小型化趋势凸显 五大应用场景突破医疗影像的使用限制

  • 2020-07-21 11:19
  • 作者:杨雪
  • 来源:百事2平台

 

  2020年,FDA批准了全球首款移动式核磁共振成像设备,用于两岁以上患者的头部核磁共振检查。这款只有传统固定MRI系统十分之一重量的移动式MRI由美国Hyperfine Research公司开发,相对于大型的MRI,它的单次检查成本降低了20倍,功耗降低35倍。此外,它还比现有的MRI便宜得多,设备单价大约为5万美元。移动式的MRI可以广泛用于急诊、ICU、神经外科,帮助医生更快地诊断和发现病情。


  移动式MRI的获批无疑是一次重大突破,甚至对于医学影像行业而言,这也是一次里程碑式的产品。不可否认,在未来十年,医学影像诊断设备的小型化、检测发现早期疾病和远程医疗是改善医学影像行业的三大趋势。


  小型化和便携化这一趋势正在将传统的庞然大物瓦解,让CT、MRI等影像设备打破放射科、影像科的围墙,成为智能的床旁诊断设备。当然小型化的设备还不能替代传统的大型设备,但其也有独特的存在价值和广阔的应用空间。在新冠疫情防控中,便携式、移动式的影像设备发挥了不小的作用,在紧急的医疗卫生事件中更安全、高效地帮助医生完成必要的检查。


  小型化的医学影像设备能否成为医学影像市场下一个增长极?在重达几吨的大型影像设备变得更小的过程中,背后是哪些技术变革和迭代?带着这些问题,我们梳理了全球影像设备小型化这一领域的发展。


  数十年未解决的三大问题,成为器械小型化推动力


  一直以来,全球的医学成像创新都由大型的医学影像企业主导,但细数最近十年,大多数医学成像设备,无论是CT、MRI还是超声的系统架构都较为成熟和稳定,大多数产品都没有发生太大的变化。


  以MRI为例,虽然超级MRI已经可以做到让磁力达到10.5T(一般医院的磁力只有1.5T或者3T),重量可以相当于3架波音737飞机,但从另一个角度来看,MRI此前的创新和进展始终没有解决三个主要问题,这也是医学影像行业一直以来没有解决的三大问题。


  首先是成本昂贵,只有大型医院才能负担得起使用大型影像设备的费用。一台MRI设备价格在几百万到几千万不等,不菲的价格限制了MRI在全球的可及性。Hyperfine的创始人乔纳森·罗斯伯格(Jonathan Rothberg)表示,全世界80%的人口无法使用MRI,MRI的平均等待时间长达15小时。而他认为,医学影像设备的价格应该越来越便宜。此前他创立的Butterfly Network推出的掌上超声,将超声波成像和半导体芯片结合在一起,凭借在超声领域的颠覆,公开融资金额超过3.5亿美元,自2018年上市以来,Butterfly iQ设备已被美国成千上万的医生、护士和其他从业人员采用。


  而在我国,高端影像检查的资源更加稀缺。根据中国医学装备协会统计,截至2018年,我国CT保有量约为2.2万台;MRI市场保有量为9255台,一台机器日工作量和扫描量只有50位患者左右,门诊预约MRI的等待时间有时甚至长达一个月。


  2016年,中国医学大学附属盛京医院郭启勇教授在第六届东方放射学大会上做的报告《中国放射医师的现状与未来》中的一组数据指出,重庆CT每百万人口保有量最少,为6.63台;西藏MRI每百万人口保有量最少,只有0.93台。至2017年,美国和德国每百万人口MRI拥有量分别为37.56台和34.49台,其他主要发达国家每百万人口MRI保有量也多在10台以上,而我国每百万人口MRI保有量仅为6.2台。


  第二个问题则是复杂的操作流程,大型的MRI、CT设备需要专业的操作人员,在操作过程中需要技师、护士和放射科医师协作,放射科医师在工作中需要跟机,还需要出诊断报告。


  第三个问题是严格的患者要求和环境要求。患者在进行MRI扫描时,必须保持静止、屏住呼吸,患者需要在较黑暗和有噪音的环境中独自待上近半小时,这对于儿童和老年患者来说存在难度。MRI作为大型精密仪器,对于环境的温度和湿度都有着特定要求,这也对医院提出了较高的要求。


