數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展

宮立恒 張曉

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，由計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引發(fā)的數(shù)字化技術(shù)革命，已經(jīng)深入到各個(gè)不同的領(lǐng)域。數(shù)字醫(yī)學(xué)迅速的發(fā)展起來了，筆者對(duì)中國知網(wǎng)已有的研究成果進(jìn)行了查閱，并對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理和歸納，總結(jié)如下。

關(guān)鍵詞：數(shù)字醫(yī)學(xué)；數(shù)字人；可視人

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）23-0081-03

近年來，數(shù)字化技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和前景日益顯現(xiàn)。人體解剖這一悠久的學(xué)科正借助于計(jì)算機(jī)等高科技的東風(fēng)迸發(fā)出青春活力，尤其隨著可視人、虛擬人的研究日益深入，古老的人體解剖學(xué)將迎來新的發(fā)展契機(jī)。筆者對(duì)已有的研究成果進(jìn)行了查閱，檢索到文獻(xiàn)相對(duì)豐富，因此對(duì)這個(gè)問題的研究還是比較充分的。本文對(duì)數(shù)字人體的基本概念、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

一、概念和特點(diǎn)的研究

傅征教授認(rèn)為數(shù)字醫(yī)學(xué)從廣義上來講就是計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)的發(fā)展達(dá)到較高水平之后，向整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)生滲透、融合，并形成許多嶄新的醫(yī)學(xué)理念進(jìn)而推動(dòng)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等各方面工作產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。在2008年舉辦的第11次工程前沿?cái)?shù)字醫(yī)學(xué)研討會(huì)上，專家對(duì)數(shù)字醫(yī)學(xué)的定義進(jìn)行了明確的闡述：數(shù)字醫(yī)學(xué)是應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)解決醫(yī)學(xué)現(xiàn)象、解決醫(yī)學(xué)問題、探討醫(yī)學(xué)機(jī)制、提高生命質(zhì)量的一門科學(xué)。各種醫(yī)院管理信息系統(tǒng)（HIS）和臨床信息系統(tǒng)（CIS）的開發(fā)與實(shí)施、區(qū)域醫(yī)療協(xié)同與醫(yī)聯(lián)體、遠(yuǎn)程病理會(huì)診、醫(yī)療檢查技術(shù)的數(shù)字化、數(shù)字醫(yī)院的打造[1]、數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)等都屬于數(shù)字醫(yī)學(xué)的范疇。

目前數(shù)字醫(yī)學(xué)的基本特征可概括如下：首先是交叉性較強(qiáng)，數(shù)字醫(yī)學(xué)的興起是基于數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能等前沿科學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，它的發(fā)展自開始便呈現(xiàn)出多學(xué)科的相互滲透、高度融合的特點(diǎn)。其次，數(shù)字醫(yī)學(xué)已逐漸全方位、多角度地覆蓋到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)層次和角落，從計(jì)算機(jī)輔助診斷、設(shè)計(jì)到網(wǎng)上掛號(hào)、手術(shù)導(dǎo)航，從電子病歷、居民就醫(yī)“一卡通”到數(shù)字化醫(yī)院，等等都被覆蓋其中[2]，它正以獨(dú)有的方式悄然改變著當(dāng)今的醫(yī)學(xué)面貌與模式。再者，數(shù)字技術(shù)可以將復(fù)雜抽象的醫(yī)學(xué)信息轉(zhuǎn)化成文字、圖表、圖像等進(jìn)行傳輸，不僅使信息的表達(dá)形式更加直觀形象，而且極大地提高了診療效率。除此之外，數(shù)字醫(yī)學(xué)基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)，能夠快速地實(shí)現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)間醫(yī)療信息的共享和加速信息傳遞等。正是由于數(shù)字醫(yī)學(xué)的這些特征，才使其作為一門新興的前沿學(xué)科如此富有朝氣與活力。

