數字醫(yī)學在臨床上應用的部分信息

張美超，李忠華，鐘世鎮(zhèn)

(南方醫(yī)科大學人體解剖學教研室，廣東 廣州 510515)

數字醫(yī)學是計算機科學及信息技術在醫(yī)學領域發(fā)展起來的新興學科，我國的數字醫(yī)學起步于21世紀初的數字人技術。2001年，由鐘世鎮(zhèn)主持的174次香山科學會議揭開了我國數字人研究的序幕，當年研討的主題是“中國數字化虛擬人體的科技問題”。2003年，鐘世鎮(zhèn)再次主持208次香山科學會議，研討的主題是“中國數字化虛擬人體研究的發(fā)展與應用”。2004年，鐘世鎮(zhèn)主編的《數字人和數字解剖學》出版，2006年國家衛(wèi)生部創(chuàng)辦了《中國數字醫(yī)學》學術期刊；2007年由張紹祥主持召開了中國首屆數字醫(yī)學研討會；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術會議數字醫(yī)學研討會；2011年，中華醫(yī)學會數字醫(yī)學分會成立，張紹祥任主任委員。隨后，各省的數字醫(yī)學會相繼成立，2016年國際數字醫(yī)學會正式成立，張紹祥任會長，使我國數字醫(yī)學與國際接軌。經過近20年的發(fā)展，目前數字醫(yī)學在醫(yī)學領域的各行各業(yè)都在普遍開展，且發(fā)展迅猛，資料信息浩如煙海，本文就熟悉的幾個方面進行介紹。

1 醫(yī)用3D打印技術

3D打印的原理是將計算機設計出的三維模型，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或快速成型技術。國際上，美國人查克-霍爾(Chuck Hull)于1983年發(fā)明了首臺3D打印機，當時還沒有“3D打印”這個名字，以后經過不斷完善改進，效益逐步提升，1986年成立了3Dsystem公司，開始銷售“快速成型”機器。

李克強總理非常關注3D打印技術，2015年8月21日國務院集體學習，在聽取盧秉恒院士“先進制造與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，實現了制造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統制造的理念和模式，具有重大價值；國家工信部、財政部頒發(fā)了《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃》(2015-2016)。有中央領導的重視，國家機關的推進，廣大科技人員和企業(yè)的熱情參與投入，現已初步建立了較為完善的增材制造產業(yè)體系，整體技術水平基本與國際同步。

我國有自主知識產權的醫(yī)用3D打印機，能大量生產，使得打印成本下降，促進了3D打印技術的應用發(fā)展。例如華南理工大學研發(fā)的激光選區(qū)熔化工藝，填補了我國金屬零件3D打印技術空白，并與北京大學第三醫(yī)院聯合研制個性化膝關節(jié)和人工髖關節(jié)獲CFDA批準；陸聲3D打印制作了脊柱進釘導向模板；譚海濤、黃文華的肢體截骨3D打印導航模板大量應用臨床等。廣東省于2016年成立了醫(yī)學3D打印應用轉化工程技術研究中心，現該中心已在省內外建立了19個臨床基地，同年譚海濤，黃文華總結眾多臨床實踐主編出版了國內首部《3D骨科學》專著。

醫(yī)學影像中以骨質材料掃描最為清晰，3D重建及打印最為精確，所以3D打印在骨科應用最早也最廣泛，為精準醫(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打印技術精確重建出脊柱側彎病例模型，在模型上模擬手術，并研制出椎弓根進釘導板應用于病人手術中，手術效果良好；南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院利用3D打印嚴重骨盆病損模型，作為修復手術前設計參考；川北醫(yī)學院附屬醫(yī)院骨科蔣科，通過3D打印技術制作出實體導板，應用于骶髂關節(jié)骨折后螺釘植入固定，等。

2 人工智能外科手術機器人技術

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。早在3000多年前的西周時期，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。西漢三國時期蜀國名相諸葛亮創(chuàng)造出了運送軍用物資的“木牛流馬”，這是運輸機器人的早期探索。創(chuàng)造出一種像人一樣的機器，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、重塑自身的強烈愿望。

在臨床外科領域，人工智能外科手術機器人技術是集多項現代高科技手段于一體的綜合體，利用此技術，外科醫(yī)生可以遠離手術臺操縱機器進行手術，完全不同于傳統的手術概念。機器人手術主要的優(yōu)越性有：(1)高精度3D影像平臺監(jiān)視；(2)機械臂的性能穩(wěn)定精準；(3)能完成高難度手術操作。2006年，首臺進口達芬奇手術機器人落戶解放軍301醫(yī)院時，我國手術機器人的研制和臨床應用總體水平低，普及率不高，啟步維艱。“玉經琢磨多成器，百煉功成始自然”，經過艱苦的自力更生，大膽的探索創(chuàng)新，我國國產手術機器人項目發(fā)展迅速，其中較有代表性的醫(yī)工結合團隊及成果有：北京航天大學和海軍總醫(yī)院的“Reme bot”神經外科手術機器人、北京航天大學和積水潭醫(yī)院的“天智航”雙平面骨科手術機器人。“萬點落花舟一葉，載將春色到江南”，2016年6月3日，習近平主席參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展的13項標志性的科技成果，位列第5的北京積水潭醫(yī)院田偉院長研發(fā)的第三代骨科手術機器人是醫(yī)藥領域唯一代表，習主席贊揚了這一具有中國知識產權的國產機器人成果。因為機器人衡量和標志著一個國家的科技創(chuàng)新和高端制造水平，隨后國家發(fā)改委、工信部、財政部三部委聯合發(fā)《機器人生產發(fā)展規(guī)劃》(2016-2020)文件，推動機器人國產化發(fā)展，在三部委的《規(guī)劃》文件中，就有手術和醫(yī)療康復機器人內容。機器人手術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月成立了全國首個整合多專業(yè)的機器人微創(chuàng)中心，中心創(chuàng)造了多項全球、國內、省內首例和首創(chuàng)，是西部第一家達芬奇手術機器人中國泌尿外科臨床手術教學示范中心、首批中華醫(yī)學會泌尿專業(yè)腹腔鏡培訓基地、國家衛(wèi)健委機器人手術操作指南署名單位[1-2]，中心主任王東于2018年獲亞洲“機器人大師”稱號。

