許俊 袁晨燕 王萍萍
摘 要:本文介紹了腦影像測量技術(shù)的研究背景,提出了其標(biāo)準(zhǔn)化研究的意義,介紹了腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化的國內(nèi)外研究,圍繞基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)等方面對標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)行了初步構(gòu)建,并提出了在生物醫(yī)藥、醫(yī)療器械、醫(yī)療服務(wù)、健康管理等方面的應(yīng)用。最后對腦影像測量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提出了建議。
關(guān)鍵詞:腦影像,測量,標(biāo)準(zhǔn)體系
DOI編碼:10.3969/j.issn.1002-5944.2023.14.007
0 引 言
大腦是人類最重要的器官,在功能上極具多樣性,理解大腦的結(jié)構(gòu)與功能是21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題。腦科學(xué)研究既對有效診斷和治療腦疾病有重要的臨床意義,還可推動新一代人工智能技術(shù)和新型信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1 研究背景
2021年,中國腦計劃(“腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究計劃”)正式啟動,以“一體兩翼”為結(jié)構(gòu),用以研發(fā)重大腦疾病的治療方法和推動新一代人工智能的發(fā)展。“一體”即以腦認(rèn)知的神經(jīng)原理為基礎(chǔ),理解大腦認(rèn)知功能是怎么來的;“兩翼”即研發(fā)重大腦疾病的診斷和治療方法,形成各類新型醫(yī)療產(chǎn)業(yè);利用腦科學(xué)研究來推動新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展[1]。目標(biāo)在于推動對大腦基本規(guī)律的理解,同時利用神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究成果來滿足一些緊迫的社會需求,比如人民腦健康的改善與新技術(shù)的發(fā)展,將有望利用影像技術(shù)及有關(guān)標(biāo)記物對大腦疾病的各方面進(jìn)行研究,來探索大腦疾病的發(fā)生機(jī)制,最終可以對各類大腦疾病進(jìn)行早期診斷以及干預(yù)。
作為腦科學(xué)三大研究方向之一的腦圖譜技術(shù),以腦認(rèn)知原理為主體,闡述腦功能神經(jīng)環(huán)路的構(gòu)筑和運(yùn)行原理,繪制人腦宏觀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式動物微觀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)性和功能性全景式圖[2]。隨著腦科學(xué)研究的逐步深入,科學(xué)家在腦成像技術(shù)方面提出了更高目標(biāo),重點(diǎn)探索如何將腦組織結(jié)構(gòu)的宏觀、介觀與微觀有機(jī)融合,繪制腦功能連接圖譜,以系統(tǒng)性把握腦組織的結(jié)構(gòu)與功能,開發(fā)并優(yōu)化光、聲、電、磁遺傳學(xué)等非入侵性工具應(yīng)用于神經(jīng)與精神疾病。
在腦圖譜技術(shù)的研究過程中,腦影像測量和數(shù)據(jù)解讀起著至關(guān)重要的作用。腦影像被用來為健康和功能受損(或結(jié)構(gòu)受損)的人腦提供重要見解,它還具有將新的物理發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)化為有效診斷、預(yù)防和治療腦部疾病的潛力。腦影像大數(shù)據(jù)資源的建設(shè)和共享,是我國實(shí)現(xiàn)全民腦智提升和健康的基礎(chǔ)資源。長期以來科學(xué)技術(shù)部、教育部、國家自然科學(xué)基金委員會等通過不同層次項(xiàng)目的部署,支持了腦成像數(shù)據(jù)資源的建設(shè)和研究,特別是在醞釀籌備中國腦計劃的過程中起到了重要的管理和統(tǒng)籌功能。
2 研究意義
探索精準(zhǔn)腦結(jié)構(gòu)和功能成像,既是腦成像技術(shù)的發(fā)展趨勢,也是當(dāng)前國際研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。腦影像測量技術(shù)在成像的分辨率、速度、深度和視場4個方面均取得了重大進(jìn)步,然而,腦影像測量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究還處于各自為營、逐步積累的探索階段。通過腦影像測量的前期技術(shù)成果,進(jìn)行系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)化研究,具有以下重要意義:
(1)規(guī)范操作及數(shù)據(jù)處理方法
