數(shù)字醫(yī)學(xué)在臨床上應(yīng)用的部分信息

張美超，李忠華，鐘世鎮(zhèn)

(南方醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室，廣東 廣州 510515)

數(shù)字醫(yī)學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)及信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的新興學(xué)科，我國的數(shù)字醫(yī)學(xué)起步于21世紀(jì)初的數(shù)字人技術(shù)。2001年，由鐘世鎮(zhèn)主持的174次香山科學(xué)會(huì)議揭開了我國數(shù)字人研究的序幕，當(dāng)年研討的主題是“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”。2003年，鐘世鎮(zhèn)再次主持208次香山科學(xué)會(huì)議，研討的主題是“中國數(shù)字化虛擬人體研究的發(fā)展與應(yīng)用”。2004年，鐘世鎮(zhèn)主編的《數(shù)字人和數(shù)字解剖學(xué)》出版，2006年國家衛(wèi)生部創(chuàng)辦了《中國數(shù)字醫(yī)學(xué)》學(xué)術(shù)期刊；2007年由張紹祥主持召開了中國首屆數(shù)字醫(yī)學(xué)研討會(huì)；2008年在北京中國工程院，由鐘世鎮(zhèn)、戴尅戎、王正國召集召開中國工程前沿學(xué)術(shù)會(huì)議數(shù)字醫(yī)學(xué)研討會(huì)；2011年，中華醫(yī)學(xué)會(huì)數(shù)字醫(yī)學(xué)分會(huì)成立，張紹祥任主任委員。隨后，各省的數(shù)字醫(yī)學(xué)會(huì)相繼成立，2016年國際數(shù)字醫(yī)學(xué)會(huì)正式成立，張紹祥任會(huì)長，使我國數(shù)字醫(yī)學(xué)與國際接軌。經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前數(shù)字醫(yī)學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各行各業(yè)都在普遍開展，且發(fā)展迅猛，資料信息浩如煙海，本文就熟悉的幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 醫(yī)用3D打印技術(shù)

3D打印的原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型，分解成若干層平面切片，然后把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。因此，3D打印也稱增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù)。國際上，美國人查克-霍爾(Chuck Hull)于1983年發(fā)明了首臺(tái)3D打印機(jī)，當(dāng)時(shí)還沒有“3D打印”這個(gè)名字，以后經(jīng)過不斷完善改進(jìn)，效益逐步提升，1986年成立了3Dsystem公司，開始銷售“快速成型”機(jī)器。

李克強(qiáng)總理非常關(guān)注3D打印技術(shù)，2015年8月21日國務(wù)院集體學(xué)習(xí)，在聽取盧秉恒院士“先進(jìn)制造與3D打印”講座后指出，3D打印是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了制造從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，具有重大價(jià)值；國家工信部、財(cái)政部頒發(fā)了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》(2015-2016)。有中央領(lǐng)導(dǎo)的重視，國家機(jī)關(guān)的推進(jìn)，廣大科技人員和企業(yè)的熱情參與投入，現(xiàn)已初步建立了較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平基本與國際同步。

我國有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用3D打印機(jī)，能大量生產(chǎn)，使得打印成本下降，促進(jìn)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。例如華南理工大學(xué)研發(fā)的激光選區(qū)熔化工藝，填補(bǔ)了我國金屬零件3D打印技術(shù)空白，并與北京大學(xué)第三醫(yī)院聯(lián)合研制個(gè)性化膝關(guān)節(jié)和人工髖關(guān)節(jié)獲CFDA批準(zhǔn)；陸聲3D打印制作了脊柱進(jìn)釘導(dǎo)向模板；譚海濤、黃文華的肢體截骨3D打印導(dǎo)航模板大量應(yīng)用臨床等。廣東省于2016年成立了醫(yī)學(xué)3D打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，現(xiàn)該中心已在省內(nèi)外建立了19個(gè)臨床基地，同年譚海濤，黃文華總結(jié)眾多臨床實(shí)踐主編出版了國內(nèi)首部《3D骨科學(xué)》專著。

醫(yī)學(xué)影像中以骨質(zhì)材料掃描最為清晰，3D重建及打印最為精確，所以3D打印在骨科應(yīng)用最早也最廣泛，為精準(zhǔn)醫(yī)療開了先河。例如，2006年原成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院陸聲率先采用3D打印技術(shù)精確重建出脊柱側(cè)彎病例模型，在模型上模擬手術(shù)，并研制出椎弓根進(jìn)釘導(dǎo)板應(yīng)用于病人手術(shù)中，手術(shù)效果良好；南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院利用3D打印嚴(yán)重骨盆病損模型，作為修復(fù)手術(shù)前設(shè)計(jì)參考；川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科蔣科，通過3D打印技術(shù)制作出實(shí)體導(dǎo)板，應(yīng)用于骶髂關(guān)節(jié)骨折后螺釘植入固定，等。

