重新审视医疗处理技术的未来

　　5年前，作者在一篇题为“医疗成像的未来”的文章中发表了他们对于医疗成像未来发展趋势的看法。现在，这篇文章将回顾这些对未来的展望，来仔细想一想那些已经发生的变化，并重新审视医疗处理技术的未来。

　　医疗领域未来发展的主要推动力仍然与5年前一样：实现个性化的医疗保健。不出所料，在这个方面已经取得了一些进展，其进展速度要超过预期，其原因主要是由于手机等智能硬件和应用程序以及云端等技术发展迅猛。

　　另外一个仍在不断向前发展的趋势就是医疗保健已经从面向诊断和治疗转向预防，与此同时，这三个领域也在不断地改进与提高。可从云端获得的大量医疗数据为这项工作提供了帮助，但是受到了合法性以及共享医疗信息处理，还有从如此大量的数据中获取有用信息的能力的限制。与往常一样，技术将使用运行高级分析、针对工作量进行优化的服务器为数据分析以及把有用信息发送给个人云端做好准备，从而推动医疗保健向着预防性（或者成为“可预期”）医疗的方向发展。

　　个性化和高精度器件

　　随着技术的进步，有一个全新的观点在增强技术系统的运转能力。Clifford Dacso医生，德州休斯顿Baylor医学院的教授和研究员，给出了如下表述：“在描述医学时，人们主要持四种观点：1）认为治疗有所帮助，而又没有副作用，2）认为治疗有帮助，但是有副作用，3）认为治疗无用，但是也没有副作用，4）认为治疗无用，又有副作用。到了该使医疗个性化的时候了。 ”

　　Dacso医生所指出的是一个长期存在的医疗传统，为了便于管理，将病人分组，每组的治疗方法都是一样的，而不是把每个病人视为单独的个体，在治疗时也是如此。与很多这个领域的预言家一样，Dacso医生相信个性化医疗的变革正在到来，而这将带来巨大的优势。

　　他还说到：“我们都会在某一天死于一种慢性病。这意味着我们或者完全消除这场灾难性的疾病，或者使它们变成慢性病。”所以，不但应该因人施救，而且医疗也将从治疗慢性病向预防慢性病的产生或者至少预防这些慢性疾病的急性发作方面转化。

　　这个预见性看法的关键一个方面就是增加医疗的准确性。Emad Ebbini医生，明尼苏达大学电气和计算机工程教授，国际治疗超声学会主席，相信：“高精度将带来安全和高效的方法，”所以，能够实现医疗个性化的技术也会使医疗更加精确。准确度将使治疗更加安全，更加连贯，成本也更低，与此同时，能够更加广阔地覆盖到我们全社会的各个角落。

　　技术更新换代

　　从上一篇文章的发表到现在，在技术领域已经发生了很多的变革。三个价值指标：即性能、价格和功耗都已经有了很大的发展。以智能手机和平板电脑的形式所提供的功能强大的计算机随身携带，几乎从不离身。另一方面，云计算将这些设备连接在一起，并提高了它们的性能，明显改变了我们对医学和医疗成像的看法。

　　智能硬件

　　我们随身携带的计算机的作用已经越来越多，不再仅仅是一部电话、一台照相机或者是音乐播放器了。应用程序可实现游戏、投资追踪、饮食管理和搜集生命体征信号。而这仅仅是开始。

　　云计算

　　云计算已经出现很多年了，但在之前它被称作互联网。现在，它的范围和功能已经大大扩展，随处可见、无处不在。这是一种生活的方式。将我们与云端的接口（比如说智能手机等）遗忘在家里会给我们的生活带来不少麻烦。

　　大杂烩和云端

　　全新的趋势是将所有东西都与云端相连接，无一例外，而不仅仅是智能手机。所有类型的传感器（甚至是医疗传感器）也可被连接到云端上，而也会出现微云端。智能手机在受到较大云端控制的同时也可以控制很多智能传感器。智能手机成为个性化的微云端，而较大的云端也许就成为了家庭、汽车、咖啡店或者办公室内使用的云端。当然，所有这些都通过更多的云端彼此连接在一起。云端周围的“大杂烩”与图1中显示的云端周围的“集群”概念相类似，但是这个术语更加正面和积极，这是因为它可被用来将所有类型的有用物件都连接至云端，从而实现个性化健康的无限前景。

