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數(shù)據(jù)融合改變手術(shù)室

現(xiàn)今的手術(shù)室和介入治療室充斥著凌亂的電纜和各種診斷系統(tǒng)，令人分神。西門子中央研究院的研究人員設想，利用便攜式無線顯示裝置，將所有圖像數(shù)據(jù)整合到一幅實時信息概覽圖中，包括分析、虛擬會診和模擬等信息，從而營造出簡潔的環(huán)境。

學習軟件從術(shù)前CT成像和MR成像中識別并分離出器官，以便將之與手術(shù)室中生成的實時圖像相融合。這些數(shù)據(jù)集共同為一系列心臟手術(shù)提供了引導底圖。研究人員正在研究如何利用流式傳輸技術(shù)，將這些實時圖像傳送到無線平板電腦上。

不妨設想一下，你在漆黑的夜晚驅(qū)車赴約，沒有路燈，也沒有指路牌，更沒有人可以幫忙，甚至連擋風玻璃都沒有。你只能靠方向盤一側(cè)的兩個顯示屏來認路：一個屏幕上顯示了街道地圖；另一個屏幕上顯示了你的當前位置。如果這兩個圖合并在一起，事情會不會簡單得多？心臟病專家在執(zhí)行所謂的“介入性”手術(shù)，如利用遠程控制的導管，植入血管內(nèi)支架或心臟瓣膜時，面臨的挑戰(zhàn)差不多就是這樣。

在這樣的手術(shù)過程中，附近的一臺顯示器上通常將顯示，脈管解剖組織的術(shù)前高分辨率計算機斷層掃描（CT）成像，而介入治療室中現(xiàn)場生成的單獨的X光片，則顯示了導管尖的實時位置。

在位于新澤西州普林斯頓的西門子美國研究院，Daphne Yu是成像可視化實驗室的主任，她表示，“外科醫(yī)生非常善于在他們的頭腦中將這些圖像融合起來，但利用*的可視化技術(shù)，我們可以替他們將這些圖片融合起來。”

然而，他們的研究目標更為遠大。事實上，Yu和她在西門子美國研究院以及西門子醫(yī)療的同事，設想的是在未來的手術(shù)室和介入治療室環(huán)境中，采用符合人機工程學的方式，將所有模式成像融合起來。

這樣的成像模式包括，實時內(nèi)窺鏡成像、超聲成像、實時CT成像、熒光透視成像、電生理學成像（用于消除導致心律失常的心臟組織），以及最重要的三維術(shù)前CT或磁共振（MR）成像等。最后一種成像模式尤為重要，因為它們可以用作引導底圖，最終所有其他模式的成像均將被融合于其中。

路線圖初具雛形。為了實現(xiàn)這個未來的一體化治療環(huán)境愿景，西門子中央研究院的研究人員開發(fā)了能夠在任何梗塞、視角、成像模式或病狀等條件下，從任何數(shù)字醫(yī)療成像中識別出任何器官，并分割——即將之從周圍組織中分離出來——的學習軟件。

一款能夠自動將心臟從三維CT或MR成像中分離出來的心臟模型分割軟件，就是這種功能的典型代表。譬如，在結(jié)合實時熒光透視成像使用時，所分割出來的心臟模型，可用于在心臟表面定位所要消融的確切部位，以便消除導致心律失常的組織。

此外，坐落于馬里蘭州貝塞斯達的美國國立衛(wèi)生研究所（NIH），正在實驗使用西門子中央研究院與西門子醫(yī)療聯(lián)合開發(fā)的實時成像模型融合軟件，來幫助引導將人造心臟瓣膜植入豬心臟中的目標位置。Yu表示，“這種心臟模型與實時圖像的融合圖像提供了界標，有助于醫(yī)生實時辨認導管所在的確切位置。這個例子充分表明，圖像融合能在介入治療室和手術(shù)室中發(fā)揮巨大作用。”

