医学影像结合新技术或引发革命性变革

2011-05-03 18:47:36来源: 生物谷

  专访张硕博士是一次巧合, 恰在第1届国际医学影像新进展暨学术论着发表策略研讨会结束之时,张硕博士留心到一篇转发在生物谷网站的"磁共振实时成像:清楚看见每次心跳"文章中存在一个错误,张硕博士发邮件告之我们,并希望纠正它。由于我们刚结束了一次与国际医学影像顶级杂志主编及国内医学影像领域从业者的互动,而这位在德国生物医学核磁共振研究中心的年轻科研者的近期成绩同样吸引了我们,因为,他本人就是这项可"清楚看见每次心跳"技术的发明人之一。

  

德国生物医学核磁共振研究有限公司张硕博士

  动态实时成像一直是临床医学影像领域的一大挑战,很长一段时间仅停留在梦想阶段。这次张硕博士和其同事结合物理学研究和图像算法,让“梦想照进现实”。

  很多科研机构和企业对这一技术产生了兴趣,包括医疗器械方面的巨头西门子(医疗)集团。我们对这项技术同样抱有兴趣,并希望倾听作为发明者张硕博士其背后的故事和对行业的看法。

  生物谷:什么促成了您及合作者发明了该项技术?

  张硕:从第一幅磁共振人体图像的获得,到第一台磁共振设备进入临床医学影像,再到现如今不断的技术革新和愈发广泛的应用让磁共振成为医学成像领域发展最快的技术之一,已经有30多个年头了。然而,有一个基本问题自始至终没能得到很好的解决。那就是--动态实时成像。一直以来,其作为磁共振技术相当大的弱点和难题之一,不仅影响了磁共振成像更为广泛的应用前景,也实实在在的困扰着现实的应用价值。拿心脏成像做个例子,一般情况下成像过程需要患者屏住呼吸,并直接由心电图触发信号采集,以达到“冻结”运动的目的,最后将多个心跳过程人工合成一个假性心动周期。这样一来,虽然心肌的快速搏动可以得以呈现,但其结果已经不是符合真实生理特征的真正的动态过程。此外,不论是患者屏住呼吸、或是采用呼吸导航,抑或是心电图触发,其可行性和稳定性都在实际操作中大打折扣。而这样的例子在磁共振"动态"成像中更是比比皆是。多年以来,磁共振动态实时成像在实际应用中仍然只是人们的一个梦想。正是这样的"先天不足"和巨大的应用潜力,促使我们有了改变这一局面的决心。
 
  生物谷:不少人试图这样来做,你们取得成功的关键在哪里?这项技术的核心是什么?

  张硕:成功的关键在于我们没有先入为主的认定,磁共振实时成像将基于某一个固定的成像序列或图像重建方法,也没有主观的认为其将局限于某一个特定的应用,而是从基本的物理学原理着手进行客观的定性分析,通过大量的尝试和严密的实验,并参考了众多文献,最后对成像各环节进行了全面技术开发和提高。这正是我博士课题的主要部分,前后花了三年时间。与此同时,我同事也在图像算法上取得了非常令人可喜的成果。如今将其结合在一起,我们能够首次系统的提出了这样一整套解决方案。

  该技术采用并结合了小倾角梯度回波(fast low angle shot, FLASH)成像序列、交错式径向k空间信号编码(radial encoding)、主成份分析(principle components analysis, PCA)信道压缩合并,以及非线性反演(nonlinear inversion)法,以解决快速连续成像与辐射吸收率(SAR)的安全问题、相位编码对运动和欠采样的敏感度问题、以及图像重建失真度的问题,最终得以同时实现高图质(高空间分辨率和信号比)、高帧频(高时间分辨率)、多对比度、多层面的动态实时成像。这一结果再次证明,动态实时成像技术并非单纯的一个成像序列或者图像重建算法,而是相对于普通静态成像的整个革新。而这也恰恰正是该技术的核心。

  生物谷:可以谈谈这项技术的具体应用么?应用的瓶颈是什么?

