数字医学能给我们带来什么

　　随着数字人技术在医学领域的应用普及，数字医学（digitalmedicine）作为一个崭新的、多学科交*的研究领域，正受到越来越多的关注和重视。国内许多科研单位在短期内相继成立了数字医学研究机构，如南方医科大学数字人和数字医学研究所、第三军医大学数字医学研究所、上海交通大学数字医学研究院、复旦大学数字医学研究中心、浙江大学数字医疗工程研究中心等。

　　生物医学工程学、基础医学、临床医学和计算机科学的许多专家学者，先后在北京、上海、重庆、郑州、烟台、厦门等地就有关数字医学的研究和应用召开了多场专门研讨会，从各自的学科角度论述了数字医学的应用现状、前景和进展。众多的研究目的已将数字医学的应用范围扩展到数字医院、数字医学工程、数字医疗技术、数字化基础医学研究等各个方面。那么数字医学究竟是什么，它将给我们带来什么？

　　数字医学的提出

　　1997年，美国威斯康星大学斯莱克（W.V.Slack）教授撰写了Cybermedicine:howcomputingempowersdoctorsandpatientsforbetterhealthcare一书。1999年，我国首都医科大学秦笃烈教授将其译成中文版《赛博医学——计算机如何帮助医生和病人提高医疗质量》（江西教育出版社出版）。斯莱克教授和秦笃烈教授都从事计算机在医学领域中的应用研究工作，斯莱克教授人称赛博博士（Dr.Cyber），曾担任美国医学信息学会（AMIA）的刊物《医师计算》（M.D.Computing）的主编；秦笃烈教授一向关注全球最新的科技动态，是最早倡导中国数字人研究项目的科学家。cyber一词源自希腊语Kubernetes，意思是舵手或控制，现多作为前缀，表示经由计算机技术、信息处理技术或互联网技术调控的事物，赛博医学（cybermedicine）就是指将计算机技术、信息处理技术和互联网技术广泛应用于医疗领域的数字医学。

　　2001年，174次香山科学会议提出在我国开展数字人研究；2003年，208次香山科学会议又提出在我国开展数字人应用技术的研究。2003年，钟世镇院士主编的《数字人与数字解剖学》一书出版，在我国首次提出“数字医学”一词，称“数字人和数字解剖学是数字医学的基础，将为现代医学研究提供新的方法和手段”。

　　2008年，在中国工程院主办的第十一次工程前沿“数字医学的现状及未来”研讨会上，戴尅戎院士给出了数字医学的定义：“数字医学是应用数字化技术，解释医学现象、解决医学问题、探讨医学机理、提高生命质量的一门科学。”这个定义获得与会钟世镇、王正国、阮雪榆等院士的赞同。

　　数字化人体研究

　　数字化人体研究是数字医学在多领域实现应用的基础，已从最初单纯的人体数据集的构建逐步向数字解剖学及其实际应用方向发展。研究重点大致集中在特殊人体组织如神经、淋巴与微小器官信息的获取，图像分割和重建技术，网格计算存储与数据同步共享，医学及其相关领域的应用等。

　　人体特殊组织信息的获取和数字化微观人体数据集的构建

　　人体特殊组织如血管、神经和淋巴等的信息标识和分割是数字化人体数据集构建的难点。中国数字化人体数据集采用人体管道灌注技术，已基本完成血管的标识，最小直径为0.02毫米，但神经和淋巴等的信息标识仍未解决。

　　由于受数字化图像采集设备分辨率和存储运算设备的限制，数字化人体数据集的构建分为宏观建模和微观建模两部分。通常宏观建模侧重于形态结构；微观建模侧重于生理功能，可分为局部器官建模、显微建模等。南方医科大学和第三军医大学采用宏观建模手段构建了十余个人体整体数据集，国内其他数字人研究机构还构建了一些人体局部器官数据集：南方医科大学附属珠江医院方驰华教授采用肝脏数据集进行了肝脏肿瘤的术式和治疗研究；厦门大学王博亮教授采用显微建模技术构建了数字眼球数据集，并开发了基于数字化眼球技术的裂隙灯等应用医疗检测设备；中国医科大学的翟效月教授采用显微建模技术构建了小鼠的肾小管，并对其进行了相应的生理研究，等等。

　　手术演练和教学的解剖模型软件的开发

　　数字解剖模型是数字解剖学用于医学基础学科研究的基本内容。无论是进行数字化人体数据采集的数据集构建单位，还是使用这些数据集的应用单位，无一不将数字解剖模型的构建作为数字人研究的第一步。通过对数据的辨识和分割，可构建出各类满足特定研究需要的模型。目前，国内采用中国数字人数据集构建解剖模型的单位有南方医科大学、第三军医大学、华中科技大学、首都医科大学、北京大学、清华大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学、中科院计算所、中科院自动化所、同济大学、复旦大学、上海交通大学、东南大学、香港中文大学、香港理工大学、深圳大学、上海中医药大学等近百家单位，已构建许多整体或局部的数字解剖模型。

　　现阶段数字解剖模型软件的研发有如下特点：由单一的结构器官辨识向系统解剖方向发展，由平面显示向三维方向发展，由“只能看”向“还能动”的虚拟解剖方向发展。随着力反馈器械的研制成功和完善，外科医生和医学生可以通过数字解剖模型软件和力反馈器械随时进行人体或手术部位的虚拟解剖和演练，而不受到伦理约束和标本匮缺的影响。