在位于德國Forcheim的西門子成像和治療系統(tǒng)集團，Razvan Ionasec博士是面向醫(yī)療成像的機器學習應用專家，他沿著類似的思路，將術(shù)前三維CT成像與由一臺西門子“C-arm”CT成像設備在手術(shù)室中現(xiàn)場生成的二維X光視頻圖像相融合。他解釋道，“通常的情況是，手術(shù)之前，有充裕的時間利用各種高分辨率設備生成大量醫(yī)療成像。但我們需要在分秒必爭并且成像技術(shù)有限的手術(shù)室里，為醫(yī)生提供這些術(shù)前信息。為了彌合這一缺口，我們將術(shù)前信息與熒光透視成像數(shù)據(jù)相映射。這樣一來，我們一下子就獲得了實時運動信息，而這樣的信息，是僅僅依靠熒光透視成像所無法得到的。”

成像模式融合技術(shù)已初顯成效。不久前，得益于術(shù)前CT數(shù)據(jù)的融合，《未來之窗》2010年秋季刊中介紹的一項通過介入術(shù)植入主動脈瓣的技術(shù)得到了進一步增強。新的產(chǎn)品syngo.CT Valve Pilot™不僅能夠從CT成像中自動分割主動脈瓣及有關(guān)結(jié)構(gòu)，而且提供了諸如瓣膜半徑等測量數(shù)據(jù)，這對于制定手術(shù)計劃和執(zhí)行手術(shù)至關(guān)重要。

同時，另一項名為“eSieFusion™成像”的技術(shù)，則可以將實時超聲成像覆蓋在先前采集的三維CT和MR成像上。這項技術(shù)可用于引導醫(yī)生更加精確地將穿刺針插入目標組織。目前，西門子的ACUSON S3000™超聲成像系統(tǒng)已經(jīng)可以提供這項技術(shù)。最終，超聲成像也將與CT成像和X光片融合，以支持植入主動脈瓣，Ionasec如是道。

現(xiàn)場模擬功能可以就動脈瘤的夾閉位置提供建議。

移動式數(shù)據(jù)融合。除融合多種臨床成像模式之外，西門子中央研究院的研究人員還著眼于隨時、隨地、根據(jù)需要提供這些成像。Yu說：“我們發(fā)現(xiàn)，比起在一個巨大的顯示屏上單獨顯示治療部位的各個成像，更為方便實用的做法是，提供一幅可移植的融合圖像。”可以在安裝于支架上的平板電腦上，甚或可以在頭戴式裝置上，顯示這樣的圖像。后者將支持視覺、心理活動與手眼協(xié)調(diào)的融合，并且甚至可以被用在增強現(xiàn)實環(huán)境中，從而允許外科醫(yī)生將診斷信息重疊到他/她的實際視野上。

為了將這個愿景變成現(xiàn)實，西門子研究人員正在開發(fā)有關(guān)技術(shù)，以促進開發(fā)超快速可視化解決方案。譬如，在西門子中央研究院，Andreas Hutter博士帶領的一支團隊正在設法針對醫(yī)療應用，量身定制流式傳輸和視頻壓縮解決方案，而其他研究人員則在與芯片制造商合作，以最大限度地降低處理圖像所需的計算能力和功耗。Yu說：“這些努力已初顯成效。歸功于此，我們可以利用標準以太網(wǎng)技術(shù)，將實時圖像流式傳輸至平板電腦。”

顯然，必須將時延縮短至幾乎令人覺察不到的程度。Yu指出，“當醫(yī)生將針頭或?qū)Ч芡迫牖颊呱眢w組織時，他需要立即獲得反饋。譬如，在做涉及血管造影的手術(shù)時，我們的成像設備能夠以超快的速度生成每一幅圖像并編碼。然后，必須利用流式傳輸技術(shù)，將這些圖像發(fā)送至顯示裝置，并進行解碼和渲染。”當然，隨著融合的成像模式日益增多，所需的處理能力將不斷提高。盡管如此，這或許不會明顯加劇時延。譬如，借助eSieFusion成像解決方案，初始配準CT成像和超聲成像可能需要三秒鐘，但此后便可實時融合任意兩張圖像。

