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

張 鵬 王 爭(zhēng) 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(gè)人簡(jiǎn)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(zhǎng)，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(lái)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(shí)代。王振常教授長(zhǎng)期致力于頭頸部疾病影像信息領(lǐng)域研究，迎合信息時(shí)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(tái)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(kāi)創(chuàng)性成果，將我國(guó)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(guó)際領(lǐng)先行列。

曾獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。主持制定影像行業(yè)規(guī)范6部，組織國(guó)內(nèi)外期刊重點(diǎn)專(zhuān)題18期。發(fā)表論文396篇；獲授權(quán)專(zhuān)利5項(xiàng)。主編全國(guó)統(tǒng)編教材8部/11版、專(zhuān)著18部/19版，國(guó)際發(fā)行1部。入選北京學(xué)者、國(guó)家百千萬(wàn)人才工程、北京高創(chuàng)計(jì)劃-杰出人才、北京市衛(wèi)生發(fā)展-使命計(jì)劃、北京戰(zhàn)略人才團(tuán)隊(duì)等，全國(guó)優(yōu)秀科技工作者，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)、國(guó)家人力資源和社會(huì)保障局、北京市政府“突出貢獻(xiàn)”專(zhuān)家，獲國(guó)務(wù)院特殊津貼。

先后創(chuàng)立中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)影像分會(huì)、中國(guó)救援醫(yī)學(xué)會(huì)影像分會(huì)、中國(guó)民族衛(wèi)生協(xié)會(huì)影像分會(huì)并擔(dān)任首任會(huì)長(zhǎng)，創(chuàng)建中華放射學(xué)分會(huì)頭頸專(zhuān)委會(huì)并任主委；目前還擔(dān)任中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)放射醫(yī)師分會(huì)會(huì)長(zhǎng)、北京醫(yī)學(xué)會(huì)放射學(xué)分會(huì)主委等。

作為隊(duì)長(zhǎng)，帶領(lǐng)北京醫(yī)療隊(duì)赴西藏那曲地區(qū)人民醫(yī)院進(jìn)行醫(yī)療援助工作一年，帶領(lǐng)國(guó)家埃博拉防控組及援非醫(yī)療隊(duì)赴西非幾內(nèi)亞開(kāi)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(guó)勛章(圖2)。作為北京市新型冠狀病毒肺炎(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新冠肺炎)救治專(zhuān)家組核心成員及影像組組長(zhǎng)全程參與新冠肺炎防控工作。

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

2 主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

2.1 鉆堅(jiān)研微

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

搏動(dòng)性耳鳴是耳科重大疾病，人群發(fā)病率高，我國(guó)約有1 000萬(wàn)罹患人群，嚴(yán)重影響患者身心健康。搏動(dòng)性耳鳴的治療關(guān)鍵在于明確致鳴因素，王振常教授針對(duì)此關(guān)鍵臨床問(wèn)題，提出兩個(gè)解決方案：①基于瞬時(shí)分離影像信息采集原理，率先提出“一站式”顳骨雙期增強(qiáng)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(shí)顯示骨質(zhì)、動(dòng)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(bǔ)了搏動(dòng)性耳鳴國(guó)際推薦檢查方案缺陷[3]。②針對(duì)搏動(dòng)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(dòng)性耳鳴二維血流信息評(píng)價(jià)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(guó)際首次提出并報(bào)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(jī)制假說(shuō)的創(chuàng)新性提出奠定了深厚基礎(chǔ)。

規(guī)范搏動(dòng)性耳鳴影像信息采集標(biāo)準(zhǔn)后，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十年積淀：①構(gòu)建了基于影像信息鏈的國(guó)際最大樣本多中心搏動(dòng)性耳鳴數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)體模型，證實(shí)血流是噪聲產(chǎn)生的根源，血管形態(tài)和機(jī)體狀態(tài)改變是異常血流的來(lái)源，血管周?chē)琴|(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(shí)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(dòng)性耳鳴腦中樞化”重要理念并構(gòu)建模型證實(shí)腦活動(dòng)是耳鳴感知的基礎(chǔ)[7]，揭示了聽(tīng)覺(jué)、默認(rèn)、視覺(jué)、執(zhí)行控制、邊緣系統(tǒng)等多個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)協(xié)同特點(diǎn)[8]，發(fā)現(xiàn)了腦中樞化進(jìn)程中功能重塑先于解剖重塑的規(guī)律，病程大于48個(gè)月是解剖重塑發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)[9]。通過(guò)深度挖掘上述影像信息，提出“血流-骨質(zhì)-傳導(dǎo)-腦活動(dòng)多因素聯(lián)動(dòng)”的全鏈條致鳴機(jī)制假說(shuō)(圖3)。

圖3 搏動(dòng)性耳鳴多因素聯(lián)動(dòng)致鳴學(xué)說(shuō)

團(tuán)隊(duì)結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描、相位對(duì)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(yàn)證不同致鳴因素聯(lián)動(dòng)關(guān)系及權(quán)重，采用多變量分析與機(jī)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(píng)價(jià)系統(tǒng)[10]，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化致病因素風(fēng)險(xiǎn)分析、治療策略效能評(píng)估、中長(zhǎng)期預(yù)后效果預(yù)測(cè)，使手術(shù)治療有效率達(dá)83.0%，將致鳴因素“視而可見(jiàn)”，真正實(shí)現(xiàn)了搏動(dòng)性耳鳴個(gè)性化有效治療[10]。

