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数字医学技术在中国普通外科应用的十年回顾

数字医学技术在中国普通外科应用的十年回顾

作者:方驰华 刘允怡 周伟平等

文章来源:中华外科杂志,2017,55(12)

摘 要

数字医学技术对中国普通外科学的发展起到了强有力的推动作用,本文回顾了三维可视化、三维打印等技术在普通外科疾病诊断和治疗中的应用现状;介绍了光学、电磁技术引导下的手术导航技术的发展和应用情况,以及联合增强现实技术应用于复杂性肝切除术的初步应用尝试;展望了以手术机器人和影像组学为代表的人工智能和大数据时代的数字医学发展方向。外科医师应该主动掌握先进的科学技术,加速中国普通外科学的创新发展。

2001年,美国医学院联合会主席Cohen教授首次提出了”数字医学”的概念,经过了十几年的发展,其内涵不断丰富。数字医学是在现代医学和数字化高新技术相结合的基础上,涵盖了医学、计算机科学、数学、信息学、机械工程学等多领域的一门新兴的交叉学科。

凡是单独或联合运用上述技术来阐明医学现象、探讨医学机制、揭示医学本质、解决医学问题、提高人类管理健康水平的理论研究和实践应用,都属于数字医学的范畴。早期,欧、美、日、韩等发达国家凭借技术优势,在数字医学领域抢占先机,但是中国学者凭借不懈努力,正在迎头赶上。其中,数字医学技术在普通外科领域的应用取得了丰硕的成果,促进了学科发展。

一、数字医学技术在普通外科的应用现状

实施了人类首例无瘢痕手术的Marescaux教授在1998年展望21世纪肝脏外科的发展中曾指出:器官的三维可视化显示有助于我们了解复杂的肝脏解剖结构,采用虚拟现实理念进行手术规划、仿真模拟、医学训练和医学教育将会为肝脏外科的发展带来革命性变革。

当前,这些技术的运用远没有局限于肝脏外科,以三维可视化、虚拟现实、三维打印等为代表的数字医学技术已经广泛应用于中国普通外科疾病的诊断和治疗当中。

运用三维可视化、虚拟仿真技术可以将二维影像学资料转变为三维图像,同时还可以进行仿真手术的演练,获得科学的定量资料以便于讨论和存储,有利于最佳治疗方案的选择;三维打印技术的进一步运用,实现了三维图像向立体物理模型的跨越式转变,这些技术的优势主要体现在:

(1)对目标器官、病灶和血管等进行可视化立体显示,通过不同角度和透明度的设置进行全方位观察,判断肿瘤与重要血管、器官的关系,提高术者对切除范围的把握,更好地处理术中关键步骤。

(2)对于肝脏肿瘤切除术而言,运用三维可视化技术能够根据肝内血管的支配、引流范围,利用血流拓扑关系进行个体化肝脏分段和体积计算,通过仿真手术计算剩余肝脏体积,减少术后肝功能衰竭的发生,特别是对存在门静脉和(或)肝静脉变异的患者显得尤为重要。

最近的研究结果显示,对于伴有门静脉癌栓的肝癌患者,采用三维可视化技术进行术前评估和手术规划,可以帮助医师选择治疗方式、有益于患者的远期生存,其临床效果优于采用传统CT评估的方式。

(3)对于胰腺肿瘤患者,通过对胰腺相关动脉的重建分析、肿瘤与门静脉关系的分型判断,能够进行肿瘤可切除性的评估,从而提高手术的针对性,避免过度医疗。

(4)在胆道系统疾病中,三维可视化技术亦有独特优势。对肝门部胆管癌而言,运用该技术可以清楚显示和判断肝门部胆管癌和肿瘤侵及胆管的范围,准确识别门静脉变异、P点下移等情况,从而对肝门部胆管癌的分型和手术切除范围产生重要的指导作用。

如术前准确识别来自于肠系膜上动脉的肝右动脉,可以避免术中误伤,这对Ⅲb和Ⅳb型手术具有重要指导价值。对于肝胆管结石病,重建后的图像可以显示结石的大小和分布,狭窄胆管的部位和长度,为手术方式的选择、提高靶向碎石和取石的精度提供了详实证据。

(5)与二维图像资料相比,三维打印出的实体模型更加直观、丰富,将打印模型带入手术室,与术中实时手术进行对比,通过调整模型并置于最佳解剖部位,可为手术关键步骤提供直观的实时导航,有利于关键部位的快速识别和定位,使手术更加精确和安全。同时,在医患沟通方面,立体的物理模型可以让患者更直观地了解病变情况、手术方案和风险,增加医患信任度。