目前,國內(nèi)外關(guān)于腦影像采集及數(shù)據(jù)處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少,造成在不同技術(shù)、不同批次、不同實(shí)驗(yàn)室、不同平臺以及不同數(shù)據(jù)分析方法間存在嚴(yán)重的不可復(fù)現(xiàn)性,影響研究結(jié)論的客觀性與真實(shí)性。通過系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)化研究,將極大地規(guī)范腦影像采集及后處理的操作方法,適用于在臨床診斷、醫(yī)療科研工作中使用統(tǒng)一的成像系統(tǒng)掃描技術(shù)和程序,將有助于提高成像的質(zhì)量以及腦影像檢測機(jī)構(gòu)的技術(shù)水平,促進(jìn)腦影像測量數(shù)據(jù)的國內(nèi)外共享互認(rèn)。
(2)有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)醫(yī)療
當(dāng)腦影像成像后,傳統(tǒng)的方法是由資深的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行讀片和診斷,但主觀性較大,容易導(dǎo)致結(jié)果的偏差,通過腦影像測量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究,進(jìn)行特定參數(shù)的設(shè)定,利用精準(zhǔn)測量方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá),能觀察腦組織微結(jié)構(gòu)的生理生化演變進(jìn)程,同時也能夠?qū)颊咝g(shù)后狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評估,評價治療效果和恢復(fù)狀態(tài),有效提高診斷的準(zhǔn)確性和一致性。
(3)有效進(jìn)行健康管理和篩查預(yù)防
通過腦影像測量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究,還能夠用于日常的健康管理,通過定期的腦影像數(shù)據(jù)采集,測量多表型數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)變化趨勢,掌握健康狀況,對異?,F(xiàn)象能夠及時進(jìn)行技術(shù)篩查和采取有效措施。同時利用適當(dāng)?shù)能浖ぞ叻治?、處理測得的不同參數(shù),進(jìn)行如三維建模,獲得數(shù)字化三維解剖模型,有助于術(shù)前方案精準(zhǔn)設(shè)計、模擬手術(shù)操作等,為治療提供了更高效的技術(shù)手段,降低治療風(fēng)險發(fā)生。
3 標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀
3.1 腦影像測量技術(shù)研究
腦影像測量技術(shù)的主要研究方向包括:發(fā)展高通量三維結(jié)構(gòu)與功能成像和樣品處理新技術(shù),以及圖像數(shù)據(jù)處理分析新方法,實(shí)現(xiàn)以細(xì)胞級分辨率對不同生物全腦神經(jīng)元類型、連接與活動的快速定量解析;發(fā)展大范圍、深穿透度的在體高分辨光學(xué)成像等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)清醒和自由活動動物神經(jīng)活動的高時空分辨解析;發(fā)展光電關(guān)聯(lián)等超微成像新技術(shù),實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)突觸等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的超微解析和定量表征[3]。
目前,對腦影像測量技術(shù)主要有:計算機(jī)斷層掃描(CT)、腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、經(jīng)顱磁刺激(TMS)、磁共振成像技術(shù)(MRI)、正電子發(fā)射成像(PET)、功能性近紅外分光光譜成像(fNIRS)、雙光子顯微成像技術(shù)(FHIRM-TPM)等,根據(jù)不同成像技術(shù)的特點(diǎn),可應(yīng)用于不同臨床檢查。
3.2 腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
截至目前,共搜索到國內(nèi)外腦影像測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)269項(xiàng),其中國際及國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)59項(xiàng),國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)210項(xiàng),標(biāo)準(zhǔn)類別統(tǒng)計如表1所示。國內(nèi)210項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中,包含國家標(biāo)準(zhǔn)49項(xiàng)、地方標(biāo)準(zhǔn)25項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)106項(xiàng)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)30項(xiàng),標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量分布統(tǒng)計如表2所示。
3.3 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀分析
(1)標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善
