樹立多要素關(guān)聯(lián)診斷新理念提升醫(yī)學(xué)影像學(xué)在臨床診療中的價值

王振常 張鵬 呂晗 趙鵬飛

1 醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的發(fā)展與重構(gòu)

醫(yī)學(xué)影像學(xué)是百年來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中知識更新最快的學(xué)科之一。從19 世紀(jì)末倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線到第一張手部 X 光片誕生，隨著超聲、CT、MRI、PET、介入放射技術(shù)等影像診斷和治療方法相繼問世，醫(yī)學(xué)影像學(xué)從無到有，從小到大，經(jīng)歷了迅猛的發(fā)展過程。

近年來隨著影像設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)采集算法革新、組織對比劑開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迭代，進一步促進了人體信息學(xué)與醫(yī)學(xué)影像學(xué)的深度融合發(fā)展，傳統(tǒng)影像學(xué)理念正逐漸發(fā)生改變，豐富的信息交互與深入的數(shù)據(jù)挖掘提供了更全面的視角，多元的學(xué)科交叉與智能的信息處理帶來了更多可能性。如今的人體影像成像技術(shù)正朝著信息采集數(shù)字化、成像分辨力顯微化方向發(fā)展；不同類型的人體影像信息同步實現(xiàn)了跨時域、跨地域互通互聯(lián)；醫(yī)學(xué)影像學(xué)被賦予了新職能，從多功能支撐臨床到多專業(yè)交叉融合，再到多學(xué)科協(xié)作診療，這些不斷涌現(xiàn)的全新理念正在時代的洪流中不斷重構(gòu)著醫(yī)學(xué)影像學(xué)科。

2 精準(zhǔn)醫(yī)療與國家戰(zhàn)略需求

2015 年，科技部召開“國家精準(zhǔn)醫(yī)療戰(zhàn)略專家會議”，成立國家精準(zhǔn)醫(yī)療戰(zhàn)略專家委員會并將精準(zhǔn)醫(yī)療上升為“國家戰(zhàn)略”。精準(zhǔn)醫(yī)療給醫(yī)療體系帶來的本質(zhì)變化是：從以醫(yī)療、醫(yī)院、醫(yī)生為主的疾病診療模式過渡到以面向全民健康保證、健康評估和健康干預(yù)為主的健康保障模式。這對于醫(yī)學(xué)影像學(xué)而言是更高的發(fā)展要求。當(dāng)下醫(yī)學(xué)影像學(xué)擁有多樣的成像方式、多維的影像信息解析方法，所反映的人體信息也更加全面，但如何匹配更精準(zhǔn)的影像成像模式？如何準(zhǔn)確反映不同狀態(tài)下人體的生理病理狀態(tài)？如何探尋影像信息與人體健康之間的關(guān)聯(lián)？這些問題是本學(xué)科在精準(zhǔn)醫(yī)療中所面臨的重大挑戰(zhàn)，也是實現(xiàn)“健康中國2030”的必由之路。

3 新時代醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的主體內(nèi)涵與影像學(xué)技術(shù)更新迭代的實際需要

醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)的總體發(fā)展趨勢正面向高時空分辨力、多模式成像與智能化發(fā)展。時間與空間分辨力的提升可提供跨時域的人體信息，成像時間明顯縮短，甚至可提供特定組織器官的實時動態(tài)成像。多模式成像方法不僅能提供人體解剖信息，更能反映人體組織器官的代謝、力學(xué)、功能與血流等不同類型的人體病生理狀態(tài)。新時代背景下，數(shù)字化信息龐大、算法快速更新等行業(yè)特點已讓醫(yī)學(xué)影像學(xué)科成為人工智能發(fā)展的沃土?；谝巡杉跋駭?shù)據(jù)進行智能化分析的前人工智能時代已過渡到影像數(shù)據(jù)采集與智能化分析平行展開的后人工智能時代。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)正與信息科學(xué)技術(shù)、醫(yī)學(xué)生物技術(shù)、分子生物技術(shù)快速融合和不斷發(fā)展，從而帶來了海量的人體異構(gòu)數(shù)據(jù)與不同類型的醫(yī)療信息。這些技術(shù)變革深刻反映了時代的根本需求，為人體病生理信息提供了更多呈現(xiàn)方式，但不同成像模式特點與應(yīng)用場景存在差異化，如何將不同特點的成像技術(shù)進行優(yōu)勢組合，如何有效地利用現(xiàn)代多模式成像與探測技術(shù)帶來的海量人體信息，如何發(fā)掘異構(gòu)數(shù)據(jù)與人體健康間的潛在關(guān)系并與臨床診療路徑相接軌，已成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域的迫切需求。

