模型引导疗法和DICOM的外科作用 Heinz U. Lemke博士 第24工作组“外科DICOM”组长

目录 介绍（问题和解决方案） 采用TIMMS的模型指导疗法 分类和模型类 虚拟人体模型的范例 结论

用于处理内窥镜MISS问题的计算机辅助数字手术室套件：多重数据源 MD 人员 注册护士，技术人员 EMG监视 C形臂透视检查 MRI图像 - PACS C形臂图像 图像管理程序 – 报告 内窥镜检查法视屏 监视器 EEG监视 手术室的左侧 图像查看窗口 远程会议 – 远程外科 激光发生器 承蒙John Chiu博士提供

通过该方法，治疗患者时，可以实现更精确的诊断、对于预后的更准确评估、以及对于具体疗法的更加个体化的策划、执行和验证。 模型指导疗法和具体患者模型 模型指导疗法（MGT）是通过采用附加的、具体患者重要数据对图像指导疗法（IGT）进行补充的一套方法。 通过该方法，治疗患者时，可以实现更精确的诊断、对于预后的更准确评估、以及对于具体疗法的更加个体化的策划、执行和验证。 顾名思义，模型指导疗法以具体患者模型 （PSM）为基础，允许通过采用治疗性工作流实行具体患者干涉。

模型指导疗法和数据结构 为了实现基于具体患者建模的模型指导疗法，需要采用适当的IT构架和数据结构。 对于PSM，通过原型和模板，可以分别实现不同级别的通用化和专业化。

基于模型的患者治疗 EBM 机电一体化 (导航, 模态 工作流 消融等) (X光,CT, US, IHE 组学 MR,SPECT, EMR PET,OI) 模型创建和诊断 (数据融合, CAD等) 模型维护和干涉 (模拟, 决策支持, 验证等) 生物传感器 (生理学, 新陈代谢, 血清, 组织等) 数据库 (图谱, P2P储存库, 数据网格等) 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 IT通信基础设施 6

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供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 干涉座舱/SAS模块 IT模型-中央世界视图 储存库 引擎 数据交换 控制 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 图像和信号 建模工具 计算工具 WF和 K+D 工具 储存库工具 装置/ 机电一体化 验证工具 IO成像和 生物传感器 建模 模拟 WF和K+D 管理内核 可视化 储存库管理器 干涉 验证 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 模型（被模拟对象） WF，EBM， ”案例” 模型和 干涉记录 数据和信息

采用TIMMS的模型指导疗法 对于一次治疗干涉，我们假定人体、机电一体化、放射或药品能够与模型互动。 模型指导疗法为一次准确、透明和可重复的干涉提供了科学基础，还可提供验证及其他服务。 TIMMS是一个IT元构架，可以实现多种代理的互用性，促进模型指导疗法干涉。

模型指导疗法 基本的TIMMS患者模型必须具有以下特点： 模型指导疗法  基本的TIMMS患者模型必须具有以下特点： TIMMS患者模型中必须包含能够将患者显示为一个n维和多刻度（时间上和空间上）数据集的组件。 TIMMS患者模型必须易于与外科医生及其他手术人员、 TIMMS引擎、 TIMMS储存库和IT基础设施进行沟通和连接。 TIMMS患者模型必须能够以一种准确、有意义的方式将这些组件（包括动态组件和静态组件）联系起来。 对于动态组件，TIMMS患者模型必须能够处理形态数据和生理数据，并执行必要的数学功能，以便使模型保持在可及时更新的状态下。

