大數(shù)據(jù)時代下頭頸部影像信息學(xué)的開拓者——王振常教授

張 鵬 王 爭 李 佳 王振常

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院 首都醫(yī)科大學(xué)耳鳴研究中心,北京 100050)

1 個人簡介

王振常教授(圖1)，博士生導(dǎo)師，首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)系主任；附屬北京友誼醫(yī)院副院長，醫(yī)學(xué)影像中心主任；北京航空航天大學(xué)博士生導(dǎo)師。首都醫(yī)科大學(xué)耳鳴研究中心主任，北京市醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量控制中心主任。

圖1 王振常教授

人體影像信息學(xué)帶來了二維、三維及多參數(shù)、可視化的融合圖像信息，將醫(yī)學(xué)信息學(xué)帶入了嶄新時代。王振常教授長期致力于頭頸部疾病影像信息領(lǐng)域研究，迎合信息時代根本需求，在影像信息采集設(shè)備研發(fā)、多模影像信息數(shù)據(jù)集獲取模式、智能影像信息分析模型、多維影像信息可視化、影像信息結(jié)構(gòu)化顯示以及基于影像信息鏈平臺的規(guī)范化醫(yī)學(xué)診療路徑與決策體系構(gòu)建等方面取得系列開創(chuàng)性成果，將我國頭頸部醫(yī)學(xué)影像信息的有效提取和利用能力提升至國際領(lǐng)先行列。

曾獲國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎2項、高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果科學(xué)技術(shù)進步一等獎2項。主持制定影像行業(yè)規(guī)范6部，組織國內(nèi)外期刊重點專題18期。發(fā)表論文396篇；獲授權(quán)專利5項。主編全國統(tǒng)編教材8部/11版、專著18部/19版，國際發(fā)行1部。入選北京學(xué)者、國家百千萬人才工程、北京高創(chuàng)計劃-杰出人才、北京市衛(wèi)生發(fā)展-使命計劃、北京戰(zhàn)略人才團隊等，全國優(yōu)秀科技工作者，國家衛(wèi)生健康委員會、國家人力資源和社會保障局、北京市政府“突出貢獻”專家，獲國務(wù)院特殊津貼。

先后創(chuàng)立中國康復(fù)醫(yī)學(xué)會影像分會、中國救援醫(yī)學(xué)會影像分會、中國民族衛(wèi)生協(xié)會影像分會并擔(dān)任首任會長，創(chuàng)建中華放射學(xué)分會頭頸專委會并任主委；目前還擔(dān)任中國醫(yī)師協(xié)會放射醫(yī)師分會會長、北京醫(yī)學(xué)會放射學(xué)分會主委等。

作為隊長，帶領(lǐng)北京醫(yī)療隊赴西藏那曲地區(qū)人民醫(yī)院進行醫(yī)療援助工作一年，帶領(lǐng)國家埃博拉防控組及援非醫(yī)療隊赴西非幾內(nèi)亞開展埃博拉防控工作及醫(yī)療援助一年半，獲幾內(nèi)亞共和國勛章(圖2)。作為北京市新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱新冠肺炎)救治專家組核心成員及影像組組長全程參與新冠肺炎防控工作。

圖2 幾內(nèi)亞授勛委員會主席為王振常教授頒發(fā)幾內(nèi)亞共和國勛章

2 主要學(xué)術(shù)貢獻

2.1 鉆堅研微

基于智能化影像信息采集技術(shù)，構(gòu)建國內(nèi)首個搏動性耳鳴大數(shù)據(jù)庫，率先闡明搏動性耳鳴全鏈條發(fā)生機制，構(gòu)建致鳴多因素評估體系，開辟多源影像信息主導(dǎo)的發(fā)病機制研究新格局，引領(lǐng)領(lǐng)域內(nèi)前沿研究。

