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，提出了其標準化研究的意義，介紹了腦影像測量標準化的國內(nèi)外研究，圍繞基礎標準、安全標準、產(chǎn)品標準、方法標準、管理標準等方面對標準化體系進行了初步構(gòu)建，并提出了在生物醫(yī)藥、醫(yī)療器械、醫(yī)療服務、健康管理等方面的應用。最后對腦影像測量技術(shù)及標準化發(fā)展提出了建議。

關鍵詞：腦影像，測量，標準體系

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世紀最具挑戰(zhàn)性的前沿科學問題。腦科學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（“腦科學與類腦科學研究計劃”）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”即以腦認知的神經(jīng)原理為基礎，理解大腦認知功能是怎么來的；“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)；利用腦科學研究來推動新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展[1]。目標在于推動對大腦基本規(guī)律的理解，同時利用神經(jīng)科學的基礎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)及有關標記物對大腦疾病的各方面進行研究，來探索大腦疾病的發(fā)生機制，最終可以對各類大腦疾病進行早期診斷以及干預。

作為腦科學三大研究方向之一的腦圖譜技術(shù)，以腦認知原理為主體，闡述腦功能神經(jīng)環(huán)路的構(gòu)筑和運行原理，繪制人腦宏觀神經(jīng)網(wǎng)絡、模式動物微觀神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)性和功能性全景式圖[2]。隨著腦科學研究的逐步深入，科學家在腦成像技術(shù)方面提出了更高目標，重點探索如何將腦組織結(jié)構(gòu)的宏觀、介觀與微觀有機融合，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、磁遺傳學等非入侵性工具應用于神經(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)進步轉(zhuǎn)化為有效診斷、預防和治療腦部疾病的潛力。腦影像大數(shù)據(jù)資源的建設和共享，是我國實現(xiàn)全民腦智提升和健康的基礎資源。長期以來科學技術(shù)部、教育部、國家自然科學基金委員會等通過不同層次項目的部署，支持了腦成像數(shù)據(jù)資源的建設和研究，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，也是當前國際研究的難點和重點之一。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步，然而，腦影像測量領域的標準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，進行系統(tǒng)化的標準化研究，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)外關于腦影像采集及數(shù)據(jù)處理的相關標準較少，造成在不同技術(shù)、不同批次、不同實驗室、不同平臺以及不同數(shù)據(jù)分析方法間存在嚴重的不可復現(xiàn)性，影響研究結(jié)論的客觀性與真實性。通過系統(tǒng)性的標準化研究，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構(gòu)的技術(shù)水平，促進腦影像測量數(shù)據(jù)的國內(nèi)外共享互認。

（2）有助于實現(xiàn)精準數(shù)據(jù)、精準醫(yī)療

當腦影像成像后，傳統(tǒng)的方法是由資深的專業(yè)技術(shù)人員進行讀片和診斷，但主觀性較大，容易導致結(jié)果的偏差，通過腦影像測量技術(shù)的標準化研究，進行特定參數(shù)的設定，利用精準測量方法對數(shù)據(jù)進行準確表達，能觀察腦組織微結(jié)構(gòu)的生理生化演變進程，同時也能夠?qū)颊咝g(shù)后狀況進行準確評估，評價治療效果和恢復狀態(tài)，有效提高診斷的準確性和一致性。

（3）有效進行健康管理和篩查預防

通過腦影像測量技術(shù)的標準化研究，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，對異常現(xiàn)象能夠及時進行技術(shù)篩查和采取有效措施。同時利用適當?shù)能浖ぞ叻治?、處理測得的不同參數(shù)，進行如三維建模，獲得數(shù)字化三維解剖模型，有助于術(shù)前方案精準設計、模擬手術(shù)操作等，為治療提供了更高效的技術(shù)手段，降低治療風險發(fā)生。

3 標準化研究現(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，實現(xiàn)以細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成像等新技術(shù)，實現(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)展光電關聯(lián)等超微成像新技術(shù)，實現(xiàn)對神經(jīng)突觸等亞細胞結(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，可應用于不同臨床檢查。

3.2 腦影像測量標準現(xiàn)狀

截至目前，共搜索到國內(nèi)外腦影像測量相關標準269項，其中國際及國外先進標準59項，國內(nèi)標準210項，標準類別統(tǒng)計如表1所示。國內(nèi)210項標準中，包含國家標準49項、地方標準25項、行業(yè)標準106項和團體標準30項，標準數(shù)量分布統(tǒng)計如表2所示。

3.3 標準化現(xiàn)狀分析

（1）標準體系有待完善

腦影像測量領域相關的技術(shù)標準應統(tǒng)一，以避免相關的標準出現(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，腦影像測量領域的相關標準數(shù)量不在少數(shù)，但是標準研制機構(gòu)分散于國際標準化組織（IEC、ISO）、國外團體標準化組織（IEEE）以及國內(nèi)20多家標準化研究機構(gòu)，使得腦影像測量領域還沒有形成完整的標準體系，各標準間缺乏協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，給腦影像測量技術(shù)的發(fā)展和應用帶來了一定的障礙。

（2）標準技術(shù)水平更新滯后

隨著腦影像測量技術(shù)的不斷發(fā)展，相關技術(shù)標準也需要不斷完善和更新。然而，國內(nèi)外在腦影像測量標準化領域的發(fā)展相對滯后，缺乏對先進新技術(shù)的跟蹤和支持，超過70%的標準集中于腦影像測量設備的技術(shù)要求、安全性能的標準，涉及健康安全、測試評估、數(shù)據(jù)處理方面的標準相對較少，而且現(xiàn)有標準的標齡普遍超過了5年，無法滿足醫(yī)療市場的需求和科學研究的應用。