3 有限元數值仿真技術

有限單元法(finite element method,FEM)是近幾十年來應用于醫(yī)學領域的一種數學物理數值仿真技術，通過數值建模和模擬計算，對各類醫(yī)學對象中涉及結構力學、熱學、電磁學及多物理場的問題進行求解計算和分析，并與計算機技術、三維圖像可視化等技術相結合，逐漸成為醫(yī)學工程領域中數值虛擬仿真的重要方法之一，也是數字骨科基礎研究中生物力學實驗研究的重要手段。

例如，上海交通大學王成燾教授完成的“中國力學虛擬人”項目，建立了一個人體骨肌系統參數化幾何模型，通過輸入人體參數轉換為具體研究對象的骨肌系統模型，并通過運動捕捉系統可將測量得到的人體運動轉換為骨肌系統模型的運動，以及通過運動、動力學分析和肌肉力計算得到一個行為過程中的關節(jié)力和肌肉力，以此驅動人體全身骨肌系統有限元模型，可以做全身骨骼或局部骨骼的有限元分析[3]；南方醫(yī)科大學人體解剖學教研室、廣東省醫(yī)學生物力學重點實驗室胡輝瑩、鐘世鎮(zhèn)、張美超等，借助Mimics軟件的輔助網格劃分功能和采用CT灰度模擬材料性能的方法重建正常人體骨性胸廓結構的有限元仿真模型，并針對臨床上人體心肺復蘇時胸外按壓急救過程中存在的實際問題進行仿真實驗，為心肺復蘇過程中胸外按壓的力學機制與臨床效果提供實驗仿真[4]；川北醫(yī)學院附屬醫(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,應用工程建模軟件重建髖臼杯，并通過有限元分析的方法對比了鎖定螺釘輔助固定新型技術與傳統固定方式的可行性與優(yōu)勢[5]。

4 數字醫(yī)學三維可視化仿真技術

數字醫(yī)學三維可視化技術是利用影像學二維資料，導入三維重建軟件，在計算機上構建可視化人體圖形，為臨床工作提供科學性的參考依據，例如南方醫(yī)科大學南方醫(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)院對下頜角肥大整形美容，均利用三維重建圖像精準設計截骨量，術后效果優(yōu)良。

隨著醫(yī)學信息數字化的發(fā)展，基于三維可視化的仿真技術在醫(yī)學臨床各個領域中的研究應用近年來發(fā)展迅速，目前的主流包含虛擬現實(VR)、增強現實(AR)和混合現實(MR)等技術，簡單介紹如下：

4.1 虛擬現實技術(virtual reality，VR)

VR是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感。例如，虛擬解剖技術既有助于提高醫(yī)學教學的趣味性及醫(yī)學生的學習主動性，又可以提高臨床教學效果；陸軍軍醫(yī)大學多角度、全方位仿真心臟跳動、幫助理解超聲心動圖；南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院利用仿真技術演示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治療，用虛擬仿真演示帶血管蒂髂骨瓣和大轉子骨瓣的植入術式等[6-8]。

4.2 增強現實(augmented reality，AR)

AR是通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。目前，臨床骨科中應用的手術機器人技術就是AR的典型應用，它在骨折復位、關節(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中應用廣泛。

4.3 混合現實(mixed reality，MR)

MR是VR和AR技術的進一步發(fā)展，它將虛擬物體直接放到真實世界中，通過MR設備，使虛擬世界、用戶、現實世界三者之間形成交互反饋，虛擬世界與現實世界在一個新的可視化環(huán)境中能夠實時互動。通過該技術，觀察者使用手勢操作可以從任意角度對三維模型進行觀察，便于醫(yī)患溝通、制定手術方案及術中導航。武漢科技大學附屬普仁醫(yī)院骨科的劉融、劉彬、高迪等在老年骨質疏松性胸腰椎椎體壓縮性骨折治療中使用混合現實設備輔助，起到了促進醫(yī)患溝通、減少透視次數、縮短手術時間、降低骨水泥滲漏率和更好恢復 Cobb 角等的作用；余可誼、李子全、蔡思逸等探索了混合現實技術在經皮椎間孔入路腰椎間盤切除術臨床教學中的應用，發(fā)現可提高醫(yī)學教學的形象化、交互性和三維空間感，對專科醫(yī)師的模擬訓練具有重要的發(fā)展前景[9-10]。