  大型的MRI、CT设备都是无法移动的,需要将患者运送到放射科室或影像科室进行扫描,转运住院患者会增加患者发生并发症的风险。


  显然,如何更好地解决上诉问题,让CT、MRI这样的设备为更多人所用,解决这些问题的方法不是做加法,而是做减法,将大型影像设备小型化。


  人工智能助力医学影像设备小型化


  这么多年来,大型的医疗器械厂商较少尝试小型化大型医学影像设备的原因,除了考虑投入产出外,技术的高难度也制约了它的发展。


  在移动式MRI方面,Hyperfine公布的技术细节并不多,但以下三个方面是移动式MRI实现小型化的核心原因。


  通常来说,磁共振成像系统中最大且最重要的部件就是磁铁。大多数核磁共振成像的磁感应强度是1.5T,更高端的核磁共振产品可以做到3.0T,磁铁的体积巨大。Hyperfine能够实现将MRI设备小型化的关键原因在于移动式的设备中使用的磁铁只有0.064T。


  磁铁用来产生磁场,类型主要有三种:永久磁铁、电磁铁[磁感应强度可高达24000 Gs(2.4T)]、超导磁铁[磁感应强度可高达190000 Gs(19T)]。磁感应强度和成像质量息息相关。超导和电磁铁需要有冷却系统,这是造成大型MRI设备体积庞大的原因之一。而移动式的MRI采用永久磁铁,不需要冷却系统,也减少了设备体积。


  电磁铁和超导磁铁有着强大的磁场,会吸附周围的金属物体,所以MRI也要求在封闭的室内进行。而小型化的MRI由于采用的磁铁磁感应强度低,不需要在封闭的空间内启动和操作,也降低了MRI设备对于空间和环境的要求。


  总的来说,hyperfine采用不需要特殊电源系统和冷却系统的永磁,可使用低功率无线电波和磁场产生图像。


  在小型化CT方面,目前成功推出产品的企业较多。在移动式CT的设计中,关键要解决辐射问题。在西门子的移动式CT中,采用了伸缩式机架设计,在扫描过程中放射源和机架远离患者,以减少辐射散射,而移动扫描仪的底座保持不变。由于在扫描采集期间只有机架移动,因此可以改进工作流和减少因运动引起的图像伪影。此外,SOMATOM On.site配备了防护窗帘可以附加在门架开口的前后,进一步减少对工作人员和邻近病人的辐射。而在NeuroLogica2011年推出的全身32层CT扫描仪BodyTom中内置了0.75毫米的内部铅屏蔽。


  医学影像设备小型化背后另一大核心技术则是跨界技术的融合。在整个医疗器械领域中,跨界技术的融合正在成为趋势。生物传感器、微机电系统、固态电池、人工智能等其他技术正在使医疗器械领域产生变革。其中人工智能数字化技术对于医学影像设备的便携化起到了关键作用,因为小型化设备不可避免地有一定成像损失,而人工智能、深度学习技术可以在有限的成像质量中实现更好地诊断。


  Hyperfine目前正在开发MRI的3D渲染功能,可以创建标准的临床对比图像以及内容丰富的3D渲染,让医生可以从阅读2D的MRI图像到转变为直接诊断直观的3D图像。


  此外,Hyperfine正在开发一种软件,该软件可通过深度学习算法对每次使用进行改进,以重建图像并帮助进行诊断,但目前这款人工智能产品还尚未获得FDA批准。


  在移动式CT的应用中,西门子的移动式CT利用数字化系统让医生检查更为简单。放射医师可以通过SOMATOM On.site的智能用户界面——myExam Companion来进行检查,该界面可以根据患者的特定问题来优化扫描参数,无论医师是否有经验,获得的检查结果都是一样的。一旦检查完成,医师可以将患者从床头板位置滑动回病床上,扫描图像在几分钟时间内自动发送到PACS系统。


  三星的Neuro Logica则是和以色列人工智能公司Medy Match合作,利用人工智能进行辅助诊断,让医生在遇到脑卒中时,很快就能判断出患者究竟是脑出血还是血栓。


