项目PI专访——理查德·普拉格教授
发布时间:2021-05-07浏览量:245

自从1895年伦琴(Roentgen)意外发现X射线以来,临床医生采用了众多技术来探查人体内部,而无需进行外科手术或其他侵入性手术。经过100多年的发展,医学成像已成为现代医学诊断的重要组成部分。包括X射线成像,磁共振成像,超声成像和核医学成像在内的一系列技术已凸显出其价值。超声成像因为其非侵入性,低成本,以及安全便捷的特点而被广泛使用。然而,理查德·普拉格(Richard Prager)教授认为它尚未充分发挥其潜力。


理查德·普拉格教授是剑桥大学工程系主任。最近,他向我们介绍了超声成像以及将如何在中心进行新技术研发,同时也介绍了与阮义(Nghia Nguyen)博士共同研究的“多模式和混合3D超声/光声成像系统”项目,该项目旨在设计和开发用于下一代医学超声成像系统的新型重建方法。



在八十年代于剑桥大学攻读博士学位期间,普拉格教授专注于使用神经网络算法进行自动语音识别。当时他认识到这些技术在一系列模式识别任务中的潜力,因此将其应用于医学。此后,他专注于超声成像研究,从工程角度提高成像分辨率。他在freehand 3D超声系统Stradx和Stradwin的开发工作展现了3D超声在临床诊断和治疗中的部分潜力。为了表彰他在3D超声方面的工作和工程教育方面的贡献,英国皇家工程院于2017年将他选为该院院士。


新项目分为两个部分。其首要目的是促进采用3D超声成像的使用。第二部分将探索一种基于“光声”的新型成像技术的潜力。


3D超声成像


该部分采用了此前在剑桥研发的技术,并与来自江苏的临床超声设备制造商飞依诺合作评估了其在临床环境中的使用。由阮博士和普拉格教授开发的新型波束成形算法提供了一种软件技术,可以提高低成本超声扫描设备的分辨率和对比度,从而使更多的患者受益于超声诊断。


一般而言,当前的医学超声扫描仪可创建2D图像,即穿过人体的虚拟切片。3D临床超声意味着临床医生可以看到患者整个肝脏或其他器官,得到全新的视野,从而更好更快地进行诊断。其他成像技术(例如X射线计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI))也已实现,但它们需要更昂贵的设备,而使用CT会产生电离辐射给患者带来更大的风险。3D超声成像将超声成像的优点(便宜,安全,快速和便携)与更昂贵设备的诊断能力结合在了一起。许多人可以从这种改进中受益,例如,人们可以在本地的社区诊所而不是大型(且昂贵)的医院进行检查。通过对工作人员进行适当的培训,在欠发达地区和国家的诊所也可以进行检查。将智能软件(例如“基于相干像素的波束形成算法”)与可靠的低成本硬件相结合是成功的第一步。


混合光声成像


光声成像使用复杂的信号处理技术来分析细胞吸收短激光脉冲时产生的微小声音。该声音十分轻微,需要复杂的模型来解析声音在人体中的传播。该项目与本地大学合作,将模拟这种新型医学图像扫描设备,以探索这种方法的潜力。



普拉格教授描述了混合成像方法的目标,该方法结合了光声成像和超声成像的优点。传统的超声成像基于回声扫描,利用超声的反射或散射。 超声波可以在软的生物组织中传播很长的距离。 这样就可以得到人体内部解剖结构的高精图像。换句话说,它们可以提供扫描对象的形状,大小和位置的准确信息。但是,该方法无法提供其他重要信息,例如组织的生化特性或血液中的氧气含量。光学技术可以提供这些信息,但仅限于皮肤附近的组织,除非使用侵入性操作。


混合方法旨在单次测试中提供结合结构,运动和生化成分的图像。普拉格教授对其潜力进行了描述:“中心正在研究的混合光声/超声成像系统可能比其他功能成像方法能够提供更深的穿透力或更高的分辨率;它可以同时提供高分辨率的解剖学/功能图像,并显示体内组织机械特性的变化”。



“用于超声和光声成像的换能器也很容易集成,从而降低了结合这两种技术的成本。混合方法可用于癌症检测和神经科学等领域。”


当前有很多推测表示人工智能,特别是机器学习,可以对医学做出重大贡献。普拉格教授认为:某些发展可能会深刻改变临床实践,但这取决于医生与技术之间的复杂关系。技术为医生提供支持,而不是取代他们。医生必须先了解该技术,然后才能对其信任。目前尚不清楚这种信任将如何发展。


建立关系


普拉格教授强调了关系在工程研究各个方面的重要性。他长期倡导合作,描述了科学研究与产业创新之间富有成效的关系的本质,即沟通,信任和时间。“信任只能随着时间的流逝而建立,因此长期的关系往往更可靠,更有效率。”


普拉格教授以剑桥大学工程系为例,描述了与罗尔斯-罗伊斯和三菱重工等重要公司的长期合作关系。这种伙伴关系使研究人员能够解决行业面临的紧迫问题,并从事长期的基础研究;“有效的产学互动需要围绕具有直接应用价值和长期效益的学术研究来建立,这两者可以结合在一起。”


中心的超声项目遵循了这种行之有效的方法。项目将与本地企业合作,解决当下需求,并改善现有的医疗设备。从长远来看,中心将与南京的高校合作开发临床成像的新方法。


使用这些新技术的商业产品既可以改善临床治疗,又可以为本地提供经济效益。新技术只有通过与临床实践合作,才能带来临床益处。普拉格教授总结说:“根据我的经验,与行业和其他用户保持良好关系的研究小组通常能够进行高质量的研究。”


项目的前期成果令人鼓舞。与南京大学共同合作,对光声-超声混合成像技术进行的初步研究成果已发表在光学领域权威期刊《光学快报》上。超声设备制造商飞依诺科技(苏州)有限公司正在试用普拉格教授和阮博士开发的算法。


除了与阮博士合作研究该项目外,自中心成立伊始,普拉格教授就一直深度参与中心管理,他对中心的模式充满信心。剑桥和南京的关系建立在信任之上,这是中心开展高质量科学研究和产业创新的基础。”