模型指导疗法 TIMMS患者模型应能并入到TIMMS执行工作流之中，并且能够对其变更作出响应。 模型指导疗法  TIMMS患者模型应能并入到TIMMS执行工作流之中，并且能够对其变更作出响应。 TIMMS患者模型必须能够通过现时可用的、标准化的信息方法进行开发。这些工具可能包括 UML、XML、Visio、方框图、工作流图、MATLAB、Simulink、DICOM（包括外科DICOM）、Physiome, CDISC SDTM、openEHR以及其他类似的产品和工具。 TIMMS患者模型必须符合软件工程标准，例如，应符合开发式标准和面向服务的构架，以便实现多专业的信息交换。 TIMMS患者模型应能扩展，以便加入分子医疗成像、基因组学、蛋白质组学和表观遗传学中的发展。 TIMMS患者模型必须能够被用于临床试验、预示建模、个人健康记录，并且在长期范围内为基于模型的医疗证据（ Model Based Medical Evidence/ EBME ）方法做出贡献。

供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 干涉座舱/SAS模块 IT模型-中央世界视图 储存库 引擎 数据交换 控制 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 图像和信号 建模工具 计算工具 WF和 K+D 工具 储存库工具 装置/ 机电一体化 验证工具 IO成像和 生物传感器 建模 模拟 WF和K+D 管理内核 可视化 储存库管理器 干涉 验证 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 模型（被模拟对象） WF，EBM， “案例” 模型和 干涉记录 数据和信息

n-维建模工具 普通工具和针对具体患者的工具 几何建模 假体建模 细胞和组织的属性 分节和再造 生物力学和伤害 组织生长 组织移位 生物材料的属性 ...

模型指导疗法 以其最简单的实例化而言，模型指导疗法是三维像素的一个组合、一个子集或一个单一的三维像素，代表患者体内的多个位置。从这一点来看，该疗法是从图像（像素）指导疗法（IGT）到模型（三维像素）指导疗法的一个扩展。模型指导疗法的范例包括： a) 一个三维像素的一个子集之内的干涉，例如细胞、细胞器、分子等。 b) 一个三维像素之内的干涉，例如一个器官或损伤的小组织部分等。 c) 一组三维像素之内的干涉，例如器官、器官成分、软组织和损伤的功能性结构的部分。

模型指导疗法 1D信号（例如： EEG ） 2D投影和层析图像 3D再造 时间变化 组织/细胞类型 模型指导疗法  在一个简单的PSM中，三维像素可能 与数据的几个维度联系起来 1D信号（例如： EEG ） 2D投影和层析图像 3D再造 时间变化 组织/细胞类型 器官、损伤、系统、假体、慢性病症等的所有权。 空间占据/空间扩展 渗透性（血脑屏障） 流（例如：电子、热、液体、灌注、扩散等）

模型指导疗法 充氧等级（例如缺氧等级） 药动学（例如：组织对药品、流参数、到达峰值时间等的影响） 药效学（药品对于组织、消融参数的影响） 模型指导疗法  在一个简单的PSM中，三维像素可能 与数据的几个维度联系起来 充氧等级（例如缺氧等级） 药动学（例如：组织对药品、流参数、到达峰值时间等的影响） 药效学（药品对于组织、消融参数的影响） 生物标志物的类型（体外和/或体内分子光谱） 参考坐标系统（例如Schaltenbrand/Warren, Talaraich/Tourneaux ） 价值（生命攸关（ life critical）到生命威胁（ life threatening ） ） 临近关系（例如3³ 、 5³ 、 7³等） ...

范例：ENT模型元素 类 子类 模式 静态 形态学 图谱 功能性 图像 工作空间 X射线转换 声音图谱中耳 流图谱内鼻 来源：G. Strauss 类 子类 模式 静态 形态学 图谱 功能性 图像 工作空间 X射线转换 声音图谱中耳 流图谱内鼻 流图谱下咽部-喉部-气管 解剖图谱岩骨 闪烁扫描法

范例：ENT模型元素 动态 功能性 图像 传感器 形态学 荧光素 EMG迷走神经 跟踪数据 超声波 显微镜检查法 内窥镜检查法 来源：G. Strauss 动态 功能性 图像 传感器 形态学 荧光素 EMG迷走神经 跟踪数据 超声波 显微镜检查法 内窥镜检查法 接触式内窥镜检查法 激光反射 温度计 电子阻抗 轴坐标测量仪器 诱发电位（ERA） 微振动听骨链 EMG面部

