信息科学与医学影像学交融共进

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1、执行主编： 张思玮副主编： 张楠编辑： 贡晓丽 校对： 陶朵朵E-mail押72014 年 6 月 11 日星期三Tel：（010） 62580705综合当代信息科学在医学影像领域的高端应用 日益受到重视， 一门新兴交叉学科 “医学影像信 息学” 也应运而生， 其中磁共振、 CT、 PET 等大型 医学影像设备的高技术、 高附加值以及巨大的医 疗市场需求更是备受国际产业界瞩目。 近期，本报记者在南方医科大学有幸见到 了我国医学成像与分析领域的 “973” 计划首席 科学家、科技部重大项目医疗器械专项专员组 组长陈武凡教授和他的团队，并就医学影像信 息技术领域的有关情况进行了专访。 这是陈武凡第

2、一次接受媒体采访。 他说， 他 的观点仅是一家之言， 难免有不当之处， 目的是 期待有更多的年轻学者投身到医学影像信息学 领域的研究中来。陈武凡：一般来说，医生根据患者的 CT、 MRI 或 PET 的医学图像进行临床诊断的经验 科学称为医学影像学，而利用现代信息科学来 高质量地解决一系列的医学成像与量化诊断分 析的方法学研究就称为医学影像信息学。 自 20 世纪 70 年代中期以来， 以数学、 物理 学、 计算机、 生物学、 医学为基础的综合交叉学科 医学影像信息学蓬勃发展起来。从二维成像， 发 展到三维、 四维成像； 从结构成像发展到功能成 像； 分辨率从毫米水平发展到分子水平。但由于 历

3、史原因， 我国的医学影像信息学研究大大滞后 于国外水平。事实上， 医学影像信息学面临着更 多亟待解决的现实问题， 需要更深层的医学与工 程学科结合与创新。 比如： 低辐射 CT 成像问题、 快速 MR 成像问题、高精度 PET 成像问题以及 多模态图像信息联合挖掘问题等。陈武凡： 目前来看， 我们研究的深度与广度 在国内处于领先地位，在国际上也有一定的影 响力。 经过多年的积累，我们更清晰地认识到相 对于成像设备的研究而言，医学影像成像方法 与信息处理技术最有可能成为我国医学影像领 域赶超世界的突破口之一。例如， MRI 系统两 大序列成像时，由于患者发生自主运动会导致 图像大量伪影造成，临床

4、无法诊断。美国在 2003 年解决其中一个序列伪影问题，结果 GE 的 MRI 在市场独大，而我们在 2005 年的研究 独到地解决了另一个序列的伪影问题，而且连 带地解决了前一个序列的伪影问题， 可谓 “一石 二鸟” 。低剂量的 CT 成像是国际追求目标， 研 究也已多年， 而 “全低剂量” 成像， 相当长的时间 内实现不了， 但可逐个解决。 如， 我们在 2011 年 率先解决了低剂量灌注 CT 的高质量成像问 题，并在国际上带动了系列研究。另我们于 2013 年新提出的 MRI 并行成像方法， 其成像速 度与质量， 迄今为止是最好方法。陈武凡： 首先， 我们是国内最早从事该领域 研究的单

5、位之一。自 1986 年第一军医大学 （南 方医科大学前身）购买了亚洲第一台核磁共振 系统， 我们就开展了相关研究， 迄今已建成了完 整的研究体系与人才队伍。第二， 我们的研究和临床深度结合。 因为我 们研究的需求多来自临床， 不和临床很好结合， 不可能有好的研究成果。南方医科大学有丰富 的临床资源，经过多年与南方医院等医院的合 作， 我们已经和临床医生建立了深度合作关系， 目前已建立了丰富的临床医学影像资料库， 并 针对多个临床需求，提出了一系列的图像分析 的新方法， 并以软件系统的形式应用于临床。 第三， 我们的研究与产业有很好的结合。 我 们和国内东软等知名的设备厂商都有很好的合 作，有

6、多个医学成像方法成果已通过专利形式 进行转让， 并应用于设备中。陈武凡： 毫无疑问， 医学影像属于医学与工 程学交叉的新兴学科。三大影像成像设备中， 磁 共振获诺贝尔物理奖， CT 获诺贝尔生理学或医 学奖表明这个学科的科学性与前沿性无庸置疑。 同时结合我自身的知识背景以及学校当时的医 学资源优势， 确定这一方向也是很自然的选择。 另外，我们当初从成像方法与分析方法着 手研究， 而没有从事成像设备的硬件研发， 也是 有所考量的。 成像方法与分析方法的研究， 对研 究基础平台要求相对较低，容易与国际同步甚 至突破并赶超。因此我们团队研究方向确定原 则是： 技术发明应和实际应用相结合。 我们主要