目前肝脏三维可视化的研究多采用薄层CT和MRI数据,通过术前虚拟仿真技术断定手术方案,确保有足够的剩余肝脏体积。北京协和医院肝脏外科将以99Tcm-DTPA-半乳糖人血清清蛋白(99Tcm-GSA)为显像剂的肝脏SPECT-CT图像进行三维可视化研究,同时得到了肝脏局部功能和体积的参数,定量地反映出肝脏内任意局部肝功能的指标,从而全面预估肿瘤安全切除范围,降低手术风险。初步的多中心临床实践已证明其实用性,该技术正在进行产业化开发。

三维模型有直观、立体感好、显示复杂结构能力强的优点,上述技术在准确高效地诊断疾病、选择合理治疗方案、提高手术成功率和降低手术风险等方面发挥了积极作用,但其存在的局限性亦不容忽视:三维模型无法取代原始的二维影像资料,在有些复杂性疾病中,其制作过程需要依赖人工分割。如果制作者对解剖结构或病变范围的认定是错误的,那么反映在模型上也是错误的。

因此,对于病变的全面评价,一方面需要三维模型制作者具有丰富的临床经验,另一方面在使用时需结合原始的二维图像,对有疑惑的地方,需要反复进行三维和二维的比对,避免被制作者的主观意见所误导。为规范三维可视化技术在普通外科中的应用,中华医学会数字医学分会和中国研究型医院学会数字医学临床外科专业委员会组织了国内相关领域的专家已制定了相应的专家共识。

二、新晋数字医学技术在普通外科中应用的初步尝试

手术导航技术指医师在术前利用医学影像设备和计算机图像处理方法,对患者多模式的图像数据进行三维可视化处理,获得相应模型,制定合理、定量的手术计划,开展术前模拟;在术中通过注册操作,把三维模型与患者的实际体位、空间中手术器械的实时位置统一在一个坐标系下,并利用三维定位系统实时采集并显示手术器械在空间中的位置,医师通过观察三维模型中手术器械与病变部位的相对位置关系,对患者进行导航手术治疗。

吲哚氰绿(indocyanine green,ICG)介导的近红外光检测技术在外科手术导航中应用十分广泛。国内有乳腺外科专家在光学分子影像手术导航系统的引导下,使用ICG联合亚甲蓝实施了39例乳腺癌患者的前哨淋巴结活检(sentinel lymph node biopsy,SLNB),发现SLNB成功率高,假阴性率低。

ICG在肝癌手术导航中的应用,不仅利用了它的荧光特性,更利用了它能够在肝癌组织中特异性聚焦的特点,使癌组织与背景的正常组织形成光强对比,实时显示肝癌病灶的位置和大小。我们团队将ICG介导的近红外光技术应用于11例微小肝癌肿瘤患者的导航手术当中,术中共发现微小病灶15个,其中7个病灶通过肉眼观察、扪诊和ICG介导的近红外光技术可发现,另外8个病灶只能通过ICG介导的近红外光技术识别。

15个病灶经ICG分子荧光边界界定后均成功施行了R0切除。该研究证实了ICG介导的近红外光技术在术中对微小肝脏肿瘤的识别、切缘界定、精准手术导航中有重要价值。

除上述的光学技术以外,电磁技术在手术导航中的应用亦十分广泛。有学者对电磁导航系统在三维打印模型胆道镜探查中的应用价值进行了探索。获取1例梗阻性黄疸合并肝内外胆管继发性扩张患者的增强CT扫描图像后,通过三维可视化技术对肝脏和胆道进行重建,再将结果进行三维打印,获得胆道中空模型。

胆道镜器械通道内置磁探头,进镜后选取左、右肝管及肝总管内的解剖标志点为基准点进行配准。配准后胆道镜进入右前、左肝管分支时可被实时追踪导航。电磁导航系统应用于三维打印模型胆道镜探查可获得较准确的追踪效果,虽然在正式应用于临床环境之前仍有很多难题需要克服,但此技术具有很好的应用前景。

混合现实(mixed reality,MR)是一种使真实世界和虚拟物体在同一视觉空间中显示和交互的计算机技术。它是虚拟现实技术的进一步发展,MR可在现实环境中呈现虚拟场景的信息,在现实世界、虚拟世界和使用者之间搭起一个交互反馈的信息回路,以增强使用者体验的真实感。目前国外已有将MR技术应用于腹部外科、神经外科、泌尿外科、整形外科中的报道。