  张硕:我们有理由认为,该技术有可能给目前的磁共振成像带来全面的革新。首先,快速且高品质的成像过程,可以更好的呈现多种动态过程。这不仅仅包括组织器官的生理运动(如心血管、骨关节、语音、吞咽、盆底、动眼成像),还涉及造影剂变化(如肿瘤成像)、外科手术介入(如术中监控和导航)等等;其次,高效的径向空间编码方案,可以很好的用于压抑图像运动伪影(如由呼吸、胃肠蠕动等造成的),例如腹部灌注成像(perfusion imaging)或者小儿磁共振成像;再次,高端的数学非线性反演图像重建算法,更是有望取代现行一般意义的平行采集或平行成像(parallel imaging)法。因为前者通过对每个线圈单元敏感度的实时评估,特别是结合径向编码,以及更严密的迭代和时空域正则化(regularization)规范,可以使多倍欠采样(如40倍)数据的重建成为可能。此外,其算法原理也可以用于其它领域的磁共振成像,如基于模型的弛豫时间(T1、T2、T2*)的量化。

  目前的应用瓶颈在于图像重建所需的计算时间仍然相对较长。虽然目前的重建过程基于多个显卡(GPU)处理,10-20分钟的检查仍需要约3-6分钟的计算时间。因此也还暂时没有做到实时图像在线显示。

  生物谷:之前有媒体报道你们已经与西门子公司合作研究,现在到了怎样的阶段?

  张硕:现阶段我们采取了“两步走”的策略。第一步已经实现,即由径向编码快速连续采集到的信号数据,通过较常用的网格化重建和移窗式更新实现图像的在线显示。这一部分的技术已经通过和西门子(医疗)集团的合作,开发并正式发布了试用软件包(Work-in-Progress Package,WIP610 LiveView),公开面向全球医疗及科研合作单位。当然,这一步所取得的图像质量远不如通过非线性反演算法得到的,但也较明显的超过之前同类文献的应用结果。第二步的工作正在紧锣密鼓的展开,其主要针对缩短非线性反演图像重建法所需的计算时间。对此,我们和西门子的合作研究双方工作各有侧重点。西门子对于磁共振设备架构较为熟悉,主要涉及该技术方法的集成,而我们则在平行算法和显卡处理上更胜一筹。比较大胆的预计是,用约一年左右的时间,在配备了较高级的显卡的商用计算机上,实现成像检查同时非线性反演重建图像的在线显示。

  生物谷:你们团队当前比较关注的点在哪些地方?未来一段时间的研发重心会放在哪里?

  张硕:我们主要从事基础研究,独立于其应用。对于磁共振成像在物理学、方法学层面上进行技术革新和提高,并对所开发出的新技术和已有技术进行全面详实和严密的测试与验证。当然,临床应用是之后我们所关心的内容,所以我们和很多顶尖的医院和科室在各个领域都有合作。

  就目前该技术而言,正如前面所提到的,提高图像重建速度,以及探索该方法在其他领域的基本实现和技术变革(如实时血流成像)是我们未来一段时间的研发重心。

  生物谷:医学影像学发展十分迅速,比如说3D医学影像技术等,您如何看待这种技术?您觉得未来几年这一领域会有哪些革命性的变化?

  张硕: 对医学影像而言,3D技术是一个非常笼统的称呼,其包含了图像重建(reconstruction)、建模(remodeling)、套准(registration)、可视化等复杂过程。现今的3D技术已经可以为临床诊断决策、治疗评估和医学研究提供很好的辅助作用,可以更好的加强我们对于很多生理和疾病现象进一步的认识和理解。但是,现行医疗并不完全依赖于该技术。要使其走入常规医疗,在精确性、有效性和稳定性方面,还有很长的路要走。

  未来几年的医学影像发展,从技术的角度来讲,除了硬件的不断升级和提高外,无创、微创或低创(如CT的低辐射剂量)将是一个越来越被重视的主题;此外,影像学技术对于临床医学的准确性、有效性和稳定性也将会由越来越多跨领域的医疗和科研人员共同进行商讨与决策;如果要说革命性的变化,将很有可能来自于和其他新技术的结合,如:信息技术、纳米技术、分子生物学和基因技术等等,让人拭目以待。

  生物谷:从FDA首次批准ipad/iphone成为医学影像诊断辅助产品,到3月初ipad2上市,移动设备的日益便捷和发展,不断推动了行业发展,同时也给传统技术及其公司带来挑战,您如何看待这种挑战?另外,随着移动设备与影像设备的契合度越来越高, 远程传输、异地完成诊断是否会成为看病的新潮流?

