數(shù)字化整形外科

韓文卿*林力*馬建華張艷柴崗

·述 評·

數(shù)字化整形外科

韓文卿*1林力*1馬建華2張艷1柴崗1

數(shù)字化醫(yī)學是一門將醫(yī)學影像處理、三維重建與可視化技術、計算機輔助設計與制造、計算機導航系統(tǒng)與機器人輔助技術等相關數(shù)字化技術與臨床醫(yī)學緊密連接起來的綜合科學，其臨床應用日益廣泛。在整形外科領域，數(shù)字化技術得到了迅速的發(fā)展及應用?，F(xiàn)對數(shù)字化醫(yī)學的基本概念及其在整形外科中的應用進展作一綜合評述。

數(shù)字化醫(yī)學；三維打印技術；三維掃描技術；整形外科

數(shù)字化醫(yī)學是一門將醫(yī)學影像處理、三維重建與可視化技術、計算機輔助設計與制造、計算機導航系統(tǒng)與機器人輔助技術等相關數(shù)字化技術與臨床醫(yī)學緊密連接起來的綜合科學，其臨床應用日益廣泛。尤其在外科手術中，通過數(shù)字化技術可以將二維圖像或結構光測量數(shù)據(jù)轉化為三維立體圖形，通過人機交互的形式，在計算機程序控制下進行指定組織和部位的建模、設計和執(zhí)行，從而精確地輔助、模擬、實行、評估手術治療。影像處理系統(tǒng)、定位導航系統(tǒng)、配準處理系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、機器輔助系統(tǒng)等已成為數(shù)字化醫(yī)學技術的重要組成部分。目前，數(shù)字化整形外科是數(shù)字化醫(yī)學的重要應用領域之一，已取得了較多的研究和應用成果，并展示出廣闊的應用前景。

1 數(shù)字化導航技術

1873年，F(xiàn) Dittmar第1次使用立體定向手術從延髓組織中獲得樣本。1908年，V Horsley和RH Clarke發(fā)明了一種神經(jīng)外科的導航手術方法，即通過使用一個與框架相結合的立體定向導航技術定位顱內(nèi)結構。1947年，EA Spiegel首次使用頭部框架進行手術定位，并在人身上進行了臨床試驗。20世紀70年代后期，計算機體層攝影技術（computed tomography，CT）和三維影像技術的發(fā)展為計算機輔助外科奠定了技術基礎。1976年，M Bergstram等首先發(fā)明了將CT掃描坐標信息轉換至立體定向頭架中的導航裝置。作為導航定位技術的一個重要組成部分，立體框架的作用是為了牢固的固定患者的頭部，在手術期間，可以確保患者空間位置的相對固定，以利于后續(xù)的導航手術。而在框架外側，通過標志物的標定，所有與手術相關的解剖結構的相對位置都可以準確地反映出來。從20世紀七八十年代開始，該項技術應用非常廣泛，這是手術導航技術發(fā)展的第一個階段。但這種方法必須在患者身上安裝固定臂，給患者造成了痛苦，且影響一定區(qū)域的外科手術執(zhí)行，另外，在操作上繁瑣費時，精度有限。手術導航技術發(fā)展的第二個階段是使用無立體框架的導航系統(tǒng)。1987年，E Watanabe最早在神經(jīng)外科領域應用該技術，其在手術之前便可以選擇性地通過CT或MRI將患者解剖學結構標記出來。導航儀器包括關節(jié)的機械臂與計算機相關工作站，探測器在手臂的關節(jié)測量角變形量，這使根據(jù)跟蹤傳感器來計算術中位置成為可能。目前，在臨床上應用廣泛的便是此階段的導航系統(tǒng)。

隨后，1995年美國卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）研制了HipNav導航系統(tǒng)，采用CT圖像進行術前三維規(guī)劃，引導全髖置換手術，為臨床診治拓寬了思路。近年來，三維影像顯示、新型手術導航系統(tǒng)、?？漆t(yī)學智能機器人等新技術在國內(nèi)外外科領域開始廣泛的臨床應用[1]?，F(xiàn)在的導航系統(tǒng)一般可以分為機械、電磁、超聲、光學等方式。技術上也實現(xiàn)了通過追蹤設備對事先預定好的參考點進行實時導航。值得一提的是，基于光學的系統(tǒng)主要用于術中導航，這是目前最為精確的定位導航系統(tǒng)。2013年，Morrison等[2]利用三維術中導航輔助延遲重建復雜眶顴骨折，結合術前設計與術中導航規(guī)劃，使手術精確度提高、手術時間縮短。Cheng等[3]在頭頸重建領域中，借助三維導航系統(tǒng)建立三維鏡像模板對嚴重下頜骨缺損畸形的患者實施顯微外科手術，手術的準確性得以提高。