4 基于影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷理念層進式架構(gòu)與體系構(gòu)建思路

4.1 信息學(xué)思維模式的構(gòu)建 生命現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，人體正常運轉(zhuǎn)是多種不同因素協(xié)同作用的結(jié)果，人體組織器官結(jié)構(gòu)鏈路精密，不同系統(tǒng)間生理信號多級傳導(dǎo)、功能實現(xiàn)需要不同要素間多重調(diào)控。當(dāng)下基于生物醫(yī)學(xué)模型的點狀醫(yī)學(xué)思維模式更聚焦于單一因素在疾病中的作用機理，而單一致病因素并不能說明疾病的一切，這種思維模式最終導(dǎo)致了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的大部分基礎(chǔ)實驗研究成果無法實現(xiàn)有效的臨床轉(zhuǎn)化[1]。因此，對疾病機理的完全理解需要更多概念與參考因素。信息學(xué)是研究信息的獲取、處理、傳遞和利用規(guī)律的一門新興學(xué)科，通過運用精密儀器與計算機算法提升信息探測能力、提高采集傳輸效能、增加信息解析維度，并基于擴大信息數(shù)據(jù)集與構(gòu)建智能解析模型進一步探究不同作用因素在事件結(jié)局中的潛在作用。應(yīng)用信息學(xué)系統(tǒng)性思維模式不僅可以進一步探測人體微弱生理病理信息，還有助于挖掘和利用多維度與多模式的人體信息資源，為影像信息全面探測感知與系統(tǒng)解析提供新范式[2]。

4.2 概念體系的創(chuàng)建 基于影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)的診斷理念，是以信息學(xué)思想為核心，以不同模式醫(yī)學(xué)成像技術(shù)為手段，通過影像信息解析技術(shù)來探尋并發(fā)現(xiàn)不同維度的人體生理病理狀態(tài)，發(fā)掘致病機理中不同作用因素，構(gòu)建智能化影像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，闡明疾病致病機理，精準(zhǔn)診斷致病誘因，為建立疾病導(dǎo)向性治療方案打下堅實基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 基于影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷體系模型

4.3 多要素關(guān)聯(lián)診斷理念 針對不同病癥，基于常規(guī)影像設(shè)備，突破多模式探測、多維度感知、多要素關(guān)聯(lián)解析等關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用一系列專用影像信息采集與解析方法，闡明不同功能鏈路上不同要素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

具體來說，多要素信息關(guān)聯(lián)診斷理念及其體系構(gòu)建思路包括了由多種成像模式探測到的人體生理病理的數(shù)據(jù)與多種信息解析模式分析得到的多功能單位信息，將這些反映人體病理生理狀態(tài)的數(shù)據(jù)根據(jù)時間、空間與解剖功能鏈路劃分為不同維度，并通過構(gòu)建智能分析模型串聯(lián)不同維度信息，從中發(fā)掘不同要素信息及與人體病理生理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而揭示在疾病與健康狀態(tài)下不同要素耦合作用機理以及病理發(fā)生機制。

5 多要素關(guān)聯(lián)診斷理念在頭頸領(lǐng)域的應(yīng)用

基于影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷理念及其體系構(gòu)建思路在頭頸領(lǐng)域中已進行了初步嘗試，結(jié)果證實能夠提升人體精細(xì)結(jié)構(gòu)與隱匿病變顯示的能力，使臨床疾病診斷效能大幅躍升。

