數字醫學及其在胸外科中的應用研究進展

張　滿(綜述)，郭占林(審校)

(內蒙古醫科大學附屬醫院胸外科，呼和浩特 010050)

數字醫學及其在胸外科中的應用研究進展

張滿(綜述)，郭占林※(審校)

(內蒙古醫科大學附屬醫院胸外科，呼和浩特 010050)

摘要：數字醫學就是將現代醫學和數字化高新技術相結合，產生的一門新興的交叉學科，在眾多臨床學科中已有許多成功的應用。數字醫學技術的應用使一些以往無法診斷的疾病現在可以用數字化技術診斷，無法準確進行的治療操作現在可用數字化技術保駕護航。同時，數字醫學技術在胸部腫瘤的診斷、療效的判定、肺小結節的定位及胸腔鏡手術中也展現出了廣闊的應用前景。該文就數字醫學技術及其在胸外科中應用的研究進展予以綜述。

關鍵詞：胸部腫瘤；數字醫學；數字技術；胸外科；胸腔鏡

數字醫學是數學、計算機科學、電子學、組織工程學等學科在醫學中的綜合應用。如今以三維影像診斷技術、手術導航技術、虛擬現實技術、計算機成像技術等為代表的數字醫學技術已在臨床中展露出了廣泛的應用前景，在骨科、神經外科、普外科等眾多臨床學科中已有許多成功的應用，為疾病的術前診斷、術中導航、術后康復以及制訂手術計劃、手術模擬演練、手術教學、手術技能訓練等提供了強有力的工具和方法。但數字醫學在胸外科中的應用還鮮有報道。現通過綜述數字醫學技術及其在胸外科的研究進展，著重展示其在胸外科中的廣泛應用前景，促進其進一步的應用。

1數字醫學的概念及其臨床應用

1.1數字醫學技術的概念數字醫學概念起源于1994年美國啟動的“可視人計劃”，此后韓國及我國相繼啟動數字人計劃，從而開啟了數字醫學發展的新紀元[1]。數字醫學技術就是數學、計算機科學、電子學、組織工程學等數字技術綜合應用于醫學領域而產生的一門新興的交叉學科。也可以把數字醫學的概念理解為是人類在了解和治療疾病過程中，利用計算機技術實現信息收集、加工、應用和共享的科學[2-3]。數字醫學目前的應用主要是在X線、CT等影像學檢查的基礎上，通過計算機技術將搜集到的原始二維解剖圖像轉變成三維或四維可視圖像，從而使醫務工作者能對研究對象有更加清晰、直觀的認識，也可同時進行虛擬仿真研究，幫助醫師更加準確地認識和鑒別疾病并進行針對性的治療操作。個體化、精確化和微創性是未來醫學發展的趨勢，而數字醫學正符合這一發展要求，能為醫師提供精確的個體化數據滿足微創治療的需要。目前已成功應用于臨床的，如虛擬現實仿真技術、影像重建技術、手術導航技術等都是以前從未有過的醫學新事物，與原有的醫學理論、技術操作大不相同。這就需要醫務工作者了解、認識和熟悉這一新生事物，從而掌握該技術，以使其更好地應用于臨床，服務廣大患者。

1.2數字醫學技術在臨床醫學中的應用隨著數字醫學的推廣應用，使一些因無法明確顯示而難以診斷的疾病得以準確診斷，一些以往無法進行的手術操作得以實施，有效提高了疾病的診治水平。以影像診斷為例，通過對CT、磁共振成像二維圖像的后處理，可重建出臨床所需的三維、四維圖像，突出病灶或重要血管，也可顯示病灶與主要血管、神經的關系，明顯提高影像診斷的準確性和精細性，從而為手術提供重要指導，降低手術的風險。如今數字醫學已在臨床上展露出勃勃生機，在普外科、骨科、婦產科、神經外科等眾多臨床學科中已有許多成功的應用[4-6]。利用虛擬現實技術與計算機成像，可提高術前診斷水平，模擬術前、術中、術后等過程；已經得以應用的，如三維重建仿真手術系統、虛擬膝關節鏡外科手術仿真系統、數字化虛擬肝臟外科規劃系統、數字化人腦三維模型、數字化人腦交互圖譜等，具有精確性、仿真性、安全性、交互性、可協作性和可評價性等不可比擬的優勢，為臨床醫師提供了強大的技術支持，從而在降低手術風險、提高手術成功率等方面發揮了無可比擬的作用和效果[7-9]。在臨床實踐教學中，可通過數字醫學的虛擬現實手術仿真系統進行外科實踐技能操作或更加復雜的手術訓練，讓學生或低年資醫師在訓練中有種身臨其境的現實感，還可反復多次訓練并對訓練結果進行評估，這比以往的手術訓練更加規范和標準，有助于提高臨床的教學效果和手術訓練水平[10-11]。

