系统已经可以提供这项技术。最终,超声成像也将与CT成像和X光片融合,以支持植入主动脉瓣,Ionasec如是道。

现场模拟功能可以就动脉瘤的夹闭位置提供建议。

移动式数据融合。除融合多种临床成像模式之外,西门子中央研究院的研究人员还着眼于随时、随地、根据需要提供这些成像。Yu说:“我们发现,比起在一个巨大的显示屏上单独显示治疗部位的各个成像,更为方便实用的做法是,提供一幅可移植的融合图像。”可以在安装于支架上的平板电脑上,甚或可以在头戴式装置上,显示这样的图像。后者将支持视觉、心理活动与手眼协调的融合,并且甚至可以被用在增强现实环境中,从而允许外科医生将诊断信息重叠到他/她的实际视野上。

为了将这个愿景变成现实,西门子研究人员正在开发有关技术,以促进开发超快速可视化解决方案。譬如,在西门子中央研究院,Andreas Hutter博士带领的一支团队正在设法针对医疗应用,量身定制流式传输和视频压缩解决方案,而其他研究人员则在与芯片制造商合作,以最大限度地降低处理图像所需的计算能力和功耗。Yu说:“这些努力已初显成效。归功于此,我们可以利用标准以太网技术,将实时图像流式传输至平板电脑。”

显然,必须将时延缩短至几乎令人觉察不到的程度。Yu指出,“当医生将针头或导管推入患者身体组织时,他需要立即获得反馈。譬如,在做涉及血管造影的手术时,我们的成像设备能够以超快的速度生成每一幅图像并编码。然后,必须利用流式传输技术,将这些图像发送至显示装置,并进行解码和渲染。”当然,随着融合的成像模式日益增多,所需的处理能力将不断提高。尽管如此,这或许不会明显加剧时延。譬如,借助eSieFusion成像解决方案,初始配准CT成像和超声成像可能需要三秒钟,但此后便可实时融合任意两张图像。

美国国立卫生研究所已在一项实验手术中使用了西门子的实时成像模型融合软件,用来引导将人造心脏瓣膜植入猪心脏。右图:血液流动的实时模拟。

将专家系统纳入其中。在未来的手术室和介入治疗室中,多模数据融合将不仅限于成像。Yu表示,“我们的愿景是随时、随地、根据需要提供任何信息。除融合多种不同模式的术前成像和实时成像之外,我们还将融合患者的实时监测数据,如心率和血压。”沿着这条路继续向前,在数以千计的类似病例的基础上,得出的统计数据和专家系统,也将被应用到具体的手术中,从而为虚拟会诊功能和替代方案分析开启一扇大门。

譬如,现场模拟功能或许能够根据实时计算的流体力学数据,就动脉瘤的夹闭位置提供建议。虚拟血管造影、个体化麻醉和药物相互作用等均可在手术过程中进行模拟,然后在给药时进行跟踪,以优化基础算法。

最后,数据融合还有望节省费用。Yu说:“它可用于自动记录手术过程,这将支持高效的报销系统,并且可供学习系统用来进一步优化治疗方案。”

要充分释放其全部潜力,多模数据融合还需要克服许多挑战:需要大大提高不同系统软件之间的互通性;需要制定各种标准,从图像质量到传输速度,不一而足;需要满足对带宽几乎无止境的渴求,这将要求不断提高处理能力和能效。Yu说:“实时数据融合尚处于起步阶段,但综合考虑这个领域的各项进展就会发现,我们正在创造一个生态系统,它将转变我们在各类治疗中进行规划、实施、记录和汲取经验教训的方式。”

用数字读懂一切

 

自20世纪90年代初以来,数字技术已从根本上改变了我们的生活方式。如今,我们即将开始全面转型——将所有以模拟形式记录的人类知识,转换为数字形式。《未来之窗》带您一起回首往昔,畅想未来。