二、國外研究現(xiàn)狀

在一些比較發(fā)達(dá)的國家，如美、英、日、德等在前沿的醫(yī)學(xué)影像、手術(shù)導(dǎo)航等臨床數(shù)字醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已率先取得了突破性進(jìn)展，并生產(chǎn)了大量的診療設(shè)備，其他諸如可以提供臨床技能模擬培訓(xùn)服務(wù)的高端產(chǎn)品也紛紛銷往國外[3]。這些國家不僅在數(shù)字化設(shè)備方面是領(lǐng)先的，數(shù)字醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展也是相當(dāng)迅速的。對(duì)數(shù)字化人體的探索研究是數(shù)字醫(yī)學(xué)的基石。數(shù)字人體的任務(wù)主要是模擬、顯示真實(shí)人體的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)、人體各系統(tǒng)正常的生理功能，更加振奮的是，利用計(jì)算機(jī)的可視化技術(shù)可以穿越皮膚直達(dá)體內(nèi)，看到人體九大系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷程分析，大致劃分為四個(gè)階段：數(shù)字化可視人，數(shù)字化物理人，數(shù)字化生理人，數(shù)字化智能人。這幾個(gè)階段彼此重疊，相互交叉。

目前在以美國為主導(dǎo)的西方發(fā)達(dá)國家中，一系列龐大的數(shù)字人正在實(shí)施，諸如可視人體計(jì)劃（Visible Human Project，VHP）、虛擬人計(jì)劃和人類腦計(jì)劃等[4]?！翱梢暼梭w計(jì)劃”誕生于1989年，由美國國立醫(yī)學(xué)圖書館首次提出，之后美國便著手進(jìn)行實(shí)體解剖數(shù)據(jù)的收集工作。1994年，美國專業(yè)人員利用精密切片機(jī)將一具男尸先后切成了1000余片（每片厚度1mm）；1998年，又成功獲取一具女尸的人體切片，此次切片數(shù)量達(dá)5000多片（每片厚0.33mm），在此基礎(chǔ)上獲得兩個(gè)虛擬人光學(xué)照片數(shù)據(jù)以及CT和MRI斷層掃描圖像。利用這些現(xiàn)代技術(shù)成功分離美國紐約大學(xué)復(fù)雜頭部聯(lián)體嬰兒，手術(shù)的成功無疑得益于數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)步。此后，在臨床需求的牽引下，不少發(fā)達(dá)國家紛紛給予不同程度的立項(xiàng)資助[5]。2013年，美國意識(shí)到大腦信息數(shù)字化的非凡意義，因此發(fā)起了“人大腦活動(dòng)圖”這一龐大項(xiàng)目。此外，韓國也宣布進(jìn)入“虛擬韓國人”計(jì)劃，該計(jì)劃為期5年，預(yù)計(jì)獲取4個(gè)人體的CT、核磁和組織學(xué)橫斷面數(shù)據(jù)。在后兩個(gè)人的主試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)精度是VHP男性的5倍，每個(gè)人的數(shù)據(jù)達(dá)200GB。

在獲取了人體解剖數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，美國賓州大學(xué)利用3DViewnix系統(tǒng)[6]，德國漢堡大學(xué)利用Voxel- Man系統(tǒng)，對(duì)某些人體器官的解剖形態(tài)成功的進(jìn)行了識(shí)別和重現(xiàn)。截至2000年，美國科學(xué)家已獲得數(shù)個(gè)器官的解剖模型，包括心臟、肌肉、骨骼以及皮膚。2012年8月，在美國最高領(lǐng)導(dǎo)人奧巴馬的全力支持下，首個(gè)國家級(jí)3D打印添加劑研發(fā)中心在俄亥俄州正式成立，并預(yù)計(jì)投資5億美元用以探索3D打印技術(shù)[7]。美國維克森林大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)最新研究表明，可以將不同種類的腎臟細(xì)胞（活體細(xì)胞培育而成）置于3D生物打印機(jī)內(nèi)，打印出由真正的活體細(xì)胞構(gòu)成的腎臟，只是打印出的腎臟還無法發(fā)揮生理功能[8]。隨著不斷發(fā)展的數(shù)字化新技術(shù)，各國基于人體標(biāo)本的三維重建和可視化的研究成果頗豐。