　　

　　图1.云端周围的集群。

　　联网住宅

　　集群和云端使我们可以用目前只在医院和诊所才能看到的很多诊断工具来为住所提供设备和器械。将不间断地监视生命体征，而健康的其它方面也处于持续的详细观察之下。随着云端和集群普遍地渗入到我们的生活当中，住所以外的健康监视的中断和差异也将被缓解。监视将成为一个连续不断的活动，不论人们走到哪里，它都伴随左右。借助这项触手可及的技术所带来的全部优势，医生的意见开始变得不那么重要了。而第一诊断就是这项技术持续监视生命体征和其它健康方面。而这条提供给医生的第一诊断使得医生能够更好更早地给出意见，这样的话，目的就不是治疗疾病，而是去预防疾病的发生，这又与之前提到的预防性医学的发展趋势紧密结合在一起。

　　由于把不断采集个人数据的即将广泛应用的传感器与用于数据分析的高级算法和计算能力组合在一起，技术将能够给出第一诊断。

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　　本文选自4月份《智能硬件特刊》，更多原厂热文可进入特刊详情页面下载浏览！

　　

　　技术内的分析

　　视觉研究中一个不断向前发展的领域就是看懂人类：他们在干什么、他们的感觉怎么样、他们的目的是什么等。虽然这项研究在安全、零售、汽车和其它领域有着巨大的发展潜能，但它也在个性化医疗的未来发展中扮演着很重要的角色。

　　想象一下，一个住所配备了数百个小型、廉价、高功效传感器，而这些传感器全都连接到一个处理机器上。这个计算引擎可以是一部智能手机、家用计算机或者是一个远程连接，所有的处理都在其它地方完成。我们暂时将它称为一个私人云端。

　　一个私人云端将从家用传感器网络中获得信息，并且运行高级分析算法，对数据进行分析。来自视觉传感器的数据将在人员检测和分割，动作识别，到面部、头部和眼睛跟踪等应用中使用。

　　5年前，作者描述了一项技术，在住所中，当有人摔倒或者甚至当某个人开始步履蹒跚时，这项技术就能够感测到。与这些功能一样有用的是，在赋予处理来自视觉、声音和生物识别传感器的数据的功能时，它们实现起来是十分简单的。个人云端将能够注意到随时间推移而逐渐形成的细微变化，并且在适当的时候提醒人们或是他们的医生。例如，它可以检测到能量水平的变化，并将它与特定的事件关联起来—也许是药物的变化或者是某一餐中饮食的变化。它甚至可以绘制你的情绪图表，也许会或者不会帮助你避免那些在医疗方面对你并不是最有利的特定活动（或遇到某个人）。

　　这听起来好像这项技术离我们还很远，但是5年前我们在历史上还从未看到一款消费类设备如此的大卖：微软的Kinect2。运动感测输入设备通过理解手势和身体位置的含义使家庭游戏发生了根本性的变化。除了游戏，3D成像也被一家名为Mantis-Vision的公司用来捕捉3D中的空间3。例如，一旦被捕捉，就可以在警察局电子重建犯罪现场。随着这项技术在今天已经变成现实，我们可以想象一下，用数十个或者数百个传感器采集这种类型的数据，并将这些数据附加到私人云端上。其中的可能性已经远远超过这篇白皮书所能够预见到的范围。随着在云端中采集到所有这些数据，并将它们精简为有用的信息，医生就可以询问不同种类的问题：那些根据这新信息提出的问题。在某些情况下，医生在诊断时将不再需要向病人询问相关情况，这是因为个人技术所采集到的信息对于医生的诊断已经足够了。