美國國立衛(wèi)生研究所已在一項實驗手術(shù)中使用了西門子的實時成像模型融合軟件，用來引導將人造心臟瓣膜植入豬心臟。右圖：血液流動的實時模擬。

將專家系統(tǒng)納入其中。在未來的手術(shù)室和介入治療室中，多模數(shù)據(jù)融合將不僅限于成像。Yu表示，“我們的愿景是隨時、隨地、根據(jù)需要提供任何信息。除融合多種不同模式的術(shù)前成像和實時成像之外，我們還將融合患者的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如心率和血壓。”沿著這條路繼續(xù)向前，在數(shù)以千計的類似病例的基礎上，得出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)，也將被應用到具體的手術(shù)中，從而為虛擬會診功能和替代方案分析開啟一扇大門。

譬如，現(xiàn)場模擬功能或許能夠根據(jù)實時計算的流體力學數(shù)據(jù)，就動脈瘤的夾閉位置提供建議。虛擬血管造影、個體化麻醉和藥物相互作用等均可在手術(shù)過程中進行模擬，然后在給藥時進行跟蹤，以優(yōu)化基礎算法。

最后，數(shù)據(jù)融合還有望節(jié)省費用。Yu說：“它可用于自動記錄手術(shù)過程，這將支持高效的報銷系統(tǒng)，并且可供學習系統(tǒng)用來進一步優(yōu)化治療方案。”

要充分釋放其全部潛力，多模數(shù)據(jù)融合還需要克服許多挑戰(zhàn)：需要大大提高不同系統(tǒng)軟件之間的互通性；需要制定各種標準，從圖像質(zhì)量到傳輸速度，不一而足；需要滿足對帶寬幾乎無止境的渴求，這將要求不斷提高處理能力和能效。Yu說：“實時數(shù)據(jù)融合尚處于起步階段，但綜合考慮這個領域的各項進展就會發(fā)現(xiàn)，我們正在創(chuàng)造一個生態(tài)系統(tǒng)，它將轉(zhuǎn)變我們在各類治療中進行規(guī)劃、實施、記錄和汲取經(jīng)驗教訓的方式。”

用數(shù)字讀懂一切

自20世紀90年代初以來，數(shù)字技術(shù)已從根本上改變了我們的生活方式。如今，我們即將開始全面轉(zhuǎn)型——將所有以模擬形式記錄的人類知識，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式?！段磥碇啊穾黄鸹厥淄?，暢想未來。

巴伐利亞州立圖書館的藏書，正在被掃描并上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

楚澤（Zuse）、歐洲核子研究中心（CERN）和扎克伯格（Zuckerberg）——這三個名字標志著數(shù)字革命進程中的重要里程碑。早在1941年，Konrad Zuse在柏林研制出了世界上*臺可以正常工作的計算機。他稱這臺外形龐大的數(shù)字計算機器為“Zuse Z3”。1991年，就職于瑞士歐洲核子研究中心的Tim Berners-Lee開發(fā)的萬維網(wǎng)，向全球公眾開放。Web技術(shù)進一步變革了人們的通信方式，為谷歌、亞馬遜以及不計其數(shù)的其他企業(yè)，鋪平了道路。后來，2004年，Mark Zuckerberg創(chuàng)建了名為臉書（Facebook）的社交網(wǎng)絡。如今，得益于臉書及類似網(wǎng)絡，近20億人獲得了數(shù)字身份。

計算機、Web和臉書，都基于數(shù)字技術(shù)。數(shù)字化的含義，就是將模擬信息，如文本、聲音、圖像和視頻等，轉(zhuǎn)換為易于存儲的、由大量零和一組成的二進制代碼。一經(jīng)創(chuàng)造，這樣的數(shù)字項就能被無*地復制，而質(zhì)量絲毫不受影響，并且可以通過互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)瞬間傳遍全球。數(shù)字技術(shù)為企業(yè)創(chuàng)造了全新的銷售渠道類型，但它也帶來了新的問題，如違法拷貝數(shù)據(jù)。始于20世紀90年代的互聯(lián)網(wǎng)熱潮，掀起了一場*的數(shù)字化浪潮。1993年，在全球范圍內(nèi)，只有大約3%的信息以數(shù)字形式存儲，但到2007年，這個比例已經(jīng)飆升至94%。而且，這一趨勢愈演愈烈，每天都有大量新的數(shù)據(jù)被數(shù)字化。