三、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國的“數(shù)字化虛擬人體的科技問題”是在2001年舉行的第174次香山科學(xué)會(huì)議上提出來的，在2003年的第208次香山科學(xué)會(huì)議上數(shù)字醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究得到了進(jìn)一步的重視，各省份的數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心和委員會(huì)紛紛成立，并于2011年成立了中華醫(yī)學(xué)會(huì)數(shù)字醫(yī)學(xué)分會(huì)，在全國范圍內(nèi)搭建起了數(shù)字醫(yī)學(xué)的學(xué)術(shù)平臺(tái)。近年來，各方面研究都勢(shì)如破竹，發(fā)展迅速，表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。

（一）全國掀起了如火如荼的基礎(chǔ)研究工作

以第一軍醫(yī)大學(xué)、中科院計(jì)算所等組成的國家“863”虛擬中國人課題組認(rèn)為，標(biāo)本的包埋、血管的灌注等可以直接影響采集精度，因此在這些方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并陸續(xù)采集到兩套（一男一女）人體數(shù)據(jù)集。此項(xiàng)成果獲得了2007年的國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。同時(shí)，由于國內(nèi)外嬰兒數(shù)據(jù)集一直存在空缺，因此又對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了準(zhǔn)備。于2003年獲取了中國女嬰一號(hào)數(shù)據(jù)集，該項(xiàng)目人體切片的斷層間距為0.1mm，分辨率為4256×2848像素，并且利用了血管灌注色素的先進(jìn)技術(shù)[9]。隨著人體數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷優(yōu)化，我國已成功建立了8個(gè)高精密度的人體數(shù)據(jù)集。

在數(shù)字人體的基礎(chǔ)上，第三軍醫(yī)大學(xué)利用自主研發(fā)的UN-3D-S2型3D打印機(jī)打印出了人體肝臟、耳蝸和脊柱等模型，適用于個(gè)性化手術(shù)方案的設(shè)計(jì)[10]。我國在骨科領(lǐng)域已研發(fā)出眾多3D打印植入物，其中頸椎人工椎體、頸椎椎間融合器及人工髖關(guān)節(jié)三個(gè)產(chǎn)品，在2013年被批準(zhǔn)正式進(jìn)入臨床觀察階段[11]。

由上海交通大學(xué)王成燾教授承擔(dān)的課題“中國力學(xué)虛擬人”是來自國家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)支持項(xiàng)目，任務(wù)是按照國人標(biāo)準(zhǔn)建立“骨骼—肌肉—韌帶”的生物力學(xué)模型，為推進(jìn)數(shù)字可視人向數(shù)字物理人的發(fā)展提供支撐[12]。華中科技大學(xué)駱清銘等在進(jìn)行的基于人體數(shù)據(jù)集的生理組學(xué)研究，目前還處于起步階段，主要成果是提出了對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)和生理過程模型進(jìn)行多層次體系的建立，并且該計(jì)劃已建立了若干器官及組織的生理學(xué)模型[13]。

（二）眾多基于數(shù)字人的前沿臨床應(yīng)用研究也紛紛展開

在肝臟外科疾病治療中，由于腫瘤部位多發(fā)，肝內(nèi)管道系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，可以在手術(shù)前應(yīng)用數(shù)字醫(yī)學(xué)軟件對(duì)術(shù)者肝臟的體積大小及儲(chǔ)備功能提前評(píng)估，保證術(shù)后可維持正常的肝功能[14]，這樣能大大提高手術(shù)的準(zhǔn)確性。在活體肝移植方面，新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院的張金輝大夫認(rèn)為，利用數(shù)字化三維重建軟件[15]可立體顯示肝臟及其內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)的位置、形態(tài)，臨床醫(yī)生能根據(jù)情況隨意調(diào)整供肝的切割平面，不僅滿足了受體需要，也最大限度的保護(hù)了供體的安全[16]。