  张硕:总体而言,医疗电子化势在必行。远程医疗、以家庭和社区为单位的医疗方式也将会成为必然趋势,且无论是在发达国家还是中国。这将对整个医疗方法、医疗系统和社会医疗保障体系产生革新性的影响,且将会起到积极地促进作用。一方面,若能尽早认识到,并推动和合理规制其过程,将会有利于整个社会保障系统的完善和国家医药卫生体制的改革。另一方面,举个例子,各类家用小型电子医疗产品将在未来大有用武空间。因此,国内的公司企业若能够明确市场需求、结合其它新型技术,稳扎稳打、搞好产品研发,便可以高瞻远瞩,化挑战为机遇,有望在未来的国际医疗市场占据一席之地,甚至引领市场方向。

  生物谷:当前,国内外医学影像方面的人才队伍结构方面的差异点?
 
  张硕:其实各国、各区域的科研团队组成、人才队伍结构、科研方式方法都有不同,很难一概而论。德国在磁共振成像方面属于比较典型的欧洲风格。因为其一向更加注重基础研究,因此研究所的团队往往以物理学家和数学家以及学者为主。在特定的时间或团队里,也会有不少计算机领域或信息学方面的人员。而大型医院或医学院的相关团队里,虽然以放射学医师和临床医生为主导,但是物理技师(不仅是操作技师)甚至物理学家仍然必不可少。这点国内可能有所不同。

  对于人才队伍建设,当然有不少地方我们可以向别人学习借鉴,但是走好自己的路也格外重要。毕竟在许多方面还是存在差异。比如我们起步较晚,初始阶段或许以加强对外联系与合作为主。创造机会多鼓励年轻学者走出去,同时建立起国内外的联系与合作。这样首先能够使国内的科研目光聚焦在世界前沿主题,科研起点站在世界同一水平。其次,通过合作包括共同发表刊登在国际知名刊物上的着作,积累各方面知识经验。再通过建立完善的机制,培养自己的本土人才和团队,包括引进国外或者回国人才。

  生物谷:您如何看待当前国内医学影像领域人才培养和团队建设?

  张硕:医学影像技术和设备作为医疗领域的重要组成部分,近些年在中国得到了快速的发展。尤其对于磁共振成像而言,因为其无创的物理特性、广阔的应用前景和巨大的市场,在国家、政府和不少专业协会(如中华医学会放射学会、中外华人医学磁共振学术交流平台、海外华人磁共振学会)的大力支持下,取得了长足的进步。在不久的将来更是会在基础科研、临床应用、产业化等方面越发被重视。其不仅从一方面体现了国家或地区的综合医疗水平,也从另一方面体现了该国或地区的科技水平以及自主创新能力。

  为了进一步的且持续稳步的发展,人才培养和团队建设可谓是重中之重。目前,单就(核)磁共振领域,已有多所新型研究机构和公司在国内建立起来。除了我上面提到的鼓励年轻学者个体“走出去”的策略以外,整个科研团队也可以充分发挥"请进来"的战略。聘请或邀请国际上著名的资深科学家“上门”进行“零距离”交流,无论是考察、座谈、授课等形式--不仅就学生学者的交换或者科研合作的建立,更是就学术方法、科研运作、课题选择、部门和院系规划、软硬件设施、管理评审等各方面广泛而深入的交换意见,然后自行选择或进行修改,以学习借鉴。

  这样做的优势在于:第一,便于直接了解国外知名科研机构的运作情况,并和国内实际情况进行比较;第二,可以做到真正取其精华,对自己不足进行改进。如此一来,不仅可以使自身综合科研能力得以迅速提升,还可以在科研及文化沟通、交流和认同上做出很大的跨越。而且, 在当今国际上科研活动明显以团队形式为单位和越渐公开的大环境下,拿德国而言,有很多优秀资深的科研工作者,乐意为这样的跨国科研事业出一份力,尽一点责任。

  生物谷:不少国内学子会考虑到严谨的德国求学,分享一下您个人在那的生活经验?

  张硕:我所居住的城市哥廷根(G?ttingen或Goettingen)是一座几乎位于德国正中的典型的大学城。全市人口中很大一部分是哥廷根大学的教职员工或莘莘学子。除此以外,哥廷根还分布有欧洲神经科学研究中心、德国灵长类动物研究中心、多个马普研究院,以及其他众多的研究机构。因此其也被称之为科学城或科研城。而在历史上,哥廷根更是曾经和44位诺贝尔获奖者有着不解之缘。

  我国著名学者季羡林的《留德十年》记叙的主要就是他在哥廷根求学和生活的心路历程。此外,老一辈无产阶级革命家朱德元帅也曾经在此留学过。至今,哥廷根都保留着他们当年的故居。

 

关键字:医疗成像  核磁共振  西门子

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0503/article_2038.html
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