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绍兴回收西门子PLC模块
产品时间:2021-04-21
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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),以及重要的三维术前CT或磁共振(MR)成像等。后一种成像模式尤为重要,因为它们可以用作引导底图,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。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。

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。”

 

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