腦影像測量領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)統(tǒng)一,以避免相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)差異,在多個系統(tǒng)平臺之間出現(xiàn)偏差,影響互操作性。然而,腦影像測量領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量不在少數(shù),但是標(biāo)準(zhǔn)研制機(jī)構(gòu)分散于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(IEC、ISO)、國外團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)化組織(IEEE)以及國內(nèi)20多家標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu),使得腦影像測量領(lǐng)域還沒有形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系,各標(biāo)準(zhǔn)間缺乏協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,給腦影像測量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了一定的障礙。
(2)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平更新滯后
隨著腦影像測量技術(shù)的不斷發(fā)展,相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也需要不斷完善和更新。然而,國內(nèi)外在腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的發(fā)展相對滯后,缺乏對先進(jìn)新技術(shù)的跟蹤和支持,超過70%的標(biāo)準(zhǔn)集中于腦影像測量設(shè)備的技術(shù)要求、安全性能的標(biāo)準(zhǔn),涉及健康安全、測試評估、數(shù)據(jù)處理方面的標(biāo)準(zhǔn)相對較少,而且現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)齡普遍超過了5年,無法滿足醫(yī)療市場的需求和科學(xué)研究的應(yīng)用。
(3)國際化接軌有待提升
腦影像測量技術(shù)已成為全球性腦科學(xué)研究的發(fā)展趨勢之一,國際標(biāo)準(zhǔn)化也將是未來的發(fā)展方向。當(dāng)前,我國現(xiàn)行的腦影像測量技術(shù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)大多以等同采標(biāo)或者修改采標(biāo),且國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化率不足50%,無法有效地與國際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)接軌。另外,我國自主研發(fā)的腦影像測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),升級為國際標(biāo)準(zhǔn)的情況較少,導(dǎo)致中國腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域在國際上的影響力和話語權(quán)不足。
(4)標(biāo)準(zhǔn)落地難度較大
為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的落地,需要建立完備的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案,制定具體的操作指南和規(guī)范,建立健康信息技術(shù)的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)體系,加強(qiáng)實(shí)施監(jiān)督和評估。然而,當(dāng)前我國沒有建立相應(yīng)的腦影像測量領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)機(jī)構(gòu),使得標(biāo)準(zhǔn)落地難度大,缺乏有效的實(shí)施方案和資源投入,最終導(dǎo)致該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)無法得到有效應(yīng)用。
(5)信息安全風(fēng)險增加
隨著腦影像測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用,相關(guān)腦科學(xué)信息安全風(fēng)險也在不斷增加,如個人隱私泄露、信息篡改、數(shù)據(jù)泄露等。當(dāng)前,腦影像測量領(lǐng)域缺乏相關(guān)安全信息管理標(biāo)準(zhǔn)的研制,造成市場上缺失有效的管理措施和機(jī)制,導(dǎo)致腦科學(xué)信息安全面臨較大的風(fēng)險。
4 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)
4.1 標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計