2數字醫學技術在胸外科的應用前景

數字醫學在疾病的診斷治療、臨床教學、臨床技能培訓、手術模擬等方面已展示出了巨大的應用前景，在臨床相關科室已發揮出重要的作用，但其在胸外科中的應用還鮮有報道。

2.1在胸部腫瘤診斷、療效判定及定位中的應用如何利用目前的檢查技術和圖像后處理技術提高胸部腫瘤的診斷水平，一直是臨床醫師不斷追求的目標。如今，運用螺旋CT多平面重建及三維重建技術，可重建出腫瘤的形態及與周圍胸膜、血管、組織等的關系；可清晰地重建出肺內結節以及腫瘤邊緣的分葉征、毛刺征、胸膜凹陷征、棘狀突起、血管氣管集束征等胸部惡性腫瘤常見的征象，提高胸部惡性腫瘤的診斷水平[12]。同時，通過CT重建腫瘤的三維圖像還可以準確地測量腫瘤在放化療前后的大小，對于判定放化療的效果有重要的參考意義。再者，CT的三維重建技術可明確骨折的位置、數量和類型，提高骨折的檢出率。胸部的孤立性肺結節，指影像學上直徑≤3 cm的不伴有肺不張或肺門淋巴結腫大的單發肺實質病灶[13]。目前，許多醫師認為當肺外周結節直徑≤2 cm或離肺表面太遠時必須在術前進行定位。但是，目前定位技術發展較為緩慢，常用的方法有CT引導下環行鉤定位、注射放射性物質、染料術中定位，這些方法均有一定的局限性(如有輻射危險、定位精度不高及并發血氣胸等)。Junichi等[14]應用計算機輔助外科手術系統對豬肺內的小結節病灶進行精確定位，然后應用胸腔鏡對病灶進行了完整的切除，展示了數字醫學的精確性及與微創技術的良好結合。Chen等[15]應用計算機技術對肺小結節的定位研究也取得了很好的效果。計算機定位技術減少了患者和醫護人員的輻射可能，同時該方法簡單方便，有助于患者消除恐懼感，有效避免血氣胸的發生。

2.2在胸部腫瘤手術治療中的應用臨床上，對于中央型肺癌侵及肺動脈和氣管的病例，由于醫師認識能力存在差異，術前靠一般的影像學資料很難準確判斷病灶與周圍器官和血管的確切關系，如果術中發現腫瘤已經侵及重要的血管或氣管，可能導致手術無法繼續進行，只能行開關術或姑息切除，從而造成手術切除率降低，同時也加大了患者風險和醫患糾紛的發生。因此，迫切需要一種術前能讓醫師清楚了解患者腫瘤與周圍組織三維結構關系的手段，以利于治療方案的確定和手術順利有效的實施。國內外學者對數字醫學在胸外科手術中的應用進行了研究。Hu和Malthaner[16]通過對患者CT資料的三維重建，將病變涉及的臟器重建出來，先在計算機工作平臺上進行術前規劃并模擬胸腔鏡手術，熟悉病變的解剖結構和手術操作過程，取得了良好的效果。Seemann和Claussen[17]利用計算機輔助系統將胸腔重要的臟器及病灶立體重建并疊加，讓術者在術前就可以通過計算機全方位、多角度地觀察病灶的形態及毗鄰區域的解剖關系。計算機輔助系統的應用可以幫助手術醫師在術前詳細了解病灶的大小、三維形態和相關毗鄰，也可通過對手術涉及的組織器官的重建進一步了解該術區的解剖變異情況，并在計算機上模擬手術操作，從而提高手術的切除率和安全性。數字醫學在胸部手術中的應用主要體現在3個方面：①在術前可以通過對原始CT圖像的三維重建，重建出腫瘤、周圍血管及臟器，使術者對病灶和手術區域的解剖結構有一個清楚的認識；②可以通過虛擬現實的手術模擬系統進行術前規劃并進行手術模擬操作，通過反復的演練制訂出一套切實可行的手術方案；③在手術實施過程中醫師可以通過計算機輔助系統感知具體操作部位的位置及毗鄰關系，幫助術者安全迅速抵達病灶，盡最大可能地減少手術的副損傷[18]。同時，通過數字化建立肺動脈模型，還可以直觀、立體地觀察動脈主干與分支情況及腫瘤侵及肺動脈的情況，并進行解剖學測量以準確了解腫瘤的侵及深度，提高外科醫師的手術成功率。