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多刻度建模的策略 对于了解人体特性的相关知识（例如解剖学、生理学、新陈代谢、基因组学、蛋白质组学、药动学等）来说，建模是非常关键的一点。 由于集成这些不同特点的相关知识相当困难，因此，根据提出的问题和需要提供的答案，一个人体的模型必须在不同的等级上实现（空间和时间上的多刻度），并带有不同的本体。 在大型系统模型之内使用简化形式的组件，可能存在的问题主要源自他们的有效性十分有限。

来源：J. Bassingthwaighte 快速解决方案 高保真度 更加简单，但适应性下降 组合式模型 复杂性 增加 详细的模块 来源：J. Bassingthwaighte

具体患者和相关的建模功能 在模型-中央世界视图中，与患者相关的大量的各种信息可以与众多图像及其派生物融合在一起，从而提供关于患者的全面和和正确的看法。 默认情况下，需要考虑的不同类型干涉/外科工作流的光谱越宽，设计适当多刻度PSM和相关服务时付出的努力会越大。

具体患者和相关的建模功能 n维、多分辨率学识（生物连续统一体在时间和空间上的模型）的管理是一个研发上的挑战。 如果能够成功解决这一问题的话，它将能使外科手术具备更坚实的科学基础。

目录 介绍（问题和解决方案） 采用TIMMS的模型指导疗法 分类和模型类 虚拟人体模型的范例 结论

多形式成像 (MRI, CT, Angio,..DT-MRI) 针对具体患者的 CMB 人体激光扫描 (CAESAR DB) 多形式成像 (MRI, CT, Angio,..DT-MRI) 可视人体 解剖模板 器官表面网格 Roberts JHU 肺 大脑 心脏 肾 尿 骨 胸腺 肌肉 胃 脾 代谢物 内脏 胰 肝 内腔 皮肤 脂肪 粪便 静脉血 动脉血 Spitzer 2006虚拟解剖学 PKPD FEM网格 (Roberts JHU)

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解决方案和研究重点 （医疗） 图像指导疗法到模型指导疗法的转换（例如：通过工作流和使用案例选择/创建/储存库） 论述的一个多刻度领域中的针对具体患者的模型的概念和规范 一组规范的低级外科功能的概念和设计 原型化方法

供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 干涉座舱/SAS模块 IT模型-中央世界视图 储存库 引擎 数据交换 控制 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 原型化方法 图像和信号 建模工具 计算工具 WF和 K+D 工具 储存库工具 装置/ 机电一体化 验证工具 IO成像和 生物传感器 建模 模拟 WF和K+D 管理内核 可视化 储存库管理器 干涉 验证 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 模型（被模拟对象） WF，EBM， ”案例” 模型和 干涉记录 数据和信息

解决方案和研究重点 （技术） 针对具体患者的模型的概念和数据结构设计（例如通过原型和模板）。 开放式构架的模型管理（例如SOA ） 通过储存库、引擎、 LLM和HLM进行SOA模块化 作为适应（认识/智能）代理的LLM 作为应用模块的HLM（竞争差异化） 可能作为开放源的LLM 适应工作流和K+D 管理的内核（引擎和储存库） 用于构建引擎和储存库的合作性和竞争性R+D框架 基于开放式标准（例如： S-DICOM ）的疗法 从CAD建模到CAT建模的转换

供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 干涉座舱/SAS模块 IT模型-中央世界视图 储存库 引擎 数据交换 控制 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 原型和模板 图像和信号 建模工具 计算工具 WF和 K+D 工具 储存库工具 装置/ 机电一体化 验证工具 IO成像和 生物传感器 建模 模拟 WF和K+D 管理内核 可视化 储存库管理器 干涉 验证 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 模型（被模拟对象） WF，EBM， ”案例” 数据和信息 模型和 干涉记录