數(shù)字最重要的先驅(qū)之一是德國發(fā)明家Rudolf Hell，他被譽為“圖形行業(yè)的愛迪生”，曾被授予“德意志聯(lián)邦共和國大十字勛章（Grand Merit Cross）”，并且曾榮獲“古騰堡大獎（Gutenberg Prize）”和“魏納獎（Werner-von-Siemens-Ring）”。Hell是*的傳真機和掃描機之父。1980年，他將突破性的Chromacom數(shù)字圖像處理系統(tǒng)商業(yè)化。20世紀80年代初期，當時還是西門子子公司的HELL公司，受雇于梵蒂岡圖書館，掃描并以數(shù)字形式復制珍貴典籍，以便向公眾開放閱讀。20世紀90年代，數(shù)字化進程變得更加廣泛，也更具系統(tǒng)性。譬如，1990年，西門子利多富公司為莫斯科的克里姆林宮博物館安裝了一套數(shù)字處理系統(tǒng)，有史以來*次，以數(shù)字形式為俄羅斯沙皇的全部藝術(shù)藏品編目錄。然后，將所生成的數(shù)字圖像和信息，記錄并分類保存到圖像數(shù)據(jù)庫中。

掃描半開的書籍。如今，許多機構(gòu)都想為其所擁有的全部模擬信息，制作數(shù)字拷貝。在這方面，坐落于慕尼黑的巴伐利亞州立圖書館堪稱*，其數(shù)字化中心擁有各式各樣的設備，在德國首屈一指。巴伐利亞州立圖書館的副館長Klaus Ceynowa說：“我們使用了26套不同的掃描系統(tǒng)，包括4臺每小時能夠處理最多2000頁的全自動掃描機器人。我們有兩名操作人員，每人看管兩臺機器人。這個系統(tǒng)不止是速度快，為了保護書籍，書籍只需翻開60度。該系統(tǒng)的掃描棱鏡就可插入半開的書頁之間。它能清楚無誤地讀取頁面內(nèi)容，然后翻頁，繼續(xù)執(zhí)行掃描。”

巴伐利亞州立圖書館的全部藏書（左圖）正在被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。目前，已有一款應用程序，可用于閱讀其最珍貴的文化寶藏。

自2007年起，巴伐利亞州立圖書館一直在與谷歌公司合作開展“谷歌數(shù)字圖書館”項目，通過這個項目，巴伐利亞州立圖書館的100萬冊藏書，將實現(xiàn)數(shù)字化并放到互聯(lián)網(wǎng)上供公眾閱讀。其所涉及的書籍，均成書于1601年至1874年期間，不再受版權(quán)保護。Ceynowa解釋道：“每個星期，經(jīng)谷歌在其位于德國的掃描中心將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，我們要發(fā)布大約5000冊圖書。谷歌承擔掃描費用，并將數(shù)字拷貝提供給我們，以保存在我們自有的數(shù)據(jù)庫中。1601年之前和1874年之后的所有著作，包括從中世紀傳下來的極其寶貴的手抄文稿，均在我們自己的數(shù)字化中心進行轉(zhuǎn)換。按計劃，谷歌項目將在今年年底之前結(jié)束。我們已經(jīng)將幾乎全部100萬冊藏書，上傳至我們的數(shù)字圖書館，任何人都可以在這里閱讀這些書籍。”

盡管如此，巴伐利亞州立圖書館的全面數(shù)字化進程遠未走到終點。Ceynowa表示：“我們的工作只是開始，因為我們迄今為止所做的事，為連接和重新組合數(shù)字信息創(chuàng)造了不同的可能性。”巴伐利亞州立圖書館已經(jīng)開發(fā)了數(shù)款移動應用程序，包括一款名為“Ludwig II”的應用程序。這款應用程序允許人們按其所在位置，定制查閱與路德維希二世的“童話城堡”有關(guān)的歷史資料、圖像和文獻。譬如，當人們站在路德維希二世在慕尼黑建造的Residenz宮殿的正前方時，他們可以利用其智能電話的照相模式，來獲取這座宮殿著名的Wintergarden的實時圖像——這座花園早已湮沒在歷史的塵埃中。Wintergarden是一座建在Residenz宮殿屋頂?shù)幕▓@，奇花異草掩映其間，人工湖泊波光粼粼——通過這款應用程序，人們可以欣賞到這美輪美奐的歷史景色。

