原创医学成像的未来

 2011-12-12 11:09  1481 12 12 分类: MCU/ 嵌入式

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作者：Mark Nadeski，德州仪器（TI）医学成像产品部全球市场营销总监

方进 (Gene Frantz)，德州仪器（TI）首席科学家

医疗保健个性化

19 世纪的大诗人 Emily Dickinson 只允许医生在距她数英尺以外的地方透过一扇敞开着的大门为她诊病，由此足见其孤僻好静的程度。

如果她现在还在世的话，她可能会受益于医学成像技术的进步。这种技术进步不仅可以满足她孤僻好静的性格，同时还能够诊断出白莱特氏病（肾炎），而 55 岁的 Emily Dickinson 正是死于这种疾病。

在我们将来的科技电子化生活中，可以想象有这样一面背后安装有视网膜扫描仪的浴室镜，它可以发现视网膜病或者重要的疾病前兆。就 Dickinson 而言，这种镜子可以注意到她面部的逐渐肿大（白莱特氏病的一种症状），并让她的医生警觉。

对于那些太忙而没有时间定期到医院检查身体的人们来说，这种技术还是一种能够改善其医疗保健状况的有效途径。另外，对那些有就医恐惧症的人来说（对医生的恐惧让他们放弃了定期身体检查），医学成像技术实现了众多无创伤诊断。

对于医疗保健提供商及患者，技术进步使得医疗保健个性化逐渐在下面几个方面成为现实：控制慢性病、预测大病，让患者在舒适的家中渡过其生命的最后时间。这些先进的技术也使得医疗保健成为我们日常生活的一部分。

下面是具体的例子：

一些具有嵌入式装置且能够探测出潜在身体问题的卫生间设备。例如：一个能够对尿液进行分析并发现肾传染病或诸如糖尿病和高血压等慢性病发展情况的马桶。另一个例子是能够探测体重或身体脂肪突然变化的卫生间体重磅秤。这些设备可以自动将数据上传给患者的医生，并根据医生事先的设定来为患者安排就诊预约。

这些诸如视网膜扫描仪的诊断设备可以和患者的现有消费类电子产品（如数码相机等）结合，以提供更多的诊断和治疗方法，并把这种信息提供给相关医务人员。

这些安装于家庭中的传感器可以测量出一个人的身体状况，并确定其是否需要医疗帮助。这是医疗保健可以成为一种预防措施，深入家庭的一个例子。

闹钟能够提醒某人起床按计划到医院就诊，也许就是基于家庭中其他医疗保健设备收集起来的信息，例如：嵌入到卫生间镜子中的视网膜扫描仪。该例子赋予了“个人局域网 (PAN)”这个术语新的含义，在该局域网中的多种家庭设备会定期和无创伤地监控和记录一个人的生命特征。

可以将设备安装到家庭中，并远程连接至医疗保健提供商的网络。一种老年患者佩戴的产品正在开发中，它基于陀螺仪，可以探测到老年患者是否摔倒。¹这种设备可连接至患者的 PAN，发送求助信息。还可以对类似摔倒和长时间久坐（这可能是一种身体或精神问题的症状）归档并向患者医生报告。

在远程手术中，世界知名的专家可以利用全息图像指挥远在千里之外的手术机器人进行手术。这种方法可将最好的医疗应用至全世界，从而让患者们在当地就能享受到世界知名专家的治疗。

在虚拟地点呼叫中，医生使用了视频会议（这是一种许多电信运营商都计划向消费类市场提供的服务）以及面向家庭的诊断设备（例如：便携式超声波系统）。虚拟地点呼叫可能在农村地区²或者那些有严重交通堵塞的大城市较受欢迎。对于那些无法看医生（也许因为卧床不起，患有医生恐惧症，或者交通条件较为有限）的患者来说，虚拟地点呼叫也让他们能够享受到医疗保健。无论存在什么样的阻碍，这种虚拟地点呼叫可以代替其他治疗方式，给患者带来更多的健康关怀。

医疗保健成为一种全天候的服务，而非偶尔提供，并且不需要中断日常的工作就能享受。所有这些例子都改善了对患者的关怀，实现了病情恶化前的健康问题早期发现。这样，相比需要每周或每月挤出时间到医院进行检查，患者可以享受到更为全面的医疗保健。

另外，自动监控不再需要患者必须牢记要记录信息。由于医疗保健成为了一种全天候的服务，自动信息处理降低了提供医疗保健服务的成本。

对一些患者来说，这些技术可以实现由于经济或距离等原因不能享受到的医疗保健服务。心脏病专家 Devi Prasad Shetty 博士的方案便是一个极好的例子，他将数字 X 射线与卫星宽带相结合，让印度偏远农村的人们也享受到了医疗保健服务。³在印度，每分钟平均四个人中就有一个心脏病发作。⁴通过将心脏医疗保健服务带给那些居住在偏远地区的人们，Shetty 博士的远程医疗计划对印度产生了重要影响。

医学成像技术的发展

医学成像技术不断发展和进步，其目标都是想让患者享受到更好的治疗和关怀。下面是一些例子。

X 射线由胶片发展为数字文件。在印度，通过简化处理方法，这种转变带来了医疗保健的革命。现在，Shetty 博士的门诊部每 24 小时便可处理3000 张 X 射线照片。由于数字信号处理 (DSP) 的广泛使用，现在在采集点就可将 X 射线信号转换成数字图像，并且不会降低图像的清晰度。数字文件拥有许多好处，其中包括免去了处理胶片所需的成本和时间，以及更加可靠的信息存储。实时绘制数字图像的这种能力实现了手术过程中数字 X 射线机器的使用，从而让医生可以在确切的手术时间看到精确的图像。