　　云端对于医疗的一个贡献就是将护理人员与与看护的病人分离开来。在使用云端时，护理人员没有必要与被看护的病人住在一起。他们可以住在另外的住所、城镇或省份内，而他们仍然能够在被看护人单独居住时了解病人的情况。例如，虚拟住所呼叫已经在全世界范围内使用。虚拟住所呼叫具有一定的优势，特别是对于那些医生数量较少的地区，更不用说那些可以进行远程医疗的地区了。而这一切所必需的就是医生和病人要能够访问云端。

　　除了虚拟住所呼叫，下一步可能就是远程外科手术。而在外科手术中，技术恰恰能够满足它的其中一项最高性能处理要求。对于外科医生与病人之间的极低延迟（拖延）的要求，准确手术所必需的高精度图像处理要求，以及对无障碍沟通的需要是参与此项技术的专业人士经常谈到的内容（病人更是如此）。

　　

　　图2. 虚拟医疗的未来发展也许是远程外科手术。

　　这一切听起来就好像是科幻小说一样，但是却与电话领域取得的技术进步使视频通话成为主流有可比之处。诸如SkypeTM和FacetimeTM的视频通信系统已经使视频会议变得再普通不过了。不久之前，视频会议还为企业人群所专享，即使在那个时候，也不是很好用—建立连接很困难、视频画面质量差、延迟过大、说话含糊不清会严重影响通话质量，并且系统的智能性不高，不知道将摄像头指向谁或指向何处。这种使用体验看起来已经一去不复返了，大多数人宁愿进行视频通话，也不用传统的音频通话，并且他们一点儿都不担心视频通话的质量。不用太久，在整个医疗领域内，对于远程手术或虚拟住所呼叫的顾虑也就不复存在了。

　　超低功耗

　　除了处理需求，超低功耗 （ULP） 器件领域内的技术也已经得到提升。ULP领域内的一个主要研究示例就是MIT的Anantha Chandrakasan博士和他的学生们所进行的一项工作。他们用体温支持器件的运行4，从而展现出他们在ULP处理器方面的创造能力，并向我们展示了如何利用加速器进行超低功耗处理5以及从生物源中采集能量。MIT在推动ULP技术发展方面并不孤单。另外值得一提的是，一家名为Rainbow Medical7的风投公司所推动的研究工作，这家公司在以色列为新技术的开发和基于这项技术的医疗设备提供资金支持。这些技术开发中的其中一项就是使身体能够产生植入技术持续运行所需的能量。他们都属于医疗技术的创造和使用范畴。

　　ULP的一项早期用途就是恢复盲人的视力。十多年前，当Mark Humayun医生与他的团队在约翰霍普金斯大学梦想着有一天能够开发出一种帮助盲人恢复视力的技术时，德州仪器 （TI） 的几名创新者开始与Mark Humayun博士接洽。目前，在南加州大学，Humayun医生和他的团队已经为那些患有视网膜色素病变和黄斑病变的病人提出了经认可的治疗方法。下面的内容引用自James Weiland医生对于研究团队所取得的成功的评价：

　　“正如论文中描述的那样，FDA批准的商业植入具有60像素。在研究方面，我们已经用240像素测试了整个系统，现在正在研究具有1000像素的系统，但是这些系统还不能在病身上使用。为了改进病人的整体表现，我们可以采用外部摄像头处理系统来优化我们提供给病人的信息。我们已经表明的是，机器视觉可以识别一个无障碍路径（通过使用立体视觉），并表明我们可以检测和识别列表中的物体。”

　　这是一条很有力的陈述。通过使用机器视觉，之前失明的病患现在可以具有60像素的视觉，在未来也许能够提高到1000像素。这真是太神奇了。

　　另外一个使用不同技术、成本向量的示例来自一家名为CNOGA的以色列公司。它的技术使用视频摄像头，非侵入式地测量生命体征和生物标志物，诸如血压、脉搏、血氧量和二氧化碳含量、血色素或者血糖水平。只通过关注使用人员的皮肤或者内部毛细管组织来形成实时的彩色组织摄影即可实现这一功能。这项技术的未来应用可以形成对于癌症和慢性破坏性肺部疾病的非侵入式生物标志识别诊断方法。