現(xiàn)已可在網(wǎng)上閱讀巴伐利亞州立圖書館的近百萬藏書。

民事登記數(shù)字化。博物館和圖書館只是最后一批充分享用全面數(shù)字化益處的機構(gòu)；政府機關(guān)和工業(yè)企業(yè)早已開始利用這項技術(shù)?，F(xiàn)在，德國的16個聯(lián)邦州均計劃將其所有民事登記數(shù)字化。為此，過去兩年來，西門子中央研究院在Bernt Andrassy博士的指導下，受托開展了一項可行性研究。Andrassy解釋道：“德國的土地基本上被劃分為若干區(qū)塊。登記制度向這些區(qū)塊分配了一定的權(quán)利。因此，登記制度是德國土地使用的中央監(jiān)管機制。目前，各聯(lián)邦州已經(jīng)掃描并歸檔了過去50年來的全部登記文件，西門子中央研究院為它們提供了所需的重要系統(tǒng)組件。我們收集了大量數(shù)據(jù)，總共多達約5億頁pdf文件。”

勃蘭登堡州立檔案館保存的一份1743年的手寫登記（左圖）和法蘭克福區(qū)法院的一名員工展示的當代電子登記（右圖）。

誤讀可能導致數(shù)百萬損失。Andrassy在登記數(shù)字化項目中獲得的經(jīng)驗，也適用于工業(yè)領域。Andrassy表示：“我們正在研制一款軟件包，它能自動登記招標公告中的客戶要求，然后，將之與以往項目留下的數(shù)字化文檔中的數(shù)據(jù)進行比對。這樣的招標公告文件通常采用pdf格式，并且往往厚達上千頁。過去，必須人工摘錄每一項技術(shù)規(guī)格，然后由專家評估，如輪機最大轉(zhuǎn)速，或下午4點以后聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的最大允許噪聲級等。”

但是，要求和技術(shù)規(guī)格列表通常很長，哪怕誤讀一個句子，也會在日后導致數(shù)百萬歐元的損失?？紤]到這一點，慕尼黑的專家開發(fā)了一項可靠的搜索系統(tǒng)技術(shù)，它能發(fā)現(xiàn)所做的每一處變更，并通知用戶。其最終目的是，讓這款程序?qū)⒓夹g(shù)規(guī)格作為語義對象，來理解并正確解讀。Andrassy解釋道：“我們所開發(fā)的軟件，分為三個工作階段，我們分別稱之為‘標書檢索’、‘標書比對’和‘標書追蹤’。*個步驟是一個非常高效的過程，允許用戶找到招標文件中的技術(shù)規(guī)格。在第二個步驟中，軟件將從以往項目的文件中檢索類似的技術(shù)規(guī)格。這樣一來，就可以利用以前所做的相應評估，從而避免錯誤。在最后一個步驟中，軟件將在招標文件的所有新版本中，跟蹤所確定的技術(shù)規(guī)格。”

這種方法的優(yōu)點顯而易見，因為自動評估大大加快了評估過程，并且有助于盡早發(fā)現(xiàn)在類似項目中犯下的錯誤。此外，這個系統(tǒng)支持客戶在最后一刻作出更改，并且快速分析其后果，并將之整合到項目中。

轉(zhuǎn)瞬間完成檔案梳理。全面數(shù)字化僅僅是開端。不論是圖書館、政府機關(guān)，還是工廠，都在創(chuàng)造大量數(shù)字知識，可以采用全新的方式來使用這些知識。因此，今后幾年乃至幾十年的開發(fā)工作，將側(cè)重于基于軟件的工具，這些工具需要在轉(zhuǎn)瞬間完成數(shù)字檔案篩查、理解語義關(guān)聯(lián)、以及分類并重新組合信息。Ceynowa表示：“譬如，學者將能夠快速確定‘novel’一詞最早見于哪部手稿。他們不必鉆進故紙堆，查遍世界各地圖書館中的數(shù)百份文件，就能得到答案。這將*變革某些研究學科。”