  得益于视觉传感器和AI算法的创新,现代医学成像正经历着范式转变,从大型的经过仔细校准的机器到灵活的自我校正的多传感器设备。


  拓宽MRI、CT应用场景


  虽然移动式的医学影像设备集成了众多尖端技术,但移动式MRI在图像质量上与大型影像设备依然不可同日而语。虽然移动式影像设备无法替代大型设备,但移动式的产品可以补充现有的MRI、CT设备的不足,拓宽影像设备的使用场景。总的来说,移动式MRI、CT设备可以在急诊、ICU、床旁诊断等场景中发挥作用,让医学成像从影像科、放射科室转移到患者所在的任何地方。


  急诊应用:在急诊场景中,在美国,移动式CT主要配备在移动卒中单元中,快速诊断和治疗中风患者。移动卒中单元是一种专门用于迅速诊断和治疗中风的救护车,其中包含了移动CT和其他重要的检验仪器设备,通过移动卒中单元使更多的卒中患者在60min的黄金时间内获得及时有效治疗。在移动卒中单元中,医生可以利用移动CT进行影像诊断,判断是否需要进行血栓切除。在分秒必争的脑卒中治疗中节约黄金时间。


  ICU应用:在美国,移动CT也同样用于床旁诊断和ICU中,可以减少患者移动、降低不良事件发生风险。在ICU和神经外科与内科中,ICU的患者通常难以移动,同时也需要精密的护理,传统的固定式的成像设备需要移动患者,而移动患者容易给患者带来风险。在ICU和神经外科,CT诊断往往需要在常规随访中使用。但因为MRI、CT设备是精密仪器,设备对于稳定性要求很高,所以很多MRI检查室都在医院的一楼或者地下室,这为患者转运带来了不小的挑战。


  所以ICU和神经外科是移动式MRI、CT的应用场景。有医生表示,对于临床神经外科而言,比起CT,他们更希望在床旁诊断中能够用上MRI设备。因为MRI对于脑损伤更加敏感,可以更早更准确地发现缺血。可以预见移动式MRI将在神经外科床旁诊断中占有一定市场。


  手术室:移动式的CT配备在手术室中可进行术前、术中、术后的检测,能够为手术医生提供更真实的病理数据;除此之外,手术患者也不必再转运至门诊楼一层放射科进行检测,规避了转运风险,提高了手术质量。


  儿科:除了在脑部的应用,小型的MRI的另一大应用场景则是新生儿科,如出生时有早产、窒息、缺氧等现象的新生儿建议用磁共振来了解头部结构的情况,而在治疗过程中则需要多次动用磁共振检查,和ICU患者一样,转运新生儿的过程会增加不良事件的风险。


  基层医疗机构:从更广阔的视野来看,移动式的MRI还有机会拓宽广泛的基层市场。或许有人会质疑移动式MRI的功能不全,或许难以满足基层需求。但其实,在过去的十年中,临床MRI检查的范围几乎没有改变。脑部和脊柱研究占所有研究的50%以上,乳腺,心脏和介入研究不到5%。在所有临床MR研究中,fMRI(功能性脑MRI)和其他复杂检查加起来不到1%。(数据来自 magnetic resonance)。


  移动式的MRI目前已经可以实现用于脑部检查,虽然难以替代大型的MRI成像设备,但也可以帮助基层医院应对MRI的大部分检查。对于此前没有MRI设备的医院来说,是一个可以考虑的补充选项。


  不过除了研发便携式设备扩大影像设备应用场景外,也有通过车载CT、方舱CT等方式让CT可以在应急场景和基层医疗检查中使用。


  虽然移动式的CT、MRI应用场景上想象空间很大,但从现阶段来看,它们很难像大型的产品那样成为主流产品。


  我们应该冷静地看到虽然移动式MRI实现了巨大突破,但在医疗这个保守的市场中,它不会一夜之间改变临床使用现状和习惯。移动式设备变革市场的过程将是渐进的。


  提高医学成像的精度和依然是未来医学影像行业发展的关键。但医学影像的小型化、便携化和数字化潮流同样不容忽视,小型化设备不仅能够提高影像诊断效率,对于医院来说也可以增加检测收费项目。在未来,小型化和移动式的设备在成本上更具竞争力后,移动式医学影像设备的推广将进一步加速。(作者单位: 动脉网)


本文仅代表作者观点,不代表本站/APP立场。






  

(责任编辑:郭婷)

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