搏動性耳鳴是耳科重大疾病，人群發(fā)病率高，我國約有1 000萬罹患人群，嚴(yán)重影響患者身心健康。搏動性耳鳴的治療關(guān)鍵在于明確致鳴因素，王振常教授針對此關(guān)鍵臨床問題，提出兩個解決方案：①基于瞬時分離影像信息采集原理，率先提出“一站式”顳骨雙期增強高分辨率CT掃描技術(shù)[1]，創(chuàng)新多期影像信息分離采集與多源影像信息重建算法[2]，同時顯示骨質(zhì)、動脈、靜脈等不同組織影像信息特征及其毗鄰關(guān)系，將致鳴因素檢出率由44.0%提升至94.2%，填補了搏動性耳鳴國際推薦檢查方案缺陷[3]。②針對搏動性耳鳴耳部血流異常改變這一關(guān)鍵因素，率先創(chuàng)建搏動性耳鳴二維血流信息評價方法、革新四維血流信息采集技術(shù)，全面剖析血流速度、壁剪切力、壓力梯度、血流形式等生物力學(xué)內(nèi)涵，深度挖掘多維影像數(shù)據(jù)，在國際首次提出并報道了巖鱗竇、側(cè)裂靜脈、板障靜脈、乙狀竇憩室、乙狀竇周骨壁缺失等致鳴新因素[4-6]，上述成果為機制假說的創(chuàng)新性提出奠定了深厚基礎(chǔ)。

規(guī)范搏動性耳鳴影像信息采集標(biāo)準(zhǔn)后，團隊歷經(jīng)十年積淀：①構(gòu)建了基于影像信息鏈的國際最大樣本多中心搏動性耳鳴數(shù)據(jù)庫，并基于3D打印技術(shù)與多維影像數(shù)據(jù)率先構(gòu)建單因素致鳴仿真實體模型，證實血流是噪聲產(chǎn)生的根源，血管形態(tài)和機體狀態(tài)改變是異常血流的來源，血管周圍骨質(zhì)不完整性是噪聲傳導(dǎo)的關(guān)鍵。②革新了傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)影像信息采集模式，創(chuàng)造性提出并實現(xiàn)了形態(tài)與功能并舉的全新影像數(shù)據(jù)集獲取模式，提出“搏動性耳鳴腦中樞化”重要理念并構(gòu)建模型證實腦活動是耳鳴感知的基礎(chǔ)[7]，揭示了聽覺、默認(rèn)、視覺、執(zhí)行控制、邊緣系統(tǒng)等多個腦網(wǎng)絡(luò)協(xié)同特點[8]，發(fā)現(xiàn)了腦中樞化進程中功能重塑先于解剖重塑的規(guī)律，病程大于48個月是解剖重塑發(fā)生的關(guān)鍵時間節(jié)點[9]。通過深度挖掘上述影像信息，提出“血流-骨質(zhì)-傳導(dǎo)-腦活動多因素聯(lián)動”的全鏈條致鳴機制假說(圖3)。

圖3 搏動性耳鳴多因素聯(lián)動致鳴學(xué)說

團隊結(jié)合計算機斷層掃描、相位對比磁共振成像、功能磁共振成像等多模影像信息及聲學(xué)、力學(xué)等多維度數(shù)據(jù)信息，首創(chuàng)了基于影像信息鏈的多層次生物力學(xué)模型(圖4)，從不同層次與角度驗證不同致鳴因素聯(lián)動關(guān)系及權(quán)重，采用多變量分析與機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建致鳴因素-治療-預(yù)后一體化量化評價系統(tǒng)[10]，實現(xiàn)個性化致病因素風(fēng)險分析、治療策略效能評估、中長期預(yù)后效果預(yù)測，使手術(shù)治療有效率達83.0%，將致鳴因素“視而可見”，真正實現(xiàn)了搏動性耳鳴個性化有效治療[10]。

圖4 基于影像信息鏈的搏動性耳鳴多層次生物力學(xué)驗證模型

系列創(chuàng)新成果開辟了多元影像信息主導(dǎo)的疾病發(fā)病機制研究新格局，團隊以搏動性耳鳴為主題發(fā)表的論文在Pubmed數(shù)據(jù)庫占16%、萬方數(shù)據(jù)庫占18.6%，均處于領(lǐng)先位置。基于系列創(chuàng)新成果創(chuàng)建了全國唯一耳鳴診療中心，制定了我國首個“搏動性耳鳴影像學(xué)檢查方法與路徑指南”[3]。同時團隊所提出的雙期增強CT[11]、巖鱗竇致鳴[12]、耳鳴腦中樞化等學(xué)術(shù)成果，多維度改寫了美國放射學(xué)院制定全美使用的搏動性耳鳴影像檢查與診斷標(biāo)準(zhǔn)，占其引用證據(jù)的10%，是被引最多的團隊。

2.2 深耕細作

充分挖掘多模影像信息特征，利用優(yōu)勢算法與智能分析模型，推動學(xué)科交叉融合，率先引入神經(jīng)眼科影像學(xué)理念并創(chuàng)建基于影像信息鏈平臺的規(guī)范化醫(yī)學(xué)診療路徑與決策體系。

