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数字医学:从“传统解剖”到“3D手术”

数字医学,一个来自于传统学科“解剖”的新型研究方向,用计算机数字化的手段来解决诊断和治疗的种种问题。它的发展,生动诠释了医学“3D打印”的前世今生。

 

■本报记者 赵广立 通讯员 李燕燕 胡红升

今年2月下旬,60多岁的患者殷道荣术后回到第三军医大学西南医院医院复查,结果显示身体恢复良好。要知道,这是第三军医大学生物工程学院数字医学研究所(下简称研究所)与西南医院心胸外科合作,借助3D数字化导航、3D打印技术和3D辅助设计,完成的一例胸腔巨大肿瘤切除加胸壁重建手术。

 

借助3D打印做手术

 

此前检查发现,患者的左侧胸腔内有一个巨大的肿瘤,初步显示为低度恶性肿瘤,且肿瘤已经严重压迫肺叶,大肆侵犯胸壁,侵蚀左胸肋骨、肋软骨和肋间内外肌,而且肿瘤与肺动静脉关系较为复杂。不仅肿瘤切除有一定难度,巨大肿瘤切除后胸壁将出现严重的骨缺损,影响患者术后的呼吸功能,且患者心肺难以得到较好的胸壁保护。

 

研究所医疗团队将患者的CT数据导入专业医学图像处理系统,对患者肺血管、肋骨、肋软骨、胸骨、肺和胸腔巨大肿瘤进行了数据半自动分割和三维重建,在计算机上进行了巨大肿瘤切除术手术方案的设计,并根据对侧胸骨的性状和肿瘤侵蚀范围,设计出突出胸壁的肿瘤和拟重建胸壁的3D模型,将打印出的3D模型进行了手术预演,并以3D设计打印的胸壁为模子,制作出了三维的弧形适形钛板。

 

在“数字医学”的协助下,手术进行得非常顺利,3D打印辅助制作的三维弧形钛板与缺损胸壁断端完全吻合。

 

“钛板通常是平面的,难以与胸壁弧形相贴合,随着患者呼吸运动,常规钛板容易出现移位等情况,治疗效果有限。而3D打印则相当于对患者所需手术材料的一种私人定制,打印物的大小、尺寸完全可以自行设计。”研究所副教授吴毅介绍说,“3D打印技术将成为未来精准医疗的重要手段。”

 

数字医学,一个来自于传统学科“解剖”的新型研究方向,用计算机数字化的手段来解决诊断和治疗的种种问题。它的发展,生动诠释了医学“3D打印”的前世今生。

 

让解剖重新焕发活力

 

时间倒退到本世纪初。“火炉”重庆的户外已近40℃,实验室却是-25℃的严寒。研究所所长张绍祥带着团队成员,大衣、毛帽、厚手套全副武装,正在紧张地进行人体冰冻切片。

 

这不是普通的“切片”,他们把整个人体上千的切片图像输入计算机,经过一系列复杂的处理,获取数字化人体包括大脑、心脏、肝脏的全身数据集。

 

这是当时世界上继美国、韩国之后的第三例可视化人体数据集,无论在切片层厚和图像分辨率上都优于前述。由于美国数字化人体切片是在常温下进行,人体标本会因“解冻”出现较大的误差。因此,张绍祥坚持在-25℃的低温下开展切片,最大限度减小误差。

 

解剖是一门古老的学科,数字化的引入让它重新焕发活力。据张绍祥介绍,数字医学研究所目前已具备高精度断层切片机、低温冰冻实验室、高精度数控铣床、精细薄层断面标本锯切实验室、Detrobeam人机交互虚拟手术展示平台、图像图形工作站等,在数字化解剖、数字人辅助影像诊断、数字化医学教学、医学图像处理包括图像融合、配准、分割方面取得了较大发展。

 

在数字化可视人体研究的基础上,该研究所还相继开展了数字解剖学、数字化医学图像处理、数字化诊疗方面和数字化医院管理系统的研究,并在数字化解剖教学、临床辅助诊断与治疗方面取得了多项研究成果。从2001年至今,研究所已获取了8例可视化人体数据集,并构建了男性、女性全身脏器的分割数据集和三维重建模型,完成了人体局部复杂、抽象器官的断层解剖学与三维可视化研究。

 

“3D打印很‘时髦’,但它的潜力在于数字医学,没有精确的数字化设计,就没有‘漂亮’的3D打印。可以说,从2001年起,我们就瞄准前沿,预见了精准医学、个性医学时代的到来。”研究所博士方彬吉说。

 

全新认识人体结构

 

张绍祥告诉记者,随着薄层、高精度数字化人体图像和三维可视化模型的广泛应用,传统解剖中肉眼所不理解的微小隐蔽结构也不断被发现。

 

他举例说,在原来的解剖认知中,公认肛提肌分为三个部分,主要运动路径是“向上”,肌纤维与阴道或前列腺相连;而通过数字解剖学研究发现肛提肌分为四个部分,运动路径实际是“向前移动”,而且肛提肌纤维与阴道或前列腺并不直接相连。再如,传统的解剖学认为胸部与腹部并无多少交流,而通过数字解剖学却发现胸部与腹部之间实际上有10个“异常通道”,这就解释了为什么胰腺炎患者的腹腔积液可以进入胸腔。目前,数字医学研究所已将这一系列发现发表在PLoS ONE、Journal of Anatomy等解剖类著名刊物。

 

此外,研究所和工业与信息化部还联合开发了一套基于中国数字化人体的男性与女性全身辐射剂量吸收计算模型,该模型能通过计算机模拟计算人体各脏器所能吸收的辐射剂量。

 

“目前,我们与临床的结合,主要体现在两个方面:一方面是数字化诊断,比如巨大肝癌与周围血管的毗邻关系、盆腔脏器脱垂的盆底结构损伤分析;另一方面是数字化治疗,它主要包括术前预演、手术导航和3D定制,主要为3D重建和3D打印技术的应用。”研究所计算机工程师李颖说。作者:赵广立 李燕燕 胡红升 

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