在婦科臨床方面，南方醫(yī)院婦產(chǎn)科陳春林教授應(yīng)用血管鑄型技術(shù)構(gòu)建的子宮動(dòng)脈血管網(wǎng)模型可呈現(xiàn)各級(jí)血管的精細(xì)結(jié)構(gòu)，立體顯示出子宮動(dòng)脈血管網(wǎng)、分支和血管的交通吻合狀況，對(duì)婦產(chǎn)科某些研究領(lǐng)域，如動(dòng)脈栓塞、動(dòng)脈化療等疾病的診斷和治療具有重要作用[17]。

應(yīng)用于骨科的數(shù)字技術(shù)主要有三維立體重建、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、手術(shù)導(dǎo)航等。尤其是在粉碎性骨折中，三維重建骨關(guān)節(jié)模型可以使醫(yī)生對(duì)復(fù)雜骨折形成一個(gè)直觀概念，實(shí)現(xiàn)復(fù)位和固定的最佳效果。同時(shí)，在假體置換領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造的技術(shù)結(jié)合已獲成效[18]。在足踝外科領(lǐng)域，針對(duì)平足及糖尿病足已制造出個(gè)性化矯形鞋具和鞋墊，并在臨床上獲得好評(píng)[19]。

2015年8月，上海兒童醫(yī)學(xué)中心宣布與比利時(shí)Materialise公司共建國內(nèi)首個(gè)“兒科3D數(shù)字醫(yī)學(xué)研究中心”，此次合作將以個(gè)體化臨床治療、生物結(jié)構(gòu)重建、智能化數(shù)據(jù)分析為主要目標(biāo)。雙方將致力于推進(jìn)我國數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)研究，并促進(jìn)其在小兒外科的臨床成果轉(zhuǎn)化。

數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步為傳統(tǒng)外科學(xué)注入了新的血液，為21世紀(jì)的外科學(xué)引入了全新而先進(jìn)的理念，如數(shù)字化微創(chuàng)外科、精準(zhǔn)外科等，這些理念為外科學(xué)的發(fā)展帶來了前所未有的發(fā)展契機(jī)，而數(shù)字醫(yī)學(xué)正手持利劍開辟著道路。

四、數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展展望

數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路，也從各方面改變著當(dāng)今醫(yī)學(xué)的發(fā)展面貌。著名外科學(xué)家黃志強(qiáng)教授曾預(yù)言，“將來的外科醫(yī)生可能不得不與機(jī)器人為伍”，可以窺見數(shù)字醫(yī)學(xué)的重要性。利用虛擬手術(shù)系統(tǒng)展開術(shù)前模擬；在術(shù)中通過手術(shù)導(dǎo)航指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程；3D打印技術(shù)的日益進(jìn)步，加速了個(gè)性化醫(yī)療的進(jìn)程；機(jī)器人的使用讓手術(shù)更加精準(zhǔn)；遠(yuǎn)程醫(yī)療使得優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源得以共享；智能臨床診斷及治療專家系統(tǒng)也將極大地助力醫(yī)生診療業(yè)務(wù)；基于數(shù)字技術(shù)的介入診斷和介入治療；數(shù)字化醫(yī)院的建設(shè)；等等，這些無一例外都需要數(shù)字醫(yī)學(xué)的長足發(fā)展與應(yīng)用。

隨著人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，我們期待數(shù)字醫(yī)學(xué)的研究能夠得到社會(huì)各界廣泛的支持和認(rèn)同，讓我們攜手共進(jìn)，銳意進(jìn)取，共同推動(dòng)中國數(shù)字醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展。

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