目前研究顯示，表現(xiàn)為眼部癥狀的疾病病因不僅局限于眼眶、眼球及其附屬結(jié)構(gòu)，更有可能為神經(jīng)系統(tǒng)損害，而眼科與神經(jīng)科相對獨立的性質(zhì)更易形成學(xué)科間壁壘，單一部位影像學(xué)檢查策略存在疏漏以及缺乏多維影像信息采集與分析技術(shù)手段，嚴(yán)重制約了疾病診療能力，導(dǎo)致患者就診目的性差而延誤病情，引發(fā)失明、致殘等后果。

針對這一關(guān)鍵臨床難題，王振常教授率先引入了以癥狀為導(dǎo)向的多學(xué)科融合診療理念，將疾病以癥狀劃分，將病因溯源范圍貫穿整條視覺傳輸鏈路，建立了我國橫跨眼科、神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科等多領(lǐng)域的交叉學(xué)科——神經(jīng)眼科影像學(xué)。聚焦神經(jīng)眼科疾病特點與既往影像信息采集策略結(jié)癥，利用人工智能與多元影像信息采集與分析技術(shù)，在構(gòu)建神經(jīng)眼科疾病臨床-影像大數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立基于影像信息鏈平臺的學(xué)科疾病分類評估體系與癥狀導(dǎo)向性影像偵查策略，闡明常見神經(jīng)眼科疾病與神經(jīng)損害的內(nèi)在聯(lián)系。

團隊圍繞視覺通路開發(fā)了特異性影像信息采集技術(shù)與數(shù)據(jù)集分析方法：①針對前后視路的中繼站(外側(cè)膝狀體)，融合3D高分辨率MR與自動分割技術(shù)對外側(cè)膝狀體形態(tài)和體積定量分析，并發(fā)現(xiàn)其隨年齡增長體積減小的規(guī)律以及慢性前視路病變引起雙側(cè)外側(cè)膝狀體體積減小的現(xiàn)象[13-14]。②針對視路病變微小特點，開發(fā)了基于短時反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(STIR)的影像數(shù)據(jù)集獲取模式，解決了視神經(jīng)不能清晰成像的難題，顯著提高了微小病變檢出率[15-16]。③根據(jù)全視路涵蓋多種組織結(jié)構(gòu)的特點，創(chuàng)建了基于影像信息表征模型的多參數(shù)定量分析方法，設(shè)計出適用于不同部位的白質(zhì)纖維束示蹤及定量測量技術(shù)，實現(xiàn)了全視路多參數(shù)定量分析(FA值、MD值、λ⊥值、λ∥值)，開創(chuàng)了隱匿性損傷定量評估新方法[17-19]。④優(yōu)化了傳統(tǒng)外傷性視路影像數(shù)據(jù)采集策略，提出多方位數(shù)據(jù)重組方法，開創(chuàng)了一次影像信息采集，多維影像信息展示的全新模式，使骨折顯示率達90%以上，為及時行視神經(jīng)管開放減壓術(shù)提供了客觀依據(jù)[20-23]。團隊基于上述創(chuàng)新成果，成功搭建了基于影像信息鏈與癥狀導(dǎo)向性的規(guī)范化醫(yī)學(xué)診療路徑與決策體系。通過視力下降/失明、復(fù)視/斜視影像信息鏈決策體系的創(chuàng)建(圖5，6)，使視力下降/失明的病因檢出率達76.5%，復(fù)視/斜視病因檢出率達到75.8%[24-25]。

圖5 基于影像信息鏈的視力下降/失明規(guī)范化醫(yī)學(xué)診療路徑與決策體系

圖6 基于影像信息鏈的復(fù)視/斜視規(guī)范化醫(yī)學(xué)診療路徑與決策體系

系列新觀點與新技術(shù)創(chuàng)建了我國首個基于影像信息鏈的臨床診療與決策體系，主持制定我國首部具有行業(yè)指南性的《頭頸部疾病指南》[26]并在全國普遍推廣，首次實現(xiàn)專病領(lǐng)域內(nèi)影像信息化顛覆性改革，獲2017年教育部科技進步一等獎。

2.3 匠心獨運

建立“學(xué)-研-產(chǎn)”一體化機制，基于影像信息處理、分析技術(shù)與影像信息鏈平臺與決策體系需求，創(chuàng)研世界首臺智能化臨床耳科微米級影像信息采集專用設(shè)備，填補國際空白。