（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研究的發(fā)展趨勢之一，國際標準化也將是未來的發(fā)展方向。當前，我國現(xiàn)行的腦影像測量技術(shù)相關國家標準大多以等同采標或者修改采標，且國際標準轉(zhuǎn)化率不足50%，無法有效地與國際標準化技術(shù)接軌。另外，我國自主研發(fā)的腦影像測量技術(shù)標準，升級為國際標準的情況較少，導致中國腦影像測量標準化領域在國際上的影響力和話語權(quán)不足。

（4）標準落地難度較大

為了實現(xiàn)標準的落地，需要建立完備的標準實施方案，制定具體的操作指南和規(guī)范，建立健康信息技術(shù)的實施標準體系，加強實施監(jiān)督和評估。然而，當前我國沒有建立相應的腦影像測量領域標準化技術(shù)機構(gòu)，使得標準落地難度大，缺乏有效的實施方案和資源投入，最終導致該領域的標準無法得到有效應用。

（5）信息安全風險增加

隨著腦影像測量技術(shù)的廣泛應用，相關腦科學信息安全風險也在不斷增加，如個人隱私泄露、信息篡改、數(shù)據(jù)泄露等。當前，腦影像測量領域缺乏相關安全信息管理標準的研制，造成市場上缺失有效的管理措施和機制，導致腦科學信息安全面臨較大的風險。

4 標準體系建設

4.1 標準體系框架設計

為了更好地支撐中國腦計劃的研究，服務國家腦影像測量技術(shù)的發(fā)展，完善腦影像測量標準化體系，本文結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有相關標準，以及各級標準化組織關于腦影像成像的相關共識，針對腦影像測量領域進行了標準體系框架設計，如圖1所示。

腦影像測量體系下設6個大類，分別為基礎標準、安全標準、產(chǎn)品標準、方法標準、管理標準、其他標準，具體說明如下：

——基礎標準：腦影像測量技術(shù)相關的術(shù)語與定義、分類和編碼等；

——安全標準：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、安全防護標準和場所安全等；

——產(chǎn)品標準：與腦影像測量相關的儀器設備（含主體、部件、配件、裝置等）、材料、標準物質(zhì)、軟件、造影劑、防護用具、數(shù)據(jù)通信等相關產(chǎn)品；

——方法標準：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、設備核查要求和方法）等；

——管理類標準：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、相關檢驗操作的培訓等；

——其他標準：包括報告規(guī)范格式、測量機構(gòu)建設要求等。

4.2 標準化應用

（1）生物醫(yī)藥研制

通過腦影像測量標準化體系建設，可以更好地為“健康中國”這一戰(zhàn)略目標服務。利用標準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與臨床醫(yī)學的橋梁作用。

（2）醫(yī)療器械開發(fā)

通過腦影像測量技術(shù)的標準化研究，能夠獲取更多、更精準的數(shù)據(jù)，便于利用數(shù)據(jù)作進一步的分析、處理，能夠全面、準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速率。

（3）醫(yī)療服務提升

通過腦影像檢測數(shù)據(jù)的標準化研究，將進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，有效推動遠程監(jiān)測和云診斷等先進技術(shù)的應用，爭取診治時間，減輕費用負擔[8]。

（4）健康管理拓展

通過腦影像測量標準化的系統(tǒng)研究，不僅有助于人們獲取更為可靠、精準的健康狀況，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)以及標準化的數(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測個人的未來健康發(fā)展趨勢[9]。針對個人的生活習慣、行為習慣、飲食習慣、心理狀態(tài)、預防保健、藥物干預等方面，開展?jié)u進式全方位的健康管理，針對性地開出健康處方，實現(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。

5 發(fā)展建議

中共中央、國務院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》提出要引導發(fā)展專業(yè)的醫(yī)療影像中心，推進精準醫(yī)學影像診斷和引導治療，構(gòu)建高質(zhì)量標準醫(yī)療臨床數(shù)據(jù)庫聚焦精準化、智能化、臨床化、院前化和網(wǎng)絡化發(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]。基于國家戰(zhàn)略和規(guī)劃要求，腦影像測量技術(shù)及標準化研究可從以下5個方面開展：

（1）影像研究智能化

“人工智能＋醫(yī)學影像”，是將目前最先進的人工智能技術(shù)應用于醫(yī)學影像診斷中，幫助醫(yī)生診斷患者病情的人工智能具體應用場景?；谏疃葘W習的人工智能影像分析技術(shù)通過廣泛的圖像訓練，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，填補醫(yī)技間鴻溝，提高基層檢查質(zhì)量。

（2）醫(yī)療診斷精準化

精準醫(yī)療，影像先行。影像的作用更加靠前、更加深入、更加多維、更加強大，也更加精準。在外科方面，促使醫(yī)生精準制定治療計劃，模擬手術(shù)、導航、路演和教學；在內(nèi)科方面，基于形態(tài)學、定量學、功能學、組學和人工智能的評價，實現(xiàn)準確診斷，精準化療和療效評價等；在放療方面，精準勾畫靶區(qū)，實現(xiàn)實時、高速、精確、高效的放療效果；在預測方面，精準預測基因突變、良惡性、侵襲性、治療效果和預后等信息。

（3）影像應用院前化

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。通過互認共享，進行跨院預約檢查服務，打通檢前一公里和檢后一公里，構(gòu)建腦影像的服務閉環(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)處理的標準化系統(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“準確性、溯源性、一致性”[13]，引領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制，促進腦科學研究的系統(tǒng)思維設計，支持腦測量數(shù)據(jù)的關聯(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，運用“合規(guī)和標準培訓”“倫理核驗”“脫敏/ 去標識化/ 匿名化”“可信共享技術(shù)”等手段，使腦科學研究擁有合法、合規(guī)地進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，研究方向為標準化。

（責任編輯：張瑞洋）