7、从事基础性方法学研究，并通过知识创新来产 生技术发明， 最后转化为实际应用。 我们的工作 思路逐步明确， 形成了 12 字工作方针 “知识创 新、 技术发明、 实际应用” 。陈武凡： 首先， 对于 CT 扫描来说， X 线对人 体的伤害是一个问题， 但由于 CT 在成像的速度、 图像分辨率等很多方面的优势，又不能完全被其 他成像方式取代。现在国际上提倡低剂量 CT， 就 是怎样在剂量比较低的条件下来保证图像质量， 这不仅需要硬件的提升，而且更需要好的成像技 术和成像方法来解决，这已是国际研究的热点问 题之一。我们已完成的基于统计特征的祼数据校 正技术和低剂量灌注成像技术是很成功的，前述 已提到

8、目前正在与国内企业进行合作推广。 第二， 对于磁共振而言， 其成像速度是个很 大的问题。我们最近提出并行情况下稀疏采样 新方法， 成像质量相当地高， 希望以后有企业能 够把这个技术应用进去， 造福社会。另外， 对于 磁共振运动伪影问题，我们新提出的并行成像 方法， 仍然能稳定地获取到清晰的图像， 填补了 国际上重要的技术空白。 第三， PET 的主要问题除了成像的质量比 较低， 发生假阴性和假阳性的概率很高,还有检 查价格很高。 PET 检查有两种方式， 静态成像和 动态成像。 关于动态成像， 我们利用示踪剂特性 设计动态先验， 即时间先验和空间先验， 取得了 比较好的效果， 改善了图像的效果

9、。 国内做 PET 的较少, 我们把这个技术发到了国际上大部分 的 PET 中心去， 经过检验他们认为我们的技术 是一流的。陈武凡： 成像设备生成海量医学图像。这些 图像中含有大量信息，怎样用信息处理的方式，获得对临床诊疗有价值的信息， 是医学图像分析 要解决的主要问题。 我们的工作主要集中在医学 图像的特征提取、 组织与病灶的分割、 病灶的定 性分析等多个方面。 因为医学图像分析对于精度 要求很高， 很多传统的用于自然图像的特征提取 方法并不适用， 为此我们针对特定的问题， 提出 了多种特征提取方法。 如我们发现对于肿瘤类型 识别与定性分析问题， 在肿瘤边缘区域肿瘤组织 与正常组织的相对关系

10、有重要价值， 为此提出了 边缘信息描述子特征提取方法， 显著提升了肿瘤 类型识别精度。同时， 为了解决图像特征信息量 与维数相矛盾的问题， 我们从人眼视觉处理机制 得到启发， 提出了变尺度邻域的方法， 使得肿瘤 病灶分割的精度有了大幅提升。陈武凡： 医学成像与分析研究， 实际仍属 于信号处理领域， 只是针对临床医学的科学问 题， 方法学方面立足于经典知识。早期 CT 与 PET 的断层成像， 就是把多个一维采集信号用 滤波反投影方法重建成 2 维图像，而 MRI 是 把不同梯度与频率下的扫描 （频域） 信号用傅 里叶逆变换重建 2 维图像， 但这些图像的质量 低，影响诊断，特别是对于低剂量 C

11、T、快速 MRI 与高质量 PET 而言。 上述方法更不能满足要求，而是要建立统 计模型进行迭代求解。另图像分析的大量问题 主要也是迭代求解。 故在学术上， 我们把现代医 学成像与分析问题归纳为 3 维或 4 维的二范数 统计模型作为基本通式， 保证了解的收敛性； 再 根据不同问题， 提出多个约束、 多种先验以及参 数动态修正方法，全面提高了成像的准确度与 分析的精确度。 例如， PET 重建常常是对泊松模 型迭代求解的， 重建质量不高且迭代不收敛。 而 我们最近工作是把泊松分布当作其中一个约束， 效果非常好。 当然， 我们做得还远远不够， 还 要继续深入研究， 以求学术上取得更大突破。陈武凡