2017年7月,浙江大学医学院附属邵逸夫医院肝胆外科团队联合MR与ICG分子荧光导航技术,成功施行了1例巨块型肝癌肝切除术。术前向患者的外周静脉注射ICG,术中使用荧光显像仪将肝脏肿瘤边界清晰的荧光影像显示在屏幕上,保证肿瘤的切除范围。

同时术者佩戴Hololens眼镜可看到手术台上空悬浮着一幅患者的三维立体肝脏局部图像(利用术前二维影像资料三维重建而获得),使用鲜丽颜色标记肿瘤,在手术过程中可以通过Ipad实时调整图像方位,360°进行观察。两种技术的结合,就像是为术者增添了一双慧眼,使得每一步操作都有准确的科学依据。

MR和ICG手术导航技术的联合使用,为传统外科手术带来了革新,使得医师能够精准地实施肝脏肿瘤切除手术,极大提高手术效率、提升手术安全性,为患者带来更加微创、精准的医疗效果。

三、人工智能和大数据时代的数字医学技术在普通外科的发展方向

人工智能(artificial intelligence,AI)是用于研究、模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门技术学科,其历史可以追溯到20世纪50年代。半个多世纪以来,AI迅速发展并取得了惊人的成就,引起了人们的高度器重。目前,中国普通外科领域应用最为广泛的AI技术即为AI辅助手术系统,临床上以达芬奇机器人手术系统最常见。

在手术操作方面,机器人系统扩展了以腹腔镜为代表的微创理念,高分辨率的三维放大成像系统使术者可以更加清楚、准确地进行操作,而动作缩减系统可以清除人手震颤,提高手术精度和稳定性。操作关节腕具有多个活动自由度,拓展了术者的操作能力,能够在狭小空间进行精细操作。

手术机器人扩展了微创手术的范围,使不能承受开放手术的高龄、体质较差的患者及身体肥胖无法进行腹腔镜手术的患者获得手术治疗机会。一项采用机器人手术进行胃癌根治术的大宗病例研究结果显示,手术机器人应用于胃癌手术创伤小,出血少且安全有效。在淋巴结清扫及消化道吻合重建方面更具有独特的优势。

在肝切除术手术中,手术机器人的使用极大地拓展了腹腔镜肝切除的适应证,尤其利于精准的肝门部解剖和腹腔镜下缝合。人工智能辅助手术机器人系统为外科精准手术的施行提供了强有力的支撑,但由于其使用成本高、缺失力觉反馈等系统瑕疵和人员培训过程繁琐,限制了其广泛应用。

大数据是由多种数据类型组成的规模庞大的信息资产。大数据的核心是运用数学和软件技术,通过数据分析和挖掘方法,稳定快速地获取其内在价值和知识的一种科技预测能力。医疗大数据提供了患者海量的信息和参数,对其进行详细分析、解读是实施精准医疗的基础和依据。

基于医疗大数据和人工智能的影像组学(Radiomics)研究是时下最热门的研究领域之一,在普通外科已经崭露头角。Radiomics是2012年由荷兰学者Lambin等提出,它的定义是:高通量、自动地从CT、MRI、PET等图像中分析大量的定量影像数据,提取它们的特征。利用计算机方法将影像数据转化为可挖掘的数据库,通过对这些数据的挖掘、分析得到描述组织特性的指标。

将这些指标与临床资料相结合建立包含生物学、信息学的模型,用来判断肿瘤特性、对治疗的反应、预测患者预后等,实现临床辅助决策。

中国专家在此领域已有很多出色的成果:有学者通过分析结直肠癌患者多模态MRI数据的Radiomics特征,实现了结直肠癌新辅助化疗效果的定量化精准评估;一项运用超声图像进行乳腺肿瘤Radiomics的研究证实,运用该技术能够准确、无创地识别肿瘤的良恶性,指导个体化治疗的选择;在原发性肝癌方面,从肝脏CT图像上提取特征后构建的Radiomics标签,能够进行肝切除术后肿瘤复发的预测,对实施术后早期干预具有重要意义。

四、结语

半个多世纪以来,作为外科学根基的普通外科领域取得了许多令人瞩目的成绩,但不可否认的是:中国普通外科距离世界一流水平还存在着一定的差距。数字医学技术对中国普通外科学的发展起到了强有力的推动作用。外科医师应该勇于创新、拓宽眼界、主动掌握先进的科学技术,将新晋的诊断工具和操作设备运用到临床实践中,努力推动学科的创新发展。

参考文献【略】

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