2 三維打印在整形外科的應用

三維打印（three-dimensional printing）技術是基于計算機三維數(shù)字成像技術和多層次連續(xù)打印技術的一種新興應用技術。內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期的“快速成型技術”（rapid prototyping）和全生產(chǎn)周期的“快速制造”（rapid manufacturing）相關的所有打印工藝、技術、設備類別及應用。已商品化的三維打印機以光固化打印、選擇性激光燒結打印、熔融沉積打印、三維打印為主要工藝。三維打印技術可用于制造實體模型、指導手術方案設計、打印制作組織工程、定向藥物輸送骨架等。因其能將復雜三維結構數(shù)字化，并精確地打印成實物,有望解決一系列工程學和構建科學的問題,被譽為新的工業(yè)革命[4]。

1992年，NG Stroker等首次將該技術引入整形外科領域，目前主要應用于隆鼻、隆頦的假體個性化定制、顱骨缺損的個性化修復、下頜骨重建術及截骨手術等。利用三維打印技術快速精確地制造三維結構完全仿真的生物模型，可用于臨床輔助診斷、復雜手術方案定制、個性化假體制作，也可用于醫(yī)用教學。Chrzan等[5]利用CT技術和三維打印技術為19例顱骨部分缺損患者制造出個性化假體，置入后效果良好。D′Urso等[6]驗證了三維打印技術的精確性。Levine等[7]利用該技術制作術中引導裝置，可以在術中實時提示截骨線等，起到了指導手術的作用。利用三維打印技術對腓骨瓣準確塑形和置入是恢復下頜骨自然弧度和牙種植術的基礎。三維打印技術也應用于可控緩釋藥物，Rowe等[8]以乳糖為粉末、熒光素鈉為模型藥物，利用三維技術打印了緩釋藥物制劑。隨著材料學的發(fā)展，Saijo等[9]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個性化假體，無需術中雕刻，直接置入人體。Boland等[10]將三維打印技術與生物材料學等多領域結合，成功打印出具有活性的微脈管系統(tǒng)?？梢姡锘钚源蛴【哂袕V闊的應用前景。

3 數(shù)字化技術在皮瓣和顯微外科導航中的實際應用

利用數(shù)字化虛擬技術對臨床常用皮瓣進行可視化設計與重建，并成功重建出背闊肌肌皮瓣、股前外側皮瓣、足背皮瓣、小腿外側皮瓣及其毗鄰結構的三維可視模型，顯示清晰，實體感強，為顯微外科教學提供了新的理論和技術方法,并為數(shù)字虛擬教室的建立打下了基礎。

數(shù)字化技術非常適合于下頜骨重建患者的個性化手術方案制定，并可以進行手術導板的制作。下頜骨重建術是重要的術式，也是最早最成熟的術式。Ueda等[11]較早使用醫(yī)用機器人和計算機輔助外科技術進行了下頜骨重建術，其利用計算機輔助三維固體模型與肩胛皮瓣進行了7例重建術，除1例死于轉移性癌癥外，其余6例患者均達到了較好的功能與審美效果。Modabber等[12]將髂嵴骨皮瓣用于下頜骨重建術，并通過實驗，得出在下頜骨重建術中腓骨游離皮瓣優(yōu)于髂嵴骨皮瓣的結論[13]。Berrone等[14]利用計算機輔助設計與制造技術在術前制作了患者模型與手術模板，并進行改造，對4例腫瘤患者進行了修復手術。Wilde等[15]則在尸體上進行了實驗，制作了導航鈦板。Kim等[16]為解決腓骨游離皮瓣行下頜骨重建后的移位問題，在計算機輔助技術下使用矢狀截骨術進行下頜骨重建。Zinser等[17]對比了計算機輔助設計與制造技術和傳統(tǒng)方法設計的咬板的使用效果，結果顯示前者的精度明顯優(yōu)于后者。Matros等[18]對比了計算機輔助設計與制造輔助皮瓣重建術與傳統(tǒng)皮瓣重建術在頭頸部腫瘤修復術中的應用效果，前者在延遲時間、前下頜缺陷、試樣變形、創(chuàng)建三維截骨術和上頜骨重建上都更有優(yōu)勢。顱骨缺損重建是數(shù)字化醫(yī)學中計算機輔助設計與制造生物相容性自定形植入物最早的臨床應用之一。最近，利用計算機輔助外科手術進行術前模擬，血管組織轉移至顱內(nèi)的區(qū)域規(guī)劃已成為可能[19]。Khechoyan等[20]通過術前模擬制作個性化模板，使顱縫早閉的患者也得到更精準地重建。其結果表明，通過術中計算機輔助設計和置入物的設計，手術的可重復性和精度已超過傳統(tǒng)的、非基于數(shù)字化模板的外科手術。

4 三維掃描成像技術在整形外科中的應用

三維掃描具有三維測量、輪廓重建及圖像處理等功能，可以快速得到各測量點對應的空間坐標，并自動生成三維數(shù)字點云圖像，可測量對象上兩個體表標志點的曲面距離和截面直線距離，面積和體積等數(shù)據(jù)也可以通過后期計算獲得。根據(jù)獲取信息的方式可分為接觸式和非接觸式，非接觸式又可分為激光掃描技術、結構光掃描技術、立體攝影測量技術、光柵投影技術和CT等。