圖4 基于影像信息鏈的搏動(dòng)性耳鳴多層次生物力學(xué)驗(yàn)證模型

系列創(chuàng)新成果開(kāi)辟了多元影像信息主導(dǎo)的疾病發(fā)病機(jī)制研究新格局，團(tuán)隊(duì)以搏動(dòng)性耳鳴為主題發(fā)表的論文在Pubmed數(shù)據(jù)庫(kù)占16%、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)唯一耳鳴診療中心，制定了我國(guó)首個(gè)“搏動(dòng)性耳鳴影像學(xué)檢查方法與路徑指南”[3]。同時(shí)團(tuán)隊(duì)所提出的雙期增強(qiáng)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(xiě)了美國(guó)放射學(xué)院制定全美使用的搏動(dòng)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(tuán)隊(duì)。

2.2 深耕細(xì)作

充分挖掘多模影像信息特征，利用優(yōu)勢(shì)算法與智能分析模型，推動(dòng)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(tái)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(duì)獨(dú)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(duì)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(jué)傳輸鏈路，建立了我國(guó)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(diǎn)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(kù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立基于影像信息鏈平臺(tái)的學(xué)科疾病分類(lèi)評(píng)估體系與癥狀導(dǎo)向性影像偵查策略，闡明常見(jiàn)神經(jīng)眼科疾病與神經(jīng)損害的內(nèi)在聯(lián)系。

團(tuán)隊(duì)圍繞視覺(jué)通路開(kāi)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(duì)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(dòng)分割技術(shù)對(duì)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(zhǎng)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(duì)視路病變微小特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于短時(shí)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(diǎn)，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(jì)出適用于不同部位的白質(zhì)纖維束示蹤及定量測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全視路多參數(shù)定量分析(FA值、MD值、λ⊥值、λ∥值)，開(kāi)創(chuàng)了隱匿性損傷定量評(píng)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(kāi)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(dá)90%以上，為及時(shí)行視神經(jīng)管開(kāi)放減壓術(shù)提供了客觀依據(jù)[20-23]。團(tuán)隊(duì)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(guò)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(dá)76.5%，復(fù)視/斜視病因檢出率達(dá)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(diǎn)與新技術(shù)創(chuàng)建了我國(guó)首個(gè)基于影像信息鏈的臨床診療與決策體系，主持制定我國(guó)首部具有行業(yè)指南性的《頭頸部疾病指南》[26]并在全國(guó)普遍推廣，首次實(shí)現(xiàn)專(zhuān)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(jìn)步一等獎(jiǎng)。

2.3 匠心獨(dú)運(yùn)

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

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)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(jìn)程下游取得了系列成果，但數(shù)據(jù)進(jìn)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，并對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖。王振常教授與國(guó)內(nèi)儀器廠(chǎng)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(tuán)隊(duì)，旨在突破高端影像信息設(shè)備對(duì)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(guó)獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的高端影像信息采集設(shè)備。

團(tuán)隊(duì)圍繞設(shè)備硬件系統(tǒng)與軟件模塊進(jìn)行了技術(shù)難題重點(diǎn)攻關(guān)。①硬件系統(tǒng)方面，自主研制小焦點(diǎn)、大功率X線(xiàn)發(fā)生器，突破制約影像數(shù)據(jù)獲取精細(xì)性的硬件難題，提出油箱和球管分離的分體式機(jī)頭物理設(shè)計(jì)，建立比例-積分-微分反饋控制模型并突破當(dāng)前小焦點(diǎn)與大功率不能同時(shí)滿(mǎn)足的技術(shù)極限，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)尺寸0.3 mm、額定管電壓達(dá)120 kV、額定功率達(dá)1 000 W 的硬件設(shè)備集成，三項(xiàng)核心指標(biāo)技術(shù)水平處于國(guó)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(jué)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)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(guò)系列技術(shù)突破，成功研制并實(shí)裝世界首臺(tái)具有自主產(chǎn)權(quán)的智能化微米級(jí)臨床耳科影像信息采集設(shè)備(圖7)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)成像空間分辨力在X-Y-Z三個(gè)方向均高達(dá)4.0 lp/mm，最小體素達(dá)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(xì)解剖結(jié)構(gòu)與微小病變的影像顯示能力提升至微米級(jí)(圖8)，達(dá)國(guó)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(lái)巨大變革。

圖7 臨床耳科微米級(jí)影像信息采集設(shè)備

圖8 臨床耳科微米級(jí)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(xiàn)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(duì)長(zhǎng)醫(yī)療支援海拔4 500 m草木不長(zhǎng)的藏族地區(qū)，從49歲臨危受命帶領(lǐng)國(guó)家醫(yī)療隊(duì)遠(yuǎn)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(zhuān)家組核心成員參與新冠疫情一線(xiàn)防控工作，他始終踐行不畏挑戰(zhàn)與甘于奉獻(xiàn)的職業(yè)精神。這份對(duì)職業(yè)精神的堅(jiān)守讓他不斷挑戰(zhàn)并攻克一個(gè)個(gè)“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(jiān)守，他時(shí)常教導(dǎo)學(xué)生們：“不怵新環(huán)境，迎接新挑戰(zhàn)。平臺(tái)不一樣，人的眼界就不一樣，對(duì)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(xiàn)的精神，為我國(guó)影像信息領(lǐng)域在鴻蒙初辟的大數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)未來(lái)充滿(mǎn)了信心與希望，祝愿首都醫(yī)科大學(xué)承前啟后、繼往開(kāi)來(lái)、再創(chuàng)輝煌！