MRI 从慢、模糊到快速、高清晰度的发展过程。今天的磁共振成像 (MRI)能够在极短的时间内提供高质量的图像。而仅仅在几年以前，只有顶级的设备才会拥有这样的速度。现在的 MRI 还具有高度的灵活性，并拥有对自然、承重、站立状态下的脊椎进行拍照的能力。

今天的 MRI 还将实现一些未来的技术突破。例如，利用扩散 MRI，研究人员可以通过神经纤维束成像技术创建脑图谱来研究不同大脑区域之间的关系。与此同时，功能性 MRI 对大脑进行快速的扫描，以测量出由神经活动改变引起的信号变化。这些高清晰度的图像可以使研究人员更加深入地了解大脑的工作方式，从而改进治疗方法。

超声波设备的便携性。在过去的几年中，随着手推车式超声波系统日渐被便携式或手持式超声波设备所代替，超声波设备变得更加小型化。体积的缩小将使大范围的医疗保健应用成为可能，这些应用展现了医疗技术进步如何正将医疗保健带给广大患者，而不是迫使他们千里迢迢地寻医问诊。此外，便携式和手持式超声波系统还将医疗保健带到农村及偏远地区、灾区、医院病房、生活救助机构和救护车上。

视网膜植入成为现实。南加州大学 Doheny 眼科研究所 (University of Southern California’s Doheny Eye Institute) 5的研究人员正在研究人工视网膜技术，这种技术可以恢复那些患有色素性视网膜炎和视网膜黄斑变性人群的视力。

贯穿于所有这些例子的一个共同主题是：数字信号处理的运用。DSP 被用于那些对医学界和我们的生活产生许多影响的应用领域。更为重要的是，这种技术仍然处于对医学和医疗保健影响的初期阶段。

远程通信如何助力医学成像

通信网络的发展常常会推动医学成像技术的进步。它们极大地改善了对患者的护理，同时还为医疗保健提供商和保险公司降低了成本。

NightHawk Radiology Services公司⁶便是一个例子。医院急诊室可以通过宽带互联网向 NightHawk 公司位于澳大利亚悉尼或者瑞士苏黎世的机构发送 X 射线照片，再也不用全体放射科的工作人员通宵达旦地工作了。随后，NightHawk 公司工作人员对这张 X 射线照片进行读取处理，并向急诊室医生返回一份诊断结果。

远程医疗是医学成像和远程通信技术之间相辅相成的另一个例子。视频会议和被称为临场感的新型网真 (telepresence) 技术⁷越来越多地被用于发达国家和发展中国家的医疗保健行业。视频会议和网真技术通常和超声波设备等医学成像系统配套使用来实现远程医疗应用，其一般会享受政府补贴，因为它们把医疗保健带给了那些医疗保健服务昂贵、稀少的地区。

密苏里远程医疗保健网络 (Missouri Telehealth Network)⁸服务包括远程皮肤病学。农村健康诊所的患者可以将其皮肤放置于视频摄像头下，让远在数百英里之外的皮肤科医生查看和诊断，从而提供相当于面对面的视频会议。如果患者时间有限或者交通不便，远程医疗更意味着享受治疗和忍受病痛之间的差别。如果某人的恶性黑素瘤处在第 1 阶段，那么通过远程医疗早发现就意味着生与死之间的差别。

DSP 在远程医疗中扮演一个关键角色。例如，DSP 可提供支持视频会议和远程呈现系统的各种编解码器所需的处理能力和灵活性。某些编解码器可以将视频压缩，使TV质量的图像能够在低带宽有线或无线网络上传输。这种能力将远程医疗扩展至偏远、农村地区，以及那些电信基础设施带宽较为有限的发展中国家。将来，视频压缩技术还有助于将远程医疗通过有线和 DSL 连接扩展至患者的家中。

DSP 还可提供支持医学成像所需的无损编解码器必需具有的处理能力，低压缩或无压缩会影响图像质量，进而影响诊断结果。DSP 的可编程特点可以让其获得升级，以支持新的编解码器，从而为医院和医生等最终用户提供一定程度的产品前瞻性。

医疗保健的未来

正如前面所述的一些听起来很诱人的技术进步，有大量正在进行中的研究可能会在未来十年进一步提高医疗保健的服务质量。

例如，一家名为 CNOGA⁹的以色列公司，其产品运用视频摄像头来无创伤地测量生命特征，例如：血压、脉率、血氧及二氧化碳水平，只需将摄像头对焦在人的皮肤上便可。这种技术的未来应用可以带来疾病的无创生物标志识别，例如：癌症和慢性阻塞性肺疾病等。

随着医学成像的发展，在患者家中进行更多的检测逐渐成为可能。由于减少了门诊就医的支出费用，保险公司也从中受益。患者也大大省去了去诊所花费的时间，减少了就医的不便。对于那些交通不便或者工作日程安排不开的人们而言，远程医疗可以在病情恶化或危及生命之前帮助确认和治疗疾病。

其他研究包括：

单片机超声波设备。将一个八通道超声波接收机体积压缩成一个单片机实现了便携式设计，但这一般会降低图像质量，这就限制了这种器件作为一种诊断工具的有效性。集成技术的最新发展通过减小信号路径尺寸以及噪声水平避免这种图像质量下降。其目的是创建一款使探测、接收、传输和处理链实现集成的单片机设计。反过来又让所有超声波设备电子产品能够安装于探头中，可以使用一种无线链路向显示器传输信息。单片机设计还弥补了 3-D 探针的不足，其拥有更多的变送器元件，因而需要更多连接至设备的接线。