創(chuàng)新團隊雖然在頭頸部影像數(shù)據(jù)處理、分析與模型構(gòu)建等數(shù)據(jù)進程下游取得了系列成果，但數(shù)據(jù)進程上游中的數(shù)據(jù)采集僅由信息采集設(shè)備決定，而高端影像信息采集設(shè)備關(guān)鍵制造技術(shù)由國外發(fā)達國家掌握，并對我國實施技術(shù)封鎖。王振常教授與國內(nèi)儀器廠家合作，從頭頸部疾病入手，組織醫(yī)學(xué)、工學(xué)、信息學(xué)等多領(lǐng)域交叉學(xué)科團隊，旨在突破高端影像信息設(shè)備對頭頸部微小病變信息精準(zhǔn)獲取的技術(shù)瓶頸，徹底解決“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)難題，打造具有我國獨立自主產(chǎn)權(quán)的高端影像信息采集設(shè)備。

團隊圍繞設(shè)備硬件系統(tǒng)與軟件模塊進行了技術(shù)難題重點攻關(guān)。①硬件系統(tǒng)方面，自主研制小焦點、大功率X線發(fā)生器，突破制約影像數(shù)據(jù)獲取精細性的硬件難題，提出油箱和球管分離的分體式機頭物理設(shè)計，建立比例-積分-微分反饋控制模型并突破當(dāng)前小焦點與大功率不能同時滿足的技術(shù)極限，實現(xiàn)焦點尺寸0.3 mm、額定管電壓達120 kV、額定功率達1 000 W 的硬件設(shè)備集成，三項核心指標(biāo)技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。②軟件模塊方面，解決了小視野數(shù)據(jù)重建、散射校正、幾何標(biāo)定、運動校正等一系列算法難題，創(chuàng)建奇異值分解和希爾伯特變換的局部區(qū)域重建算法與散射場的數(shù)學(xué)模型及蒙卡模擬與卷積核模型相結(jié)合的散射校正方法，研發(fā)特定模體，創(chuàng)建幾何標(biāo)定算法與基于雙目視覺運動監(jiān)測的方案和校正方法，突破制約影像信息采集準(zhǔn)確性的瓶頸，為設(shè)備研制提供信息處理算法支撐。

通過系列技術(shù)突破，成功研制并實裝世界首臺具有自主產(chǎn)權(quán)的智能化微米級臨床耳科影像信息采集設(shè)備(圖7)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)成像空間分辨力在X-Y-Z三個方向均高達4.0 lp/mm，最小體素達50 μm3，比高端通用型影像設(shè)備信息采集能力提升6倍[27-29]。創(chuàng)新成果首次將頭頸部精細解剖結(jié)構(gòu)與微小病變的影像顯示能力提升至微米級(圖8)，達國際領(lǐng)先水平，將為頭頸部重大疾病基礎(chǔ)研究和臨床診療創(chuàng)新帶來巨大變革。

圖7 臨床耳科微米級影像信息采集設(shè)備

圖8 臨床耳科微米級影像信息設(shè)備所采集的高分辨率鐙骨圖像信息

2.4 挑戰(zhàn)與奉獻讓人生更精彩

從29歲被委任首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院放射科副主任到作為隊長醫(yī)療支援海拔4 500 m草木不長的藏族地區(qū)，從49歲臨危受命帶領(lǐng)國家醫(yī)療隊遠赴幾內(nèi)亞抗擊埃博拉病毒到作為北京市新型冠狀病毒肺炎救治專家組核心成員參與新冠疫情一線防控工作，他始終踐行不畏挑戰(zhàn)與甘于奉獻的職業(yè)精神。這份對職業(yè)精神的堅守讓他不斷挑戰(zhàn)并攻克一個個“卡脖子”的技術(shù)瓶頸與“卡腦子”的臨床難題，他始終秉持并傳承這份堅守，他時常教導(dǎo)學(xué)生們：“不怵新環(huán)境，迎接新挑戰(zhàn)。平臺不一樣，人的眼界就不一樣，對人的鍛煉也不同”。正是王振常教授的這份不畏挑戰(zhàn)與甘于奉獻的精神，為我國影像信息領(lǐng)域在鴻蒙初辟的大數(shù)據(jù)時代搶占了第一創(chuàng)新高地。

在60周年校慶之際，向致力于首都醫(yī)科大學(xué)發(fā)展的先賢們與同仁們致以敬意，感謝首都醫(yī)科大學(xué)的莘莘學(xué)子讓我們對未來充滿了信心與希望，祝愿首都醫(yī)科大學(xué)承前啟后、繼往開來、再創(chuàng)輝煌！