解决方案和研究重点 （医疗和技术） 图像指导疗法到模型指导疗法的转换（例如：通过工作流和使用案例选择/创建/储存库） 选定干涉的适应工作流、异常处理和K+D管理的使用案例 用于低级（开放源）和高级（竞争差异化）外科功能电脑化的合作性和竞争性R+D框架 从诊断（例如CAD）到CAT（即，专业间合作） 第24工作组“外科DICOM”内部对与患者建模相关标准的开发

供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 干涉座舱/SAS模块 IT模型-中央世界视图 储存库 引擎 数据交换 控制 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 开源 图像和信号 建模工具 计算工具 WF和 K+D 工具 储存库工具 装置/ 机电一体化 验证工具 IO成像和 生物传感器 建模 模拟 WF和K+D 管理内核 可视化 储存库管理器 干涉 验证 疗法成像和模型管理系统（TIMMS） 供患者模型引导疗法的数据、图像、模型和工具通信用的ICT基础设施（基于DICOM-X ） 实际上，对于当前和从前收集的信息、以及在诊断和治疗中积累的经验，我们需要一个集成更佳、更全面的视图。 模型（被模拟对象） WF，EBM， ”案例” 模型和 干涉记录 数据和信息

第24工作组“外科中的DICOM” 的项目小组 医学数字成像与通信标准 项目小组1 WF/MI 神经外科 项目小组2 WF/MI ENT和CMF外科 项目小组3 WF/MI 整形外科 项目小组4 WF/MI 心血管外科 项目小组5 WF/MI 胸腹外科 项目小组6 WF/MI 干涉放射学 项目小组7 WF/MI 麻醉法 项目小组8 S-PACS功能 项目小组9 WFMS工具 项目小组10 图像处理和显示 项目小组11 外科中的超声波

外科工作流（S-WF）的定义 喉部显微外科（ MLS ） (项目小组2 ENT/CMF) 异物切除 (项目小组2 ENT/CMF) 全髋关节置换外科 (项目小组3 整形外科) 全内窥镜冠状动脉搭桥术（ TECAB ） (项目小组4 心血管) 二尖瓣再造术（ MVR ） (项目小组4心血管) 腹腔镜脾切除术 (项目小组5 胸腹) 腹腔镜胆囊切除术 (项目小组5 胸腹) 腹腔镜肾切除术左 (项目小组5 胸腹) 采用PTA 和支架（ Stent ）的血管造影术 (项目小组6 干涉放射学) 肝肿瘤射频消融术 (项目小组6 干涉放射学) 颈静脉肝内门体分流术 (项目小组6 干涉放射学) 外科工作流（S-WF）的定义

CARS / SPIE / EuroPACS 第9次联合专题讨论会 外科PACS和数字手术室 2008年6月28日，巴塞罗那 国际光学工程学会 CARS / SPIE / EuroPACS 第9次联合专题讨论会 外科PACS和数字手术室 2008年6月28日，巴塞罗那 DICOM第24工作组“外科DICOM” 第12次会议 2008年6月28日，巴塞罗拿 http://www.cars-int.org

国际计算机辅助放射学和外科学报 科学的语言 介绍最新创建的CARS学报 关于图像指导诊断和疗法的跨专业研究、发展和应用的学报 主编：（美国） Michael W. Vannier,芝加哥，美国 主编：（美国以外地区） Heinz U. Lemke, 柏林，德国 国际计算机辅助放射学和外科学报 介绍最新创建的CARS学报 关于图像指导诊断和疗法的跨专业研究、发展和应用的学报 科学的语言 请在以下网址处订阅 征集论文中

第24工作组 “外科DICOM” 书记： Howard Clark, NEMA 秘书： Franziska Schweikert, CARS/CURAC办公室 fschweikert@cars-int.org 主席： Heinz U. Lemke, ISCAS/CURAC, 德国 副主席： Ferenc Jolesz，哈佛医学院，波士顿 (外科/放射学) 副主席： 待定 (行业)