　　通过与Yosef Segman医生，CNOGA公司的CEO的详谈，它的功能范围似乎还未被完全开发出来。而这项技术在家庭和社区中的应用也是早晚的事情。这项技术的应用将使老年人的生活更加健康和舒适，最终通过无处不在的非侵入式监视使人们可以在家中安享舒适地度过生命的最后一段日子。

　　的确，这一切听起来像科幻小说中的情节，但是它正在发生着，并在我们的日常生活中变得越来越真实。在刚播出不久就很悲催地被砍掉的电视节目“萤火虫，”中，一个角色曾经谈到，“这听起来就像科幻小说中的东西。”他的妻子回答道，“亲爱的，你住在太空船中。”这就是医疗进步已经实现的内容。未来听起来像科幻小说，但是每天的进步却证明事实并非如此。

　　应用程序

　　不论任何人，只要他已经下载了计算卡路里、锻炼追踪或者监视睡眠的应用程序，那么他就能够看到医疗在过去5年间已经变得多么个性化。

　　

　　图3. 跟踪个人健康指标的应用程序是实现个性化健康技术的关键

　　这些应用程序只是个性化医疗保健革命的第一步。目前提供的大多数应用程序用于追踪、监视和采集信息。现在有用医疗应用程序的数量十分惊人，这也催生出几个网站帮助管理和指引所有这些应用程序。网站iMedicalApps称自己为移动医疗方面的领先医生发布，并且每周给出已发布的知名医疗应用程序。在一个近期的列表中，这个网站回顾了应用程序UCheck和Dysnatremia。UCheck使用一个套间来执行半自动的尿液分析。而Dysnatremia将自己描述为能够使医生对患有低血钠症和血钠过多疾病的病人执行差别化诊断的工具。

　　这两个应用程序都标志着未来的发展方向—将能够诊断医疗情况的应用程序，从而在看病前提供第一诊断。

　　另外一个示例就是由达特茅斯工程毕业生开发的早期疾病监测智能手机应用程序。他们使用汗液采集设备，通过被称为密度计量学的技术来确定身体汗液内蛋白质的含量。使用从生物传感器中获得的信息，这款应用程序被设计成捕捉阿尔兹海默病到二型糖尿病在早期发病阶段所能够提供的任何信息。

　　未来对于我们意义重大。在某一天，全身扫描将成为年度体检的一部分，从而更好地诊断健康问题，其中也包括尽早预知问题，主动应对而不是被动地应付。当我们找到发明三度仪的方法，另外一个曾经被认为只存在于科幻小说中的技术时，这也将使这项技术在个人领域内找到用武之地。

　　数字信号处理

　　半导体技术进步的一个方面就是使用其快速增长的性能，在信号处理领域内找到全新发展方向的能力。随着发现新信号并找到处理这些信号的全新方法，“惊喜”时刻将层出不穷。而最近的一个“惊喜”时刻就是一家吉他公司发现了一个全新的处理算法。

　　整个过程是这样的：

　　德州仪器 （TI） 受邀请拜访Paul Reed Smith吉他公司，去评估这家公司创造的一个全新信号处理技术。这项技术的用途是去解决电吉他的延迟问题。这个问题的解决方案并不源自传统的数字信号处理领域，也就是说他们既没有重新发现DSP，也没有发现DSP的任何全新用途。而结论就是，这是个新事物，而令人激动的是看到这一全新的理念在医疗应用领域派上了用场。也已经有医疗研究人员对这项技术可以实现的功能给出了评论，除了其它功能外，这项技术可以显著地减少拍摄X光照片时所需要的辐射量。

　　在医疗领域，有一些技术的当前应用范围听起来有点儿超前—很难相信这些技术已经切切实实地存在了。而真正使我们感到激动的一个方面就是想象一下这项技术将把我们带向何处。

　　此类技术中的一个就是增材制造 （AM） 技术。通过将数层结合在一起的增材工艺，这项技术每次制造一层有形物体。这项也被称为3D打印的技术掌控着医疗领域的美好未来。

　　在一篇2013年5月发表在新英格兰医学期刊上的文章中，密歇根大学的两位医生描述了他们是如何通过植入生物可吸收气管夹板挽救了一个婴儿生命的。这个生物可吸收气管夹板由3D打印机制造，所使用的信息来自计算得出的患儿呼吸道的光学断层图像。以下是这篇文章令人吃惊的结论：