2 人工智能外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。早在3000多年前的西周時(shí)期，著名工匠偃師就研制出了能歌善舞的人偶，這是中國最早文字記載的人工智能的嘗試。西漢三國時(shí)期蜀國名相諸葛亮創(chuàng)造出了運(yùn)送軍用物資的“木牛流馬”，這是運(yùn)輸機(jī)器人的早期探索。創(chuàng)造出一種像人一樣的機(jī)器，以便能夠代替人去做各種工作，代表了人類了解自身、完善自身、重塑自身的強(qiáng)烈愿望。

在臨床外科領(lǐng)域，人工智能外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)是集多項(xiàng)現(xiàn)代高科技手段于一體的綜合體，利用此技術(shù)，外科醫(yī)生可以遠(yuǎn)離手術(shù)臺(tái)操縱機(jī)器進(jìn)行手術(shù)，完全不同于傳統(tǒng)的手術(shù)概念。機(jī)器人手術(shù)主要的優(yōu)越性有：(1)高精度3D影像平臺(tái)監(jiān)視；(2)機(jī)械臂的性能穩(wěn)定精準(zhǔn)；(3)能完成高難度手術(shù)操作。2006年，首臺(tái)進(jìn)口達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人落戶解放軍301醫(yī)院時(shí)，我國手術(shù)機(jī)器人的研制和臨床應(yīng)用總體水平低，普及率不高，啟步維艱。“玉經(jīng)琢磨多成器，百煉功成始自然”，經(jīng)過艱苦的自力更生，大膽的探索創(chuàng)新，我國國產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人項(xiàng)目發(fā)展迅速，其中較有代表性的醫(yī)工結(jié)合團(tuán)隊(duì)及成果有：北京航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院的“Reme bot”神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人、北京航天大學(xué)和積水潭醫(yī)院的“天智航”雙平面骨科手術(shù)機(jī)器人。“萬點(diǎn)落花舟一葉，載將春色到江南”，2016年6月3日，習(xí)近平主席參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展的13項(xiàng)標(biāo)志性的科技成果，位列第5的北京積水潭醫(yī)院田偉院長研發(fā)的第三代骨科手術(shù)機(jī)器人是醫(yī)藥領(lǐng)域唯一代表，習(xí)主席贊揚(yáng)了這一具有中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)機(jī)器人成果。因?yàn)闄C(jī)器人衡量和標(biāo)志著一個(gè)國家的科技創(chuàng)新和高端制造水平，隨后國家發(fā)改委、工信部、財(cái)政部三部委聯(lián)合發(fā)《機(jī)器人生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃》(2016-2020)文件，推動(dòng)機(jī)器人國產(chǎn)化發(fā)展，在三部委的《規(guī)劃》文件中，就有手術(shù)和醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人內(nèi)容。機(jī)器人手術(shù)在臨床工作中也取得了快速的發(fā)展，例如四川省人民醫(yī)院于2016年8月成立了全國首個(gè)整合多專業(yè)的機(jī)器人微創(chuàng)中心，中心創(chuàng)造了多項(xiàng)全球、國內(nèi)、省內(nèi)首例和首創(chuàng)，是西部第一家達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人中國泌尿外科臨床手術(shù)教學(xué)示范中心、首批中華醫(yī)學(xué)會(huì)泌尿?qū)I(yè)腹腔鏡培訓(xùn)基地、國家衛(wèi)健委機(jī)器人手術(shù)操作指南署名單位[1-2]，中心主任王東于2018年獲亞洲“機(jī)器人大師”稱號(hào)。

3 有限元數(shù)值仿真技術(shù)

有限單元法(finite element method,FEM)是近幾十年來應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種數(shù)學(xué)物理數(shù)值仿真技術(shù)，通過數(shù)值建模和模擬計(jì)算，對(duì)各類醫(yī)學(xué)對(duì)象中涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)及多物理場的問題進(jìn)行求解計(jì)算和分析，并與計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維圖像可視化等技術(shù)相結(jié)合，逐漸成為醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中數(shù)值虛擬仿真的重要方法之一，也是數(shù)字骨科基礎(chǔ)研究中生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的重要手段。

