當(dāng)數(shù)學(xué)遇上醫(yī)學(xué)——記浙江大學(xué)求是特聘教授孔德興

本刊記者 李 沖

在首屆數(shù)字醫(yī)學(xué)西湖論壇上做演講

數(shù)學(xué)源于人類早期的生產(chǎn)活動，在人類歷史發(fā)展和社會生活中發(fā)揮著不可替代的作用，在物理、工程、材料等諸多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，數(shù)學(xué)因此也成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)必不可少的基本工具。而當(dāng)數(shù)學(xué)遇上醫(yī)學(xué)，孔德興讓人們感受到數(shù)學(xué)在醫(yī)學(xué)中的奇妙作用，更看到精準醫(yī)療的未來。

把數(shù)學(xué)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

自2008年以來，孔德興一直致力于數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)的交叉研究，在國際上率先提出了數(shù)理醫(yī)學(xué)的概念。“醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代數(shù)學(xué)、物理學(xué)相交叉是今后科學(xué)發(fā)展的一個重要研究方向，它具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價值。這一嶄新的交叉學(xué)科不妨稱之為數(shù)理醫(yī)學(xué)”，在首屆數(shù)字醫(yī)學(xué)西湖論壇上，孔德興在介紹科研成果的同時，也闡述了把數(shù)學(xué)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實現(xiàn)精準手術(shù)的目標。

從有了把數(shù)學(xué)引入醫(yī)學(xué)這個想法，并確定有極大的可行性后，孔德興開始了他漫長的研究探尋，從基礎(chǔ)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)戰(zhàn)應(yīng)用數(shù)學(xué)，又從應(yīng)用數(shù)學(xué)拓展到數(shù)學(xué)物理，又再次回到應(yīng)用數(shù)學(xué)、特別是圖像處理研究上。這期間，復(fù)旦大學(xué)、理論物理國際中心（意大利）、日本學(xué)術(shù)振興會、上海交通大學(xué)、哈佛大學(xué)都留下了他的足跡，探尋、研究、不懈努力伴隨他左右。2008年作為求是特聘教授，他應(yīng)邀加入浙江大學(xué)數(shù)學(xué)系，從此開啟了數(shù)學(xué)與醫(yī)學(xué)對接、運用的征程。

先進的數(shù)學(xué)模型和高性能的科學(xué)算法是圖像分析與處理應(yīng)用軟件高精度及高速度的核心部分，是當(dāng)代醫(yī)療設(shè)備的核心技術(shù)。然而，當(dāng)前我國數(shù)學(xué)與醫(yī)學(xué)真正的交叉與應(yīng)用不多，特別是與臨床診療結(jié)合甚少，針對這樣的情況，他及其合作者建立了一些高效、精確、強大的全自動分割及可形變圖像配準算法，這些算法被認為是圖像引導(dǎo)下的放射性治療的尖端技術(shù)，能在保存正常組織的同時對腫瘤的位置進行精準的定位，也為醫(yī)生提供所有器官的解剖信息，使器官組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更清晰可看，為醫(yī)生能快速、定量、方便地定位準確的病灶，實施更精準手術(shù)創(chuàng)造了條件。

為能從更深層次找到疾病的發(fā)病規(guī)律，他及其合作者獨創(chuàng)了腫瘤跟蹤技術(shù)，不僅能精確有效地跟蹤放療過程，還能深入觀察腫瘤的發(fā)展變化，為進一步探明腫瘤發(fā)生的原因和規(guī)律提供了參考依據(jù)。在數(shù)學(xué)、物理學(xué)與醫(yī)學(xué)影像的對接中，他首創(chuàng)了癌細胞運動圖像分析方法，能有效診斷早期乳腺癌等疾病，為研究發(fā)病機制提供了理論依據(jù)。

如果沒有數(shù)學(xué)這個工具，這些醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用就不能實現(xiàn)，也不能為疾病的探究提供強有力的工具，也不能為醫(yī)學(xué)的進一步發(fā)展提供有效手段。他認為，“醫(yī)學(xué)的發(fā)展勢必與數(shù)學(xué)、物理學(xué)相交叉，同時還要與計算機科學(xué)、信息論及大數(shù)據(jù)科學(xué)等互聯(lián)網(wǎng)科技關(guān)聯(lián)。這是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，也是數(shù)學(xué)的需要?！?/p>

數(shù)字化讓醫(yī)學(xué)診療更精準

當(dāng)前，全球范圍都強調(diào)醫(yī)療精準，而“識圖”是精準醫(yī)療的關(guān)鍵，通過X射線、CT、MRI等成像技術(shù)，取得人體內(nèi)器官組織影像，從中獲取內(nèi)在信息，為臨床醫(yī)生提供更清晰、更精確的信息，以利于對疾病的進行準確的診斷、從而制定出合理的治療方案。但是，由于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量大、種類多的特點，給醫(yī)學(xué)圖像處理與分析帶來很大困難，甚至產(chǎn)生誤差，影響臨床手術(shù)的成功。對此，孔德興及其合作者建立了若干新穎的圖像去燥與圖像分割模型以及相應(yīng)的快速算法，這在數(shù)字化醫(yī)學(xué)及手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)中具有十分重要的作用，并成功運用于活體肝臟移植手術(shù)。