巴伐利亚州立图书馆的藏书,正在被扫描并上传到互联网。

楚泽(Zuse)、欧洲核子研究中心(CERN)和扎克伯格(Zuckerberg)——这三个名字标志着数字革命进程中的重要里程碑。早在1941年,Konrad Zuse在柏林研制出了世界上*台可以正常工作的计算机。他称这台外形庞大的数字计算机器为“Zuse Z3”。1991年,就职于瑞士欧洲核子研究中心的Tim Berners-Lee开发的万维网,向全球公众开放。Web技术进一步变革了人们的通信方式,为谷歌、亚马逊以及不计其数的其他企业,铺平了道路。后来,2004年,Mark Zuckerberg创建了名为脸书(Facebook)的社交网络。如今,得益于脸书及类似网络,近20亿人获得了数字身份。

计算机、Web和脸书,都基于数字技术。数字化的含义,就是将模拟信息,如文本、声音、图像和视频等,转换为易于存储的、由大量零和一组成的二进制代码。一经创造,这样的数字项就能被无限量地复制,而质量丝毫不受影响,并且可以通过互联网,转瞬间传遍全球。数字技术为企业创造了全新的销售渠道类型,但它也带来了新的问题,如违法拷贝数据。始于20世纪90年代的互联网热潮,掀起了一场*的数字化浪潮。1993年,在全球范围内,只有大约3%的信息以数字形式存储,但到2007年,这个比例已经飙升至94%。而且,这一趋势愈演愈烈,每天都有大量新的数据被数字化。

数字最重要的先驱之一是德国发明家Rudolf Hell,他被誉为“图形行业的爱迪生”,曾被授予“德意志联邦共和国大十字勋章(Grand Merit Cross)”,并且曾荣获“古腾堡大奖(Gutenberg Prize)”和“魏纳奖(Werner-von-Siemens-Ring)”。Hell是公认的传真机和扫描机之父。1980年,他将突破性的Chromacom数字图像处理系统商业化。20世纪80年代初期,当时还是西门子子公司的HELL公司,受雇于梵蒂冈图书馆,扫描并以数字形式复制珍贵典籍,以便向公众开放阅读。20世纪90年代,数字化进程变得更加广泛,也更具系统性。譬如,1990年,西门子利多富公司为莫斯科的克里姆林宫博物馆安装了一套数字处理系统,有史以来*次,以数字形式为俄罗斯沙皇的全部艺术藏品编目录。然后,将所生成的数字图像和信息,记录并分类保存到图像数据库中。

扫描半开的书籍。如今,许多机构都想为其所拥有的全部模拟信息,制作数字拷贝。在这方面,坐落于慕尼黑的巴伐利亚州立图书馆堪称典范,其数字化中心拥有各式各样的设备,在德国首屈一指。巴伐利亚州立图书馆的副馆长Klaus Ceynowa说:“我们使用了26套不同的扫描系统,包括4台每小时能够处理最多2000页的全自动扫描机器人。我们有两名操作人员,每人看管两台机器人。这个系统不止是速度快,为了保护书籍,书籍只需翻开60度。该系统的扫描棱镜就可插入半开的书页之间。它能清楚无误地读取页面内容,然后翻页,继续执行扫描。”

巴伐利亚州立图书馆的全部藏书(左图)正在被转换为数字形式。目前,已有一款应用程序,可用于阅读其最珍贵的文化宝藏。

自2007年起,巴伐利亚州立图书馆一直在与谷歌公司合作开展“谷歌数字图书馆”项目,通过这个项目,巴伐利亚州立图书馆的100万册藏书,将实现数字化并放到互联网上供公众阅读。其所涉及的书籍,均成书于1601年至1874年期间,不再受版权保护。Ceynowa解释道:“每个星期,经谷歌在其位于德国的扫描中心将之转换为数字形式后,我们要发布大约5000册图书。谷歌承担扫描费用,并将数字拷贝提供给我们,以保存在我们自有的数据库中。1601年之前和1874年之后的所有著作,包括从中世纪传下来的极其宝贵的手抄文稿,均在我们自己的数字化中心进行转换。按计划,谷歌项目将在今年年底之前结束。我们已经将几乎全部100万册藏书,上传至我们的数字图书馆,任何人都可以在这里阅读这些书籍。”