Andrassy補充道：“可以更加快速地查閱諸如司法判例，以及以往對罕見疾病的醫(yī)療診斷等信息。盡管如此，智能數(shù)據(jù)采掘仍然無法替代人，不過它能為人們給予支持。換句話說，要打造出能夠讀懂客戶的pdf文件，將之與數(shù)據(jù)庫進行比對，然后立即知道它要制造什么物品及如何制造該物品的自治工廠，還有很長一段路要走。”

Nils Ehrenberg

飛翔的監(jiān)工

“Aspern——維也納的城市湖畔”，這個占地240公頃、位于奧地利首都維也納東北部郊區(qū)的全新小區(qū)，是歐洲最大，也最富創(chuàng)新精神的城市開發(fā)項目之一。這個小區(qū)有望設立能效和環(huán)境平衡的新標準。

一家由維也納市政府、當?shù)仉娏荆╓ien Energie）、當?shù)鼐W(wǎng)絡提供商（Wiener Netze）和西門子共同成立的合資企業(yè)，將Aspern當做一間用于技術(shù)創(chuàng)新的“富有生命力的實驗室”。為此，西門子名副其實地讓最*的三維數(shù)字化技術(shù)飛上了天。

Claudia Windisch是西門子中央研究院Videoanalytics研究小組的負責人，她說：“將近三年來，我們一直在CONSTRUCT（建筑工地監(jiān)測研究項目）框架下，研制民用無人駕駛飛行器。這些用于拍攝并分析建筑工地現(xiàn)場情況的無人駕駛飛行器，是一種小巧的八旋翼飛行器，其重量不足5公斤。”目前正在維也納Aspern區(qū)及其他地方，對這項用于監(jiān)測施工進度的空中數(shù)字技術(shù)進行測試。Windisch解釋道：“我們使用了GPS來設定飛行航線。操作者可密切觀察飛行器的情況，以便在出現(xiàn)問題時及時干預。然而，操作者有時也不得不對飛行器進行控制，譬如，在對一面幕墻進行拍照時。”利用大量大面積重疊的建筑物航拍圖片，可以生成現(xiàn)場的三維模型。

研究人員正在研制一個能在飛行器的飛行過程中，生成并持續(xù)更新三維模型，且能在問題區(qū)域標注色碼的系統(tǒng)，以便為操作者提供支持。這個系統(tǒng)要求拍攝更多圖片，以達到生成精確模型所需的重疊程度。Windisch解釋道：“如今，大多數(shù)建筑設計都采用了三維技術(shù)，因此，在三維系統(tǒng)中對實際數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)進行比對，不啻為明智之舉。如果將時間軸納入考慮，甚至可以說，我們研制的是四維技術(shù)。借助這項技術(shù)，我們可以確定施工進度，以及任何偏離計劃的情況。然而，由于目前駐場施工經(jīng)理只有平面設計圖可用，因此，決定只能在維也納Aspern區(qū)使用三維模型，來生成實際現(xiàn)場的二維圖形?？梢詫鹘y(tǒng)二維CAD設計圖，重疊在所生成的二維圖形上，然后進行比對。”

未來，將進一步優(yōu)化這個過程，以實現(xiàn)自動比對，以及以圖形化方式在虛擬三維模型中標注出設計與實際結(jié)果之間的偏差。偏差包括缺了窗戶或者墻沒有對齊等。Windisch說：“我們開發(fā)的技術(shù)能夠簡便、快速地檢測出設計與實際結(jié)果之間的偏差。然后，可以在大型圖形中顯示這些偏差——無需派檢查員親自前往可能存在危險且難以到達的區(qū)域――如尚未完工的屋頂，就能做到這一切。”然而，建筑工地只是這項技術(shù)的眾多潛在應用領域之一。譬如，Windisch的團隊已經(jīng)執(zhí)行了不計其數(shù)的無人駕駛飛行器飛過工廠車間的任務——經(jīng)翻新和現(xiàn)代化改造后，工廠車間的實際情況往往與最初的建筑設計有所不同。