為了更好地支撐中國腦計劃的研究,服務(wù)國家腦影像測量技術(shù)的發(fā)展,完善腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化體系,本文結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以及各級標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于腦影像成像的相關(guān)共識,針對腦影像測量領(lǐng)域進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)體系框架設(shè)計,如圖1所示。
腦影像測量體系下設(shè)6個大類,分別為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、其他標(biāo)準(zhǔn),具體說明如下:
——基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn):腦影像測量技術(shù)相關(guān)的術(shù)語與定義、分類和編碼等;
——安全標(biāo)準(zhǔn):腦影像測量過程中涉及的產(chǎn)品安全、環(huán)境安全、健康監(jiān)測、安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和場所安全等;
——產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn):與腦影像測量相關(guān)的儀器設(shè)備(含主體、部件、配件、裝置等)、材料、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、軟件、造影劑、防護(hù)用具、數(shù)據(jù)通信等相關(guān)產(chǎn)品;
——方法標(biāo)準(zhǔn):腦影像測量方法(可包括影像采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果報告等相關(guān)內(nèi)容)、質(zhì)量控制要求(可包括測量方法質(zhì)量控制要求、設(shè)備核查要求和方法)等;
——管理類標(biāo)準(zhǔn):腦影像測量數(shù)據(jù)在采集、分析、存儲、傳輸、共享過程中的管理,相關(guān)管理軟件的規(guī)范要求,涉及測量技術(shù)人員的專業(yè)教育管理、相關(guān)檢驗(yàn)操作的培訓(xùn)等;
——其他標(biāo)準(zhǔn):包括報告規(guī)范格式、測量機(jī)構(gòu)建設(shè)要求等。
4.2 標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用
(1)生物醫(yī)藥研制
通過腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè),可以更好地為“健康中國”這一戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。利用標(biāo)準(zhǔn)化的腦影像測量技術(shù),可獲取人腦特定區(qū)域的功能映射圖,進(jìn)行術(shù)前功能定位,為整個臨床治療方案的制定提供參考依據(jù),同時利用分子影像技術(shù)測量出人體疾病過程中細(xì)胞核分子水平的變化,有助于評價藥物療效、藥品的研制,同時起到連接分子生物學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁作用。
(2)醫(yī)療器械開發(fā)
通過腦影像測量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究,能夠獲取更多、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù),便于利用數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析、處理,能夠全面、準(zhǔn)確地了解人體微觀的、宏觀結(jié)構(gòu)和身體狀況,結(jié)合診療需求,設(shè)計開發(fā)出更安全、可靠的醫(yī)療器械產(chǎn)品,如治療輔助設(shè)備等,開發(fā)具備大視場和高時空分辨率的技術(shù)和儀器[4]。在空間尺度上,成像從幾十微米大小的亞微米突觸和神經(jīng)元跨越到幾毫米寬的大腦;在時間尺度上,幀獲取的速度高于所使用的熒光蛋白探針的響應(yīng)速率。
(3)醫(yī)療服務(wù)提升
通過腦影像檢測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究,將進(jìn)一步明確操作流程和信息界定,確保腦影像檢測數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一,有助于開發(fā)AI智能軟件,提高腦影像數(shù)據(jù)處理效率,減少因經(jīng)驗(yàn)不足造成的人為誤差;有助于開發(fā)信息化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和搭建信息化平臺,有效管理腦影像數(shù)據(jù)、提高數(shù)據(jù)的共享利用[5-7 ];同時打破地域技術(shù)交流障礙,有效推動遠(yuǎn)程監(jiān)測和云診斷等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,爭取診治時間,減輕費(fèi)用負(fù)擔(dān)[8]。
(4)健康管理拓展
