當數學遇上醫學——記浙江大學求是特聘教授孔德興

本刊記者 李 沖

在首屆數字醫學西湖論壇上做演講

數學源于人類早期的生產活動，在人類歷史發展和社會生活中發揮著不可替代的作用，在物理、工程、材料等諸多領域中廣泛應用。當然，數學因此也成為現代科學技術必不可少的基本工具。而當數學遇上醫學，孔德興讓人們感受到數學在醫學中的奇妙作用，更看到精準醫療的未來。

把數學引入醫學領域

自2008年以來，孔德興一直致力于數學和醫學的交叉研究，在國際上率先提出了數理醫學的概念。“醫學與現代數學、物理學相交叉是今后科學發展的一個重要研究方向，它具有十分重要的科學意義和廣泛的應用價值。這一嶄新的交叉學科不妨稱之為數理醫學”，在首屆數字醫學西湖論壇上，孔德興在介紹科研成果的同時，也闡述了把數學引入醫學領域，實現精準手術的目標。

從有了把數學引入醫學這個想法，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，從基礎數學轉戰應用數學，又從應用數學拓展到數學物理，又再次回到應用數學、特別是圖像處理研究上。這期間，復旦大學、理論物理國際中心（意大利）、日本學術振興會、上海交通大學、哈佛大學都留下了他的足跡，探尋、研究、不懈努力伴隨他左右。2008年作為求是特聘教授，他應邀加入浙江大學數學系，從此開啟了數學與醫學對接、運用的征程。

先進的數學模型和高性能的科學算法是圖像分析與處理應用軟件高精度及高速度的核心部分，是當代醫療設備的核心技術。然而，當前我國數學與醫學真正的交叉與應用不多，特別是與臨床診療結合甚少，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下的放射性治療的尖端技術，能在保存正常組織的同時對腫瘤的位置進行精準的定位，也為醫生提供所有器官的解剖信息，使器官組織的內部結構更清晰可看，為醫生能快速、定量、方便地定位準確的病灶，實施更精準手術創造了條件。

為能從更深層次找到疾病的發病規律，他及其合作者獨創了腫瘤跟蹤技術，不僅能精確有效地跟蹤放療過程，還能深入觀察腫瘤的發展變化，為進一步探明腫瘤發生的原因和規律提供了參考依據。在數學、物理學與醫學影像的對接中，他首創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，為研究發病機制提供了理論依據。

如果沒有數學這個工具，這些醫學方面的應用就不能實現，也不能為疾病的探究提供強有力的工具，也不能為醫學的進一步發展提供有效手段。他認為，“醫學的發展勢必與數學、物理學相交叉，同時還要與計算機科學、信息論及大數據科學等互聯網科技關聯。這是現代醫學發展的需要，也是數學的需要。”

數字化讓醫學診療更精準

當前，全球范圍都強調醫療精準，而“識圖”是精準醫療的關鍵，通過X射線、CT、MRI等成像技術，取得人體內器官組織影像，從中獲取內在信息，為臨床醫生提供更清晰、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，由于醫學圖像數據量大、種類多的特點，給醫學圖像處理與分析帶來很大困難，甚至產生誤差，影響臨床手術的成功。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的快速算法，這在數字化醫學及手術導航技術中具有十分重要的作用，并成功運用于活體肝臟移植手術。

按慣例，為保證手術成功，醫生一般會在手術前，對肝臟內的血管分布、結構信息以及肝臟體積的進行準確測量，這是手術成功的決定因素，也是術前評估的重要依據，只有詳細完整的個體解剖信息才能有效降低手術風險，提高手術成功率。然而由于各醫院的CT機等成像設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構，以及同時顯示三套血管系統，加之，在肝臟體積測量方面，需要人工劃出肝臟區域，這樣不僅耗時，而且不能及時進行信息處理，使手術時間延長。

看到傳統診療中的“無奈”，孔德興決定開發一套“數字化肝臟及手術導航系統”軟件，把前期研發的高性能科學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、準確的幾何結構，不僅可為活體移植提供詳細的解剖信息，還可模擬手術。同時能精確地測量全肝臟體積及模擬手術后的左、右肢體積，血管切面直徑等定量信息。他設計的這個軟件被成功用于浙江大學醫學院附屬第一醫院印尼肝癌患者活體肝移植手術，這是印尼歷史上首例活體肝移植手術，也是我國第一例成功走出國門的活體肝移植手術。“這套軟件無論是，在理論上，還是在應用上都是一流的”，印尼醫院給予了高度評價。

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

射頻消融術是利用人體體液中含有離子、水、膠體微粒等大量移動傳導電介質，通過高頻交流電和高頻振蕩，使離子快速運動，相互磨擦產生生物熱作用，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。

為使手術精準，盡可能減小手術對病人的傷害，他設計了肝臟腫瘤射頻消融術術前精準模擬規劃以及用于手術導航的“精準射頻消融肝臟腫瘤系統”。經過數字化肝臟系統的評估，醫生發現患者的預留肝臟不具備一步到位的手術，按照孔德興設計的術前精準模擬規劃及手術方案，醫院對患者實施了門靜結扎和射頻消融斷肝，減小了切除損傷，為患者最終找到了合適時機實施手術，取得圓滿成功，他開發的這套系統實現了手術精準的術前評估，還大大降低了手術風險。

2015年，在BFC醫療健康產業商務與融資合作交流會上，他研發的數字化肝臟及手術導航系統路演，吸引了全場的關注，并被譽為“讓醫生‘走進’人體內，把一切都看清楚，像摘蘋果一樣輕松摘除腫瘤的先進科技”。

數字化肝臟及手術導航系統幫助醫院解決了臨床手術難題，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業化，浙江大學創新技術研究院為此成立了一家高科技公司，該公司致力于現代數學理論深層次地應用到醫學圖像處理與分析的研究、開發和應用等方面。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超引導手術導航、針頭定位算法等，開展了早期檢測與診斷、術前精準模擬規劃、術中實時導航、術后評估等。同時，成功開發了有多項國家發明專利的具有自主知識產權的高科技產品，包括應用于活體肝移植術前精準模擬規劃的“數字化肝臟與手術導航系統”；應用于肝臟腫瘤射頻消融術的術前精準模擬規劃及手術導航的“精準射頻消融肝臟腫瘤系統”、“良性腫瘤、惡性腫瘤的甄別系統”等。

面對這些關于數學與醫學相交叉方面取得的成就，孔德興只淡淡地告訴記者，“我的目標是把數理醫學真正發展成為一門學科，最終建立一個‘數學方程’來闡明生命科學中的一些基本規律”。