三維掃描儀屬于非接觸式測量系統(tǒng)，其實質(zhì)是以光學精密工程為基礎的動態(tài)測量研究。激光掃描的優(yōu)點是測量速度快，測量精度高，能準確反映曲面形狀。三維掃描技術在整形外科的主要應用包括獲取并建立區(qū)域人群形體外貌的標準化三維數(shù)據(jù)庫，輔助計算機軟件及逆向工程進行三維模型的打印，為手術提供更加精確的指導；通過術后與術前的效果評價，并進行長期隨訪而獲取動態(tài)三維數(shù)據(jù)資料，可為臨床工作提供更多的科學依據(jù)。

齊向東[21]采用三維激光全息掃描儀采集當?shù)貥藴嗜巳旱娜S面部數(shù)據(jù)。Jayaratne等[22]利用立體三維攝影技術獲取了103例18～35歲中國人的三維照片。中國人面部三維數(shù)據(jù)庫的建立有助于幫助整形美容外科醫(yī)師為患者量身設計手術方案，滿足患者的心理需求，同時也增進了醫(yī)師與患者之間的交流。在瘢痕評估中，便攜式三維掃描儀的應用可以不受瘢痕局部解剖部位和結構復雜程度的限制,并有效地進行定量分析。在口腔醫(yī)學中，牙模型三維掃描儀作為當前主流數(shù)據(jù)采集裝置，其精度等指標直接決定最終修復體的適合性。在乳房測量中，三維掃描與以往測量乳房的同類方法（超聲、CT、MR三維重建等）相比，可以在自然體位下獲取乳房形態(tài)數(shù)據(jù)，且其測量為非接觸性，不引起組織變形。劉春軍等[23]應用精確的三維掃描技術對術后的乳房形態(tài)進行動態(tài)追蹤,分析手術前后的參數(shù)變化,客觀評價術后效果,為精確的個性化術前設計提供科學的客觀證據(jù),提高了臨床手術效果的可控性和可預測性。Kunos等[24]討論乳房體積測量的方法，描述了基于磁共振成像數(shù)字測量方法的細節(jié)，認為精確測量乳房體積有助于更好地手術規(guī)劃和選擇乳房假體。Henseler等[25]利用微軟的Kinect系統(tǒng)開發(fā)了一種新型的低成本的便攜式三維測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)客觀地對乳房評估方法進行了改進。

5 大數(shù)據(jù)時代的整形外科

近十年來，隨著基礎研究積累的不斷進步，在實時、無創(chuàng)檢測手段的推動下，利用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云交換，由人群的隊列研究和個體基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組、環(huán)境數(shù)據(jù)、疾病數(shù)據(jù)組成了大量的生物學數(shù)據(jù)，利用生物信息技術和大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)精準的疾病分類和診斷。其中數(shù)字化醫(yī)學技術起到了十分重要的作用。在臨床運用中，努力實現(xiàn)疾病診治方案的精準化研究，做到分子分型、分子預后和個體醫(yī)療。我們現(xiàn)階段的任務是對高通量組學研究（基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組）海量數(shù)據(jù)和患者臨床信息的結構化存儲和數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)臨床采樣、樣本分析、患者臨床信息、診療方案等核心步驟的高效整合；開發(fā)數(shù)據(jù)庫快速檢索和智能化數(shù)據(jù)挖掘工具，還需配套的管理與安全維護工具，進行多角度樣本對比與聚類，挖掘分子遺傳信息與患者臨床表現(xiàn)及檢測報告的相關性，通過各種交互式、可視化、圖形化操作界面，最終自動生成個體化醫(yī)學診斷報告與治療方案，服務于醫(yī)師和患者。

6 結語

數(shù)字化醫(yī)學廣泛應用于整形外科的各個方面，為患者進行疾病診斷、醫(yī)患溝通、醫(yī)學教學、術前規(guī)劃設計、手術模擬操作、優(yōu)化手術器械、預測評估手術效果等提供了一種新的方法，蘊含著巨大的應用前景。

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2016-12-01）

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.001.

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.001.

國家自然科學基金面上項目（81372097）；上海市科學技術委員會科研計劃項目（14441900800，14441900802）；上海交通大學“醫(yī)工交叉研究基金”（YG2014MS06）；上海交通大學醫(yī)學院高峰高原計劃研究型醫(yī)師（20161420）

1.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院 整復外科，上海 200011；2.泰興市人民醫(yī)院 神經(jīng)外科，江蘇 泰興 225400

柴崗，Email:13918218178@163.com

*共同第一作者

本文引用格式：韓文卿,林力,馬建華,等.數(shù)字化整形外科[J].中國美容整形外科雜志,2017,28(1):1-4.