針對耳部病癥，基于該理念體系創(chuàng)新研發(fā)了面向聽覺傳導(dǎo)通路多要素協(xié)同探測感知方法。例如，對于搏動性耳鳴，建立了一站式顳骨雙期增強高分辨CT 掃描技術(shù)及骨質(zhì)血管交互評判方法，用于清晰顯示骨質(zhì)與血管因素[3]；創(chuàng)建4D FLOW 靜脈血流采集技術(shù)及壓力預(yù)測方法，用于獲取并評估血流動力學(xué)模式[4]；創(chuàng)新優(yōu)化聽神經(jīng)采集參數(shù)技術(shù)，用于準(zhǔn)確評估聽神經(jīng)的形態(tài)及毗鄰關(guān)系；采用基于圖論的聽覺網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)功能分析方法，解析搏動性耳鳴神經(jīng)功能重塑信息[5]。基于上述要素信息，從不同成像模式及維度出發(fā)，采集并顯示聽覺傳導(dǎo)通路中的骨質(zhì)、血管、神經(jīng)，以及血流、傳導(dǎo)、壓力、腦功能等不同要素的變化規(guī)律，構(gòu)建基于探測感知信息的多要素關(guān)聯(lián)數(shù)值模型[6]，精準(zhǔn)揭示耳部病癥誘因，有效解決聽覺傳導(dǎo)通路上微小結(jié)構(gòu)與隱匿病變的顯示與分析難題，實現(xiàn)病因“檢可顯，顯可見，見可治”，使搏動性耳鳴病因檢出率由44%躍升至94%，已成為美國制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要參考[7]（圖2）。

圖2 建立搏動性耳鳴的影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷體系模型

針對眼部病癥，基于該理念體系構(gòu)建了面向視覺傳導(dǎo)通路多要素協(xié)同探測感知方法。前視路周圍脂肪豐富，存在明顯的化學(xué)位移偽影，常規(guī)序列不能清晰顯示，而創(chuàng)新性采用冠狀面、薄層、無間隔連續(xù)STIR 全新的掃描技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下不同組織類型眼眶內(nèi)容物的清晰顯示。根據(jù)視路不同節(jié)段的解剖特點，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)了隱匿性損傷定量評估。改進視神經(jīng)管HRCT 掃描/重建技術(shù)，通過冠狀、斜矢狀面多方位重組實現(xiàn)視神經(jīng)管的精準(zhǔn)成像。通過腦池三維快速平衡穩(wěn)態(tài)斜橫斷面成像[8]等技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)眼運動神經(jīng)及其微小分支可視化重現(xiàn)。建立以3D 高分辨率MRI 為基礎(chǔ)的反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列精準(zhǔn)定位外側(cè)膝狀體及體積測量方案[9]，精準(zhǔn)評價視覺結(jié)構(gòu)鏈路中關(guān)鍵節(jié)點的病生理信息。通過系列探測技術(shù)的綜合應(yīng)用，從不同維度解析青光眼、外傷后失明等視力障礙誘因及機理，實現(xiàn)眼科病癥的“可探知、可定位、可解析”，使視力下降、復(fù)視及外傷后失明的病因檢出率分別達到76%、75%和78%，實現(xiàn)低漏診和早發(fā)現(xiàn)，大幅降低失明風(fēng)險[10]。

6 總結(jié)與展望

基于影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷理念，通過多模式探測感知技術(shù)的迭代創(chuàng)新，推動了成像方式多樣化與精準(zhǔn)化發(fā)展；通過多維度信息感知方式，創(chuàng)建以人體器官功能鏈路為基礎(chǔ)的跨時空圖像數(shù)據(jù)解析模式；通過多要素信息關(guān)聯(lián)，串聯(lián)影像數(shù)據(jù)孤島，可顯著提升影像數(shù)據(jù)利用率與臨床診療有效率?？傊鳛樾聲r代的學(xué)科內(nèi)涵，影像多模式與多維度協(xié)同的多要素關(guān)聯(lián)診斷理念應(yīng)更全面、更快速地實現(xiàn)從理論基礎(chǔ)向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，這需要不同學(xué)科、不同背景的臨床與科研工作者密切合作。相信隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)不斷發(fā)展與理論體系的臨床契合，必定會推動早期精準(zhǔn)甄別那些困擾人類健康常見疾病能力的跨越式提升。