按慣例，為保證手術(shù)成功，醫(yī)生一般會在手術(shù)前，對肝臟內(nèi)的血管分布、結(jié)構(gòu)信息以及肝臟體積的進行準確測量，這是手術(shù)成功的決定因素，也是術(shù)前評估的重要依據(jù)，只有詳細完整的個體解剖信息才能有效降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)成功率。然而由于各醫(yī)院的CT機等成像設(shè)備隨機附帶的軟件功能存在很大差異，不能準確顯示完整的血管結(jié)構(gòu)，以及同時顯示三套血管系統(tǒng)，加之，在肝臟體積測量方面，需要人工劃出肝臟區(qū)域，這樣不僅耗時，而且不能及時進行信息處理，使手術(shù)時間延長。

看到傳統(tǒng)診療中的“無奈”，孔德興決定開發(fā)一套“數(shù)字化肝臟及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)”軟件，把前期研發(fā)的高性能科學(xué)算法利用計算機建模，在通過電腦演示中，僅用3～4分鐘就快速提供了詳細完整的可視化2D、3D肝臟解剖信息，還能通過三維重建和融合得到肝臟及血管完整、準確的幾何結(jié)構(gòu)，不僅可為活體移植提供詳細的解剖信息，還可模擬手術(shù)。同時能精確地測量全肝臟體積及模擬手術(shù)后的左、右肢體積，血管切面直徑等定量信息。他設(shè)計的這個軟件被成功用于浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院印尼肝癌患者活體肝移植手術(shù)，這是印尼歷史上首例活體肝移植手術(shù)，也是我國第一例成功走出國門的活體肝移植手術(shù)?！斑@套軟件無論是，在理論上，還是在應(yīng)用上都是一流的”，印尼醫(yī)院給予了高度評價。

“精準”是孔德興始終追求的目標。2014年，他與浙江省腫瘤醫(yī)院合作，對一名肝臟腫瘤巨大患者進行了精準臨床手術(shù)，并取得成功。

射頻消融術(shù)是利用人體體液中含有離子、水、膠體微粒等大量移動傳導(dǎo)電介質(zhì)，通過高頻交流電和高頻振蕩，使離子快速運動，相互磨擦產(chǎn)生生物熱作用，并針對腫瘤散熱差、癌細胞對高熱敏感的特點，使腫瘤組織溫度高于其鄰近正常組織，運用這種生物熱殺滅癌細胞。

為使手術(shù)精準，盡可能減小手術(shù)對病人的傷害，他設(shè)計了肝臟腫瘤射頻消融術(shù)術(shù)前精準模擬規(guī)劃以及用于手術(shù)導(dǎo)航的“精準射頻消融肝臟腫瘤系統(tǒng)”。經(jīng)過數(shù)字化肝臟系統(tǒng)的評估，醫(yī)生發(fā)現(xiàn)患者的預(yù)留肝臟不具備一步到位的手術(shù)，按照孔德興設(shè)計的術(shù)前精準模擬規(guī)劃及手術(shù)方案，醫(yī)院對患者實施了門靜結(jié)扎和射頻消融斷肝，減小了切除損傷，為患者最終找到了合適時機實施手術(shù)，取得圓滿成功，他開發(fā)的這套系統(tǒng)實現(xiàn)了手術(shù)精準的術(shù)前評估，還大大降低了手術(shù)風(fēng)險。

2015年，在BFC醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)商務(wù)與融資合作交流會上，他研發(fā)的數(shù)字化肝臟及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)路演，吸引了全場的關(guān)注，并被譽為“讓醫(yī)生‘走進’人體內(nèi)，把一切都看清楚，像摘蘋果一樣輕松摘除腫瘤的先進科技”。

數(shù)字化肝臟及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)幫助醫(yī)院解決了臨床手術(shù)難題，也為孔德興的研究開拓了一條寬闊的道路。為使他的研究項目產(chǎn)業(yè)化，浙江大學(xué)創(chuàng)新技術(shù)研究院為此成立了一家高科技公司，該公司致力于現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論深層次地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)圖像處理與分析的研究、開發(fā)和應(yīng)用等方面。他們利用3D重建，配準，分割，器官、血管、腫瘤精確定位、布針方案、B超引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航、針頭定位算法等，開展了早期檢測與診斷、術(shù)前精準模擬規(guī)劃、術(shù)中實時導(dǎo)航、術(shù)后評估等。同時，成功開發(fā)了有多項國家發(fā)明專利的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品，包括應(yīng)用于活體肝移植術(shù)前精準模擬規(guī)劃的“數(shù)字化肝臟與手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)”；應(yīng)用于肝臟腫瘤射頻消融術(shù)的術(shù)前精準模擬規(guī)劃及手術(shù)導(dǎo)航的“精準射頻消融肝臟腫瘤系統(tǒng)”、“良性腫瘤、惡性腫瘤的甄別系統(tǒng)”等。

面對這些關(guān)于數(shù)學(xué)與醫(yī)學(xué)相交叉方面取得的成就，孔德興只淡淡地告訴記者，“我的目標是把數(shù)理醫(yī)學(xué)真正發(fā)展成為一門學(xué)科，最終建立一個‘?dāng)?shù)學(xué)方程’來闡明生命科學(xué)中的一些基本規(guī)律”。