醫(yī)學數(shù)字技術在中國普通外科的應用現(xiàn)狀與展望(一)

本文原載于《中華外科雜志》2017年第一期。

作為一門新興的交叉學科，醫(yī)學在我國普通外科的應用已近10年。個體化、精準化、微創(chuàng)化是外科手術的發(fā)展趨勢[1，2]，數(shù)字醫(yī)學正好滿足了這一需求，可以為外科醫(yī)生診療疾病提供準確的個體化數(shù)據(jù)。目前，以三維(3D)可視化、虛擬現(xiàn)實、3D打印技術為代表的數(shù)字化醫(yī)學技術已廣泛應用于普通外科疾病的診療中，為外科的發(fā)展帶來了新的思路和機遇。

一個

創(chuàng)新數(shù)字醫(yī)學技術在普通外科的應用現(xiàn)狀

1.肝切除術:

傳統(tǒng)的肝切除術通常使用二維成像數(shù)據(jù)(超聲、CT、MRI等。)術前評估肝腫瘤。然而，從二維圖像中很難細致準確地分析肝管、腫瘤和肝段血管之間的關系，術前無法準確評估切除范圍，在根治性切除腫瘤的同時無法保證殘存肝臟的血供和代償功能[3，4，5，6]。通過三維可視化技術，可以對斷層成像數(shù)據(jù)進行深度分析和三維重建，使外科醫(yī)生能夠立體、全方位地觀察病變的位置、形狀和大小。根據(jù)患者個體化血流的拓撲關系，進行肝臟分割和體積計算，通過模擬手術的“練習”和“預演”，制定最佳手術方案，指導精準手術的實施[7，8]。

2.肝膽管結石:

病情復雜，結石殘留率高，術后復發(fā)率高?，F(xiàn)代影像技術在肝膽管結石的術前診斷中發(fā)揮了重要作用，但在該病的準確診斷和治療中仍存在一些不足。3D可視化技術可以清晰再現(xiàn)患者肝臟的三維形態(tài)，是否有肥大或萎縮；肝臟中一級、二級和三級膽管樹的3D形狀、擴張或狹窄；肝內外膽管結石的數(shù)量、大小和分布，結合模擬手術，可以確定最佳手術方案和路徑，選擇合理有效的治療方式，達到最滿意的手術效果[9，10]。

3.肝門膽管癌:

肝臟血管的正常解剖和解剖變異是影響肝門部膽管癌手術決策的重要因素之一。三維可視化技術可以在術前敏感地識別膽管和血管變異，解決上述問題。以門靜脈變異為例:正常情況下門靜脈分離的閾值點[11](點U:左門靜脈水平部與矢狀部的夾角；P點:門靜脈右前支和右后支的分叉處)是指肝切除術中膽管能與平行的門靜脈和肝動脈分離的極限部位。在這個極限點上，上游的膽管無法分離，無法單獨切斷。在1~3型門靜脈變異中，P點的位置會前移。此時，在右半肝切除術中，必須分離門靜脈主干、右前支和左支，保護門靜脈主干和左支后才能切斷門靜脈右前支。3D可視化模型用于分析肝內各種類型血管結構的變異，確定肝切除極限點的位置，從而制定個體化手術方案，保證手術的安全實施[12]。

4.胰腺腫瘤:

術前正確評估胰腺腫瘤能否切除，選擇科學、合理、安全、有效的治療方案，避免不必要的手術探查帶來的創(chuàng)傷，對臨床醫(yī)生具有重要意義。通過對胰腺和胰周結構的三維可視化研究，可以顯示胰腺腫瘤與胰周血管和組織的關系。通過設置不同的透明度，可以詳細觀察到深層結構。在此基礎上，可以在模擬手術下任意角度切割胰腺。在3D模型多維度觀察腫瘤和血管的形態(tài)，全面評估腫瘤的可切除性，詳細了解變異肝動脈的走行，是否穿過胰腺實質及腫瘤的浸潤包裹，選擇合理的手術方案，都是準確進行手術，減少術中意外損傷的有效措施[13，14]。