尽管如此,巴伐利亚州立图书馆的全面数字化进程远未走到终点。Ceynowa表示:“我们的工作只是开始,因为我们迄今为止所做的事,为连接和重新组合数字信息创造了不同的可能性。”巴伐利亚州立图书馆已经开发了数款移动应用程序,包括一款名为“Ludwig II”的应用程序。这款应用程序允许人们按其所在位置,定制查阅与路德维希二世的“童话城堡”有关的历史资料、图像和文献。譬如,当人们站在路德维希二世在慕尼黑建造的Residenz宫殿的正前方时,他们可以利用其智能电话的照相模式,来获取这座宫殿著名的Wintergarden的实时图像——这座花园早已湮没在历史的尘埃中。Wintergarden是一座建在Residenz宫殿屋顶的花园,奇花异草掩映其间,人工湖泊波光粼粼——通过这款应用程序,人们可以欣赏到这美轮美奂的历史景色。

现已可在网上阅读巴伐利亚州立图书馆的近百万藏书。

民事登记数字化。博物馆和图书馆只是最后一批充分享用全面数字化益处的机构;政府机关和工业企业早已开始利用这项技术。现在,德国的16个联邦州均计划将其所有民事登记数字化。为此,过去两年来,西门子中央研究院在Bernt Andrassy博士的指导下,受托开展了一项可行性研究。Andrassy解释道:“德国的土地基本上被划分为若干区块。登记制度向这些区块分配了一定的权利。因此,登记制度是德国土地使用的中央监管机制。目前,各联邦州已经扫描并归档了过去50年来的全部登记文件,西门子中央研究院为它们提供了所需的重要系统组件。我们收集了大量数据,总共多达约5亿页pdf文件。”

勃兰登堡州立档案馆保存的一份1743年的手写登记(左图)和法兰克福区法院的一名员工展示的当代电子登记(右图)。

误读可能导致数百万损失。Andrassy在登记数字化项目中获得的经验,也适用于工业领域。Andrassy表示:“我们正在研制一款软件包,它能自动登记招标公告中的客户要求,然后,将之与以往项目留下的数字化文档中的数据进行比对。这样的招标公告文件通常采用pdf格式,并且往往厚达上千页。过去,必须人工摘录每一项技术规格,然后由专家评估,如轮机最大转速,或下午4点以后联合循环发电厂的最大允许噪声级等。”

但是,要求和技术规格列表通常很长,哪怕误读一个句子,也会在日后导致数百万欧元的损失。考虑到这一点,慕尼黑的专家开发了一项可靠的搜索系统技术,它能发现所做的每一处变更,并通知用户。其最终目的是,让这款程序将技术规格作为语义对象,来理解并正确解读。Andrassy解释道:“我们所开发的软件,分为三个工作阶段,我们分别称之为‘标书检索’、‘标书比对’和‘标书追踪’。*个步骤是一个非常高效的过程,允许用户找到招标文件中的技术规格。在第二个步骤中,软件将从以往项目的文件中检索类似的技术规格。这样一来,就可以利用以前所做的相应评估,从而避免错误。在最后一个步骤中,软件将在招标文件的所有新版本中,跟踪所确定的技术规格。”

这种方法的优点显而易见,因为自动评估大大加快了评估过程,并且有助于尽早发现在类似项目中犯下的错误。此外,这个系统支持客户在最后一刻作出更改,并且快速分析其后果,并将之整合到项目中。