2.3在胸腔鏡手術中的應用電視胸腔鏡手術目前在各地得到了較廣泛的應用，其在減小手術創傷、提高手術質量、縮短住院時間等方面顯示出極大的優勢。但是仍有許多難題制約著胸腔鏡的進一步發展，絕大多數的胸腔鏡無法呈現出組織間的三維立體結構，術者無法感知準確的位置，不能進行直接的觸診，還有視野局限，這都是制約胸腔鏡進一步發展的不利因素[19]。此外，對于胸腺瘤來說，由于其血供豐富、血管多，胸腔鏡手術時如何避免損傷血管就成為胸外科醫師必須克服的一道難題[20]。目前學者們通過對計算機輔助技術的研究為這一問題的解決帶來了希望。Shiono等[21]應用計算機三維重建技術對胸腺瘤患者術前的CT影像進行處理，重建出胸腺瘤的重要血管，幫助術者在胸腔鏡手術中能安全快速地處理血管。陳煒生等[22]運用計算機導航技術定位肺血管，以使醫師在胸腔鏡下更安全地分離結扎肺動脈。國外學者在胸腔鏡手術中應用三維重建技術將胸部影像資料進行重建，重建出血管、氣管等結構，有效地擴展了胸腔鏡的手術視野，使手術操作更加確切[23-24]。Scholz等[25]在胸腔鏡中運用計算機導航技術顯示活動性出血部位的組織結構和手術操作部位的組織結構，可使醫師有效避免誤損傷和誤操作。Lindseth等[26]在胸腔鏡手術中聯合應用導航技術和超聲技術，將兩者的圖像結合來了解胸腔鏡手術區的解剖結構。這些研究均顯示了數字醫學在胸腔鏡手術中的廣闊應用前景。

3小結

數字醫學的發展在準確高效地診斷疾病、選擇合理的治療方法、提高手術成功率、降低手術風險等方面發揮了積極作用。同時，數字醫學技術的應用實現了外科疾病解剖數字化、診斷程序化和手術可視化的有機結合。它為實現微創外科這一理念提供了一個強有力的工具。相信隨著數字醫學技術在臨床醫療中的廣泛應用，可以極大地提高醫師對疾病的診治水平，最終造福于廣大患者。

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Research Progress of Digital Medical Technology and Its Application in Thoracic SurgeryZHANGMan，GUOZhan-lin.(DepartmentofThoracicSurgery,AffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010050，China)

Abstract:Digital medicine is the combination of modern medicine and digital technology,a new rising cross subject,which has been applied successfully in numerous clinical disciplines.The application of digital medical technology realizes the diagnosis of diseases which couldn′t be diagnosed before,and can guide treatment operation accurately.At the same time,broad prospect of digital medical technology has been seen in the diagnosis and effect evaluation of chest tumor,localization and thoracoscopic operation of small lung nodules.Here is to make a review of the research progress in digital medical technology and its application in the thoracic surgery.

Key words：Chest tumor; Digital medicine; Digital technology; Thoracic surgery; Thoracoscopy

收稿日期：2014-11-11修回日期：2015-02-14編輯：鄭雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.037

中圖分類號：R655.3；R655.7

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3171-03