　　“这个病例显示出，高分辨率成像、计算机辅助设计和生物材料三维打印组合在一起可以加快和简化那些用于指定患者所特有的解剖学疾病的可植入设备的创造和生成。”

　　有哪些疾病是可以用定制的专用可植入设备医治或者缓解，想到这一点就会令人兴奋。但是，3D打印的功能绝不仅限于此。Bespoke Innovations（定制创新公司）使用3D打印生产定制的义肢，除了在制造时能够满足提出的任何需要，它的价格也只是使用传统方法所生产的人造肢体的十分之一。

　　目前有几个地方正在使用3D打印制作病人身体部分的准确模型，这样可以使外科医生团队提前仿真整个手术过程，进而转化为更加安全、准确和有效的手术。

　　这项技术改进外科手术的另外一个方法就是尽可能地提高精度水平。为高强度聚焦超声波 （HIFU） 领域提供高性能实时信号处理的能力生成了这些领域中另外一个目前还不太使人能够相信的领域。

　　Emad Ebbini医生（我们在上文引用过他说的话）相信，在诊所中显示出良好发展前景的多种应用中，HIFU真正开始显现出它的技术优势和广阔的应用范围。数据处理和信号处理方面的改进提高了超声波与身体组织之间相互作用的特异性，从而有可能在mm以下范围内实现聚焦治疗。这意味着高特异成像模式，范围从单纯的热成像到机械成像，以及期间二者兼具的成像模式。终端应用的例子包括有针对性的肿瘤热疗，高度局部化给药，其中包括使用超声波的机械效应来生成瞬态效应，通过血脑屏障用药。

　　最近推出和展示的双模式超声波阵列 （DMUA） 系统进一步加强了HIFU在非侵入式手术中的高度有效和安全使用的发展前景。DMUA能够提供治疗级别的聚焦超声波，并使用同样的换能器元件对组织响应进行成像。成像和治疗坐标系统之间的固有记录，连同实时自适应重聚焦使解决治疗期间的组织运动和变形问题成为可能。高性能计算 （HPC） 解决方案使得医生能够将精力放在用虚拟手术刀（毫米大小的HIFU焦点）实时跟踪目标组织。这项技术将在诸如肾脏神经隔离的应用中用完美的精度实施无出血外科手术。肾脏神经隔离是最近提出的一种治疗高血压的方法，而传统医疗方法对于此类病患不起作用。

　　这是HIFU，3D打印和其它技术进步在提升我们的健康水平、改进治疗方法和获得健康生活的能力方面具有巨大的发展潜力。并且由于云计算的使用，健康状态将常伴我们左右。诸如大数据、分析、数据挖掘、高性能计算和智能传感器等全新概念正在开始充斥在我们的日常生活中。所有这些新技术、新概念组合在一起，相互作用，将会获取浩如烟海的医疗数据，并为医生提供那些保持和恢复病患健康所需要的信息。他们将为我们提供一个之前只存在于我们脑海中的未来。

　　这些技术将：

　　-根除灾难性疾病

　　-控制慢性病

　　-使人们在家中舒适地度过生命中的最后时光

　　那么，我们对医学领域能够有什么期待呢？简单来说，想象力是唯一的限制因素（是的，还会受到光速的限制）。我们将光速包括在内的原因是性能的提升在很大程度上由我们对光速的控制程度所决定。但是假定这两个限制条件不会失效；个人健康就在我们的掌控之中。我们周围的技术将给出第一诊断，并请医生为病患提供第二并有可能是最终的诊断。随之而来的是更加具有预防性而不是介入和干预的处理手段。随着慢性病受到控制，灾难性疾病被减弱为慢性病，人们将最终舒适、惬意地度过他们的一生，并且期待着未来科幻小说中的技术变为现实。

　　我们5年后再见。

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