通過腦影像測量標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)研究,不僅有助于人們獲取更為可靠、精準(zhǔn)的健康狀況,更有利于了解未來的健康走勢。通過規(guī)范化的測量技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理,結(jié)合以往的數(shù)據(jù)歷史,通過人工智能可以預(yù)測個人的未來健康發(fā)展趨勢[9]。針對個人的生活習(xí)慣、行為習(xí)慣、飲食習(xí)慣、心理狀態(tài)、預(yù)防保健、藥物干預(yù)等方面,開展?jié)u進(jìn)式全方位的健康管理,針對性地開出健康處方,實(shí)現(xiàn)健康由被動式管理向自我管理的轉(zhuǎn)變,接受全生命周期的健康管理服務(wù)。
5 發(fā)展建議
中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》提出要引導(dǎo)發(fā)展專業(yè)的醫(yī)療影像中心,推進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)影像診斷和引導(dǎo)治療,構(gòu)建高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療臨床數(shù)據(jù)庫聚焦精準(zhǔn)化、智能化、臨床化、院前化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向,最大限度發(fā)揮影像測量技術(shù)在“健康中國”中的作用[10-12]?;趪覒?zhàn)略和規(guī)劃要求,腦影像測量技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究可從以下5個方面開展:
(1)影像研究智能化
“人工智能+醫(yī)學(xué)影像”,是將目前最先進(jìn)的人工智能技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像診斷中,幫助醫(yī)生診斷患者病情的人工智能具體應(yīng)用場景。基于深度學(xué)習(xí)的人工智能影像分析技術(shù)通過廣泛的圖像訓(xùn)練,從底層提取特征,能夠?qū)崿F(xiàn)對更加多樣化的腦影像表現(xiàn)識別并不斷自動優(yōu)化,在腦影像分析領(lǐng)域能夠高效地處理和分析影像速度,快速給出輔助判斷結(jié)果,降低篩檢中的漏診,填補(bǔ)醫(yī)技間鴻溝,提高基層檢查質(zhì)量。
(2)醫(yī)療診斷精準(zhǔn)化
精準(zhǔn)醫(yī)療,影像先行。影像的作用更加靠前、更加深入、更加多維、更加強(qiáng)大,也更加精準(zhǔn)。在外科方面,促使醫(yī)生精準(zhǔn)制定治療計劃,模擬手術(shù)、導(dǎo)航、路演和教學(xué);在內(nèi)科方面,基于形態(tài)學(xué)、定量學(xué)、功能學(xué)、組學(xué)和人工智能的評價,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確診斷,精準(zhǔn)化療和療效評價等;在放療方面,精準(zhǔn)勾畫靶區(qū),實(shí)現(xiàn)實(shí)時、高速、精確、高效的放療效果;在預(yù)測方面,精準(zhǔn)預(yù)測基因突變、良惡性、侵襲性、治療效果和預(yù)后等信息。
(3)影像應(yīng)用院前化
腦影像要主動從院內(nèi)向院前院外延伸,從被動醫(yī)療轉(zhuǎn)向主動醫(yī)療。院前化的前提是腦影像資源互認(rèn)。通過互認(rèn)共享,進(jìn)行跨院預(yù)約檢查服務(wù),打通檢前一公里和檢后一公里,構(gòu)建腦影像的服務(wù)閉環(huán),將監(jiān)測、檢測、早診早治、規(guī)范化治療等建議貫穿四類重大慢病防治行動,策略上從“治已病”向“治未病”轉(zhuǎn)變,充分發(fā)揮腦影像測量技術(shù)在疾病預(yù)防和早篩早診中的作用。
(4)數(shù)據(jù)利用高效化
通過腦影像測量數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)研究,將圍繞“數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享”等3個研究階段,進(jìn)行腦影像數(shù)據(jù)的全方位質(zhì)量控制,提升腦數(shù)據(jù)的“準(zhǔn)確性、溯源性、一致性”[13],引領(lǐng)全維度腦影像測量技術(shù)的全面提升,深度挖掘腦功能、結(jié)構(gòu)、代謝等信號,揭示腦信息生成與處理機(jī)制,促進(jìn)腦科學(xué)研究的系統(tǒng)思維設(shè)計,支持腦測量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。
(5)數(shù)據(jù)共享安全化
通過腦影像數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的研究,運(yùn)用“合規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)”“倫理核驗(yàn)”“脫敏/ 去標(biāo)識化/ 匿名化”“可信共享技術(shù)”等手段,使腦科學(xué)研究擁有合法、合規(guī)地進(jìn)行跨單位匯交的平臺,有效解決數(shù)據(jù)存儲和安全分享的問題。通過使用分類分級共享、管理員科研回避、安全科研協(xié)議、安全技術(shù)環(huán)境等管理和技術(shù)方案,為科研人員創(chuàng)造聯(lián)合科研的安全共享平臺。
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作者簡介
許俊,碩士研究生,高級工程師,研究方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化。
(責(zé)任編輯:張瑞洋)