转瞬间完成档案梳理。全面数字化仅仅是开端。不论是图书馆、政府机关,还是工厂,都在创造大量数字知识,可以采用全新的方式来使用这些知识。因此,今后几年乃至几十年的开发工作,将侧重于基于软件的工具,这些工具需要在转瞬间完成数字档案筛查、理解语义关联、以及分类并重新组合信息。Ceynowa表示:“譬如,学者将能够快速确定‘novel’一词最早见于哪部手稿。他们不必钻进故纸堆,查遍世界各地图书馆中的数百份文件,就能得到答案。这将彻底变革某些研究学科。”

Andrassy补充道:“可以更加快速地查阅诸如司法判例,以及以往对罕见疾病的医疗诊断等信息。尽管如此,智能数据采掘仍然无法替代人,不过它能为人们给予支持。换句话说,要打造出能够读懂客户的pdf文件,将之与数据库进行比对,然后立即知道它要制造什么物品及如何制造该物品的自治工厂,还有很长一段路要走。”

Nils Ehrenberg

飞翔的监工

“Aspern——维也纳的城市湖畔”,这个占地240公顷、位于奥地利首都维也纳东北部郊区的全新小区,是欧洲最大,也最富创新精神的城市开发项目之一。这个小区有望设立能效和环境平衡的新标准。

一家由维也纳市政府、当地电力公司(Wien Energie)、当地网络提供商(Wiener Netze)和西门子共同成立的合资企业,将Aspern当做一间用于技术创新的“富有生命力的实验室”。为此,西门子名副其实地让最*的三维数字化技术飞上了天。

Claudia Windisch是西门子中央研究院Videoanalytics研究小组的负责人,她说:“将近三年来,我们一直在CONSTRUCT(建筑工地监测研究项目)框架下,研制民用无人驾驶飞行器。这些用于拍摄并分析建筑工地现场情况的无人驾驶飞行器,是一种小巧的八旋翼飞行器,其重量不足5公斤。”目前正在维也纳Aspern区及其他地方,对这项用于监测施工进度的空中数字技术进行测试。Windisch解释道:“我们使用了GPS来设定飞行航线。操作者可密切观察飞行器的情况,以便在出现问题时及时干预。然而,操作者有时也不得不对飞行器进行控制,譬如,在对一面幕墙进行拍照时。”利用大量大面积重叠的建筑物航拍图片,可以生成现场的三维模型。

研究人员正在研制一个能在飞行器的飞行过程中,生成并持续更新三维模型,且能在问题区域标注色码的系统,以便为操作者提供支持。这个系统要求拍摄更多图片,以达到生成精确模型所需的重叠程度。Windisch解释道:“如今,大多数建筑设计都采用了三维技术,因此,在三维系统中对实际数据和设计数据进行比对,不啻为明智之举。如果将时间轴纳入考虑,甚至可以说,我们研制的是四维技术。借助这项技术,我们可以确定施工进度,以及任何偏离计划的情况。然而,由于目前驻场施工经理只有平面设计图可用,因此,决定只能在维也纳Aspern区使用三维模型,来生成实际现场的二维图形。可以将传统二维CAD设计图,重叠在所生成的二维图形上,然后进行比对。”

未来,将进一步优化这个过程,以实现自动比对,以及以图形化方式在虚拟三维模型中标注出设计与实际结果之间的偏差。偏差包括缺了窗户或者墙没有对齐等。Windisch说:“我们开发的技术能够简便、快速地检测出设计与实际结果之间的偏差。然后,可以在大型图形中显示这些偏差——无需派检查员亲自前往可能存在危险且难以到达的区域――如尚未完工的屋顶,就能做到这一切。”然而,建筑工地只是这项技术的众多潜在应用领域之一。譬如,Windisch的团队已经执行了不计其数的无人驾驶飞行器飞过工厂车间的任务——经翻新和现代化改造后,工厂车间的实际情况往往与最初的建筑设计有所不同。

 

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