5.血管外科:

三維可視化技術在腹膜后腫瘤切除、腹主動脈瘤手術、腎腫瘤切除、婦科腫瘤手術、腹主動脈淋巴結切除和下腔靜脈介入治療中具有重要的指導意義。醫(yī)學技術重建的3D圖像可以更形象、具體、直觀地展現(xiàn)患者的病情，并進一步精確測量血管的長度、直徑、夾角等解剖參數(shù)，避免術中不必要的血管損傷[15]。(1)腎切除術時，處理腎蒂時應注意有無下腔靜脈變異，不能損傷左下腔靜脈變異；(2)廣泛子宮切除術+盆腔淋巴結切除術時注意變異的下腔靜脈，切除淋巴結時不要損傷；(3)雙下腔靜脈應與左下腔靜脈、左側性腺靜脈增粗、椎旁腰淋巴結腫大、多脾綜合征相鑒別。

6.乳腺腫瘤:

利用數(shù)字3D技術重建乳腺模型，結合ct掃描的原始數(shù)據(jù)，從不同角度觀察乳腺腫瘤，確定其最長徑線和最短徑線，觀察大小、形態(tài)、包膜完整、密度均勻、鈣化、邊緣輪廓清晰、與胸大肌或皮膚粘連、皮膚水腫或橘皮等。結合3D可視化技術和亞甲藍染色輔助定位前哨淋巴結，可以指導臨床開放或內鏡前哨淋巴結活檢，評估腋窩淋巴結狀態(tài)，指導實際手術中確定淋巴結清掃范圍[16]。

7.物理模型3D打印技術:

目前這項技術已經在醫(yī)學領域嶄露頭角，并逐漸被外科醫(yī)生接受。3D打印技術的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)觀念。將3D打印技術與患者的臨床影像資料相結合，打印實體瘤模型，可以在術前做出準確的可切除性評估和手術方案制定。2013年，Zein等人[17]首次報道了三例通過3D打印技術輔助的成功活體肝移植。在肝腫瘤切除過程中，3D打印與術中結構的實時對比可以指導肝管系統(tǒng)的解剖，結合距離測量數(shù)據(jù)實時導航肝管離斷[18]。3D打印技術實現(xiàn)了從3D影像到物理physics 模型的跨越式轉變，可以帶來更多解剖結構的深度信息和空間上的真實感。

二

創(chuàng)新的數(shù)字醫(yī)學技術為醫(yī)學學生和年輕醫(yī)生提供了全新的培養(yǎng)模式。

三維重建、虛擬現(xiàn)實和模擬手術為醫(yī)學學生和年輕醫(yī)生的培養(yǎng)提供了新的思路和模式，改變了傳統(tǒng)的以草圖和尸體標本為主的教學方式。利用成像技術采集人體的2D圖像信息，利用三維可視化技術構建三維解剖結構。模型，醫(yī)學的學生和年輕外科醫(yī)生可以移動，旋轉，使模型透明，隨意調整觀察角度，更直觀地了解解剖結構和病變，實現(xiàn)真實，立體的數(shù)字解剖教學。手術模擬系統(tǒng)為醫(yī)學學生和年輕外科醫(yī)生提供了逼真的虛擬手術環(huán)境，操作者可以在其中反復練習和觀察，模仿專家手術過程，設計、預演和修改整個手術過程。虛擬現(xiàn)實是計算機技術和仿真技術相結合產生的具有視覺、聽覺和觸覺的逼真的多媒體環(huán)境。用戶可以在那里和它互動。Operation+1系統(tǒng)實現(xiàn)了從單一結構器官識別到系統(tǒng)解剖、從平面顯示到3D、從“只看得見”到“還在動”虛擬解剖的發(fā)展。在手術器械上安裝反饋裝置后，受訓者不僅可以從虛擬眼鏡上看到手術部位，還可以感受到虛擬病人的肢體和器官。這項技術突破了倫理約束和資源匱乏的限制，不僅降低了成本，還提高了醫(yī)療服務的質量[19，20]。