例如，上海交通大學(xué)王成燾教授完成的“中國力學(xué)虛擬人”項(xiàng)目，建立了一個(gè)人體骨肌系統(tǒng)參數(shù)化幾何模型，通過輸入人體參數(shù)轉(zhuǎn)換為具體研究對(duì)象的骨肌系統(tǒng)模型，并通過運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可將測(cè)量得到的人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為骨肌系統(tǒng)模型的運(yùn)動(dòng)，以及通過運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析和肌肉力計(jì)算得到一個(gè)行為過程中的關(guān)節(jié)力和肌肉力，以此驅(qū)動(dòng)人體全身骨肌系統(tǒng)有限元模型，可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析[3]；南方醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室、廣東省醫(yī)學(xué)生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡輝瑩、鐘世鎮(zhèn)、張美超等，借助Mimics軟件的輔助網(wǎng)格劃分功能和采用CT灰度模擬材料性能的方法重建正常人體骨性胸廓結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，并針對(duì)臨床上人體心肺復(fù)蘇時(shí)胸外按壓急救過程中存在的實(shí)際問題進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為心肺復(fù)蘇過程中胸外按壓的力學(xué)機(jī)制與臨床效果提供實(shí)驗(yàn)仿真[4]；川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科陳路、張建光、鄧長弓等,為提高髖臼杯初始穩(wěn)定性,應(yīng)用工程建模軟件重建髖臼杯，并通過有限元分析的方法對(duì)比了鎖定螺釘輔助固定新型技術(shù)與傳統(tǒng)固定方式的可行性與優(yōu)勢(shì)[5]。

4 數(shù)字醫(yī)學(xué)三維可視化仿真技術(shù)

數(shù)字醫(yī)學(xué)三維可視化技術(shù)是利用影像學(xué)二維資料，導(dǎo)入三維重建軟件，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建可視化人體圖形，為臨床工作提供科學(xué)性的參考依據(jù)，例如南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院在子宮頸癌，侵蝕性葡萄胎，殘角子宮、畸胎瘤等病例上應(yīng)用成功。上海九院為眶距增寬癥患者整形美容，南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院對(duì)下頜角肥大整形美容，均利用三維重建圖像精準(zhǔn)設(shè)計(jì)截骨量，術(shù)后效果優(yōu)良。

隨著醫(yī)學(xué)信息數(shù)字化的發(fā)展，基于三維可視化的仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床各個(gè)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，目前的主流包含虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和混合現(xiàn)實(shí)(MR)等技術(shù)，簡單介紹如下：

4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality，VR)

VR是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感。例如，虛擬解剖技術(shù)既有助于提高醫(yī)學(xué)教學(xué)的趣味性及醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，又可以提高臨床教學(xué)效果；陸軍軍醫(yī)大學(xué)多角度、全方位仿真心臟跳動(dòng)、幫助理解超聲心動(dòng)圖；南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院利用仿真技術(shù)演示8段肝癌的血管毗鄰；大連人民醫(yī)院在股骨頭壞死的手術(shù)治療，用虛擬仿真演示帶血管蒂髂骨瓣和大轉(zhuǎn)子骨瓣的植入術(shù)式等[6-8]。

4.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)

AR是通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。目前，臨床骨科中應(yīng)用的手術(shù)機(jī)器人技術(shù)就是AR的典型應(yīng)用，它在骨折復(fù)位、關(guān)節(jié)置換、骨盆髖臼骨折、股骨頸骨折及脊柱椎弓根螺釘置入等臨床手術(shù)中應(yīng)用廣泛。

4.3 混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)

MR是VR和AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將虛擬物體直接放到真實(shí)世界中，通過MR設(shè)備，使虛擬世界、用戶、現(xiàn)實(shí)世界三者之間形成交互反饋，虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界在一個(gè)新的可視化環(huán)境中能夠?qū)崟r(shí)互動(dòng)。通過該技術(shù)，觀察者使用手勢(shì)操作可以從任意角度對(duì)三維模型進(jìn)行觀察，便于醫(yī)患溝通、制定手術(shù)方案及術(shù)中導(dǎo)航。武漢科技大學(xué)附屬普仁醫(yī)院骨科的劉融、劉彬、高迪等在老年骨質(zhì)疏松性胸腰椎椎體壓縮性骨折治療中使用混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備輔助，起到了促進(jìn)醫(yī)患溝通、減少透視次數(shù)、縮短手術(shù)時(shí)間、降低骨水泥滲漏率和更好恢復(fù) Cobb 角等的作用；余可誼、李子全、蔡思逸等探索了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在經(jīng)皮椎間孔入路腰椎間盤切除術(shù)臨床教學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)可提高醫(yī)學(xué)教學(xué)的形象化、交互性和三維空間感，對(duì)?？漆t(yī)師的模擬訓(xùn)練具有重要的發(fā)展前景[9-10]。