12、： 首先， 研究要与临床医院有深度 相结合。事实上欧美这些先进国家， 从事医学 成像科学和医学图像分析研究的信息科学专 家都在临床医院。如果不跟医生打交道， 根本 就不知道需求在哪里， 图也看不懂， 就没办法 开展研究。 其次， 要与企业合作。 因为我们买进来的设 备都是国外的设备，无法获得成像的裸数据 （raw data） ， 没有数据就没法做， 故同国内的民 族企业开展合作研究就成为必须。 我们的工作属于信息科学的基础研究， 而 信息科学是现代科学， 是为当代服务的。 一方面 可以为医疗器械企业提供核心技术支撑，另一 方面可以为临床提供软件分析， 实现量化诊断， 以为解决国家的产业与临床需

13、求。陈武凡： 第一， 从成像角度讲， 由全新的数 据采样设计实现稀疏成像将是极具潜力的解决 方案， 可使其在理论和方法上更加完备， 同时变 成可以向企业转化的创新技术和研究成果。 第二， 在图像分析方面， 做医学影像信息的 大数据挖掘。 我们现在积累的资料很多， 我们将 争取用更好的方法进行数据挖掘，从大数据的 概念， 由此推到彼。 另外，我们还会利用我们在成像领域具备 的知识开展一些基础医学方面的研究。过去基 础医学很少跟信息有结合，信息领域的专家也 很少进入到基础医学领域中去， 为此， 我们将开 展重大疾病的医学影像信息学研究，形成完备 的研究体系。 总之，过去的研究优势还要继续保持， 同

14、 时努力拓展新方向。我们团队很年轻， 新型交 叉学科的发展未来，完全寄托在年轻人身上。 “芳林新叶催前叶,流水前波让后波” ， 这是历 史的必然。陈武凡： 经费来源和科研体制的确对我们 的研究有直接影响。 我们看到 GE、 西门子这些 跨国公司都有自己的高等研究院， 在技术创新 方面很起作用。我国石油、 煤炭、 航天、 钢铁等 领域都有自己的研究院。而医疗器械在过去并 没有得到国家足够的重视， 后来的产业发展也 不大， 所以一直没有这方面的研究院。 囿于此， 同行们基本是各干各的， 跟企业结合多依赖个 人关系。 我认为，我们可以成立一个国家支持下的 市场化运作的医学影像研究院，主导医疗器械 特

15、别是影像产业的研发工作。第一可以承担国 家项目， 第二可以跟企业结合， 进行成果分享。 知识创新要来自研究院， 而不是企业。 美国人认 为大学是知识创新的源泉，我们需要有这样的研究机构， 这样才能对抗国际垄断企业。 如果国 家有关部门今后在资助影像产业方面的研发工 作时都要求跟大学研究院合作，那么就从体制 上解决了这些问题。陈武凡： 高端影像设备突破， 整体而言， 一 段时期内应走 GE 发展道路，以成像科学为突 破口。 中国人的数学水平和软件水平并不低， 但 就整体而言， 高端影像设备不是单家的事情， 因 为它涉及电子、 微电子、 自动化、 材料、 工艺等， 所以不容易突破，需要各个领域的协

16、同创新才 可以成功。从高技术领域来讲， 除了军工， 国际 上真正体现高技术的就是这些设备，它能获诺 贝尔奖， 就说明它的地位。 医学影像信息学应是我国医学影像诊断设 备赶超世界的突破口。陈武凡： 首先， 团队的形成得益于我们目标 和方向定得准。 研究方向上， 我们参考了国际上 大概的发展脉络， 开始就瞄准了世界前沿， 动手 就做三维。 我们的研究难度相对还是比较大， 除 了本身要掌握临床知识，三维图像在方法上也 和二维图像有所不同，二维的方法不能套用到 三维。另外成像各自的原理也不同， CT 有 CT 的原理， PET 有 PET 的原理，团队需要掌握的 东西太多， 需要具备一定解剖学的知识、 诊断知 识， 要对物理成像原理有深入的理解， 所以这个 团队首先目标要定得很精准。 第二就是不断地深入学习，使得每一个人 的知识都非常丰富。 第三就是把握好方向，我们做的时候允许 扩展， 但只能在自己的领域下扩展。 所有团队都 不允许申报与医学成像无关的项目，要突显研 究重点与特色。 第四，团队的每个成员要有责任感与荣誉 感、 要有好的人生态度， 能清心寡欲地坚