　　用于临床的个性化解剖模型的构建和数据融合

　　数字解剖的最终目的是通过虚拟现实技术，建立用于临床的解剖人体结构模型。临床解剖人体结构模型的构建显然不能采用构建数字化人体数据集的人体切削和图像分割的方法，需要运用数据融合技术，将采集到的具有患者特性的医学图像与已有的数字人模型融合，构建出患者的个性化模型。这项工作是有限标本数据与大规模统计数据的结合。

　　数字化人体二次数据库的构建和数据共享

　　从便于管理和推广使用数字化人体数据库角度，数字化人体数据库可分成基本数据库（原始数据库）、二次数据库（分割数据库）和功能数据库（赋值数据库）。

　　基本数据库是研发库，采用权限等级登陆访问，其开放的主要对象是具有人体结构辨识能力的研究机构，目的是按需对数据集进行分割并赋值以产生能够直接使用的二次数据库，如分割出人体骨骼。二次数据库是应用库，采用相对低于基本数据库的权限等级登陆访问并提供下载，其开放的主要对象是采用数据集用于不同目的的用户，目的是将数据用于各自不同用途的研究，如将人体骨骼用于构建关于人体骨骼的解剖学教学软件。二次数据库将通过对数据的一级分割（按器官）、二级分割（按系统）、三级分割（按功能）、四级分割（按结构）而逐步完善。二次数据库的构建和人体标准坐标系的建立是实现数字化人体应用的关键之处。在二次数据库的基础上，通过对数据的赋值建立起数字人功能数据库，它是数据库的最高形式，内容除数字人数据外，还包括人体生物力学、生理、组织工程等参数。

　　外科精准手术

　　在传统的外科手术中，主刀医生根据不同的病情依据其经验形成大致的手术方案，然后在实际手术中进行不断修正，直至手术完成。这种手术方案依赖于医生个人的临床经验与技能，参与整个手术的每一位成员只能凭借以往合作形成的默契配合手术，对该手术方案则不甚理解。另外，考虑到术中可能会发生一些解剖结构改变或其他突发事件，因此手术效果具有较大的随机因素。

　　同时在现实中，为了追求手术的彻底性和理想效果，往往不惜以大创伤和生物学环境的破坏为代价，常常出现患者在实施手术后生命发生危险、其重要组织结构受到损伤失去功能或修复能力障碍不能恢复、并发感染甚至复发。医生为了免责，以书面形式告知患者，要求患者确认并承担术中或术后发生的种种风险。而患者面对免责告知书时，除承担病痛外，还需担负几乎所有的风险，不得不违愿签字，违心医治。

　　那么究竟是冒大创伤、大破坏的风险以提高治疗效果，还是冒不根治疾病且可能复发的风险以减少手术的危险？如何进行颅脑深层、椎管内、腹膜后这些开口再大也难完全显露的手术？可否尽可能通过微创或无创达到治愈疾病的目的，且治疗效果反而由于安全性增加获得最佳？为了手术的顺利进行，避免任何意外情况的发生，是否先对手术过程进行演练，排除经验积累、术式手法等人为的风险因素？

　　随着数字医学技术在医学应用领域的延伸以及医用X射线、计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和正电子发射X射线层析摄影（PET）等医学图像获取设备的应用，催生了一个全新的手术模式——外科精准手术。在外科精准手术模式下，通过现代计算机技术（主要是虚拟现实技术），可建立用于解剖的人体结构模型、用于恢复评估的治疗效果模型、用于术式评估的入路模型、用于手术练习的现场模型。外科精准手术具有精细的术前决策、精密的手术方案、精确的手术模拟、精准的手术作业等特点，在降低治疗费用、减少住院时间的同时，可安全、准确、彻底地实现手术目的，达到完美的手术效果。

　　外科精准手术的大致步骤是：主刀医生先将其构思的手术方案输入计算机，结合采集到的术前医学影像信息，经专家系统等处理后形成三维图像，医生随后据此与患者和手术成员进行交流，即可形成精细的术前决策。接着，可利用医学图像数据和虚拟手术系统合理定量地制定个性化、精密的手术方案，这对选择最佳手术入路、减小手术损伤、避免对临近组织的损害、提高病灶定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等十分有益。虚拟手术系统为操作者提供了一个极具真实感和沉浸感的训练环境，操作者可在其中重复练习或模仿观察专家手术过程，设计、预演和修正手术的整个过程，以便事先发现术中问题，避免由人为因素引起的手术失误。

　　要完美实施外科精准手术，除需有获得相关医学影像的设备、能进行虚拟现实人机交互的计算机系统外，还需配备术中导航与术中监护等设备，以便将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配。如果手术使用了其他成像手段（如内窥镜、B超或床边CT等），则需将实时观测的图像与术前的医学图像进行匹配融合定位，引导术者进行手术。

　　为肝胆手术精确制导方驰华教授联合影像学专家、解剖学专家和计算机专家等组成团队，开发完成了腹部医学图像三维可视化系统（MI-3DVS），可对患者肝胆胰等器官的断层CT个体化数据进行快速自动分割和三维重建为实时图像，从前、后、左、右、上、下等任意角度对脏器、病灶进行观察，并通过设置脏器的透明化来观察患者病灶、肿瘤与内部动脉、静脉、胆管等管道系统的详细位置关系与周围脏器的粘连程度。对可手术切除的病灶或肿瘤，通过三维重建模型进行仿真手术，在可视化虚拟环境下，进行术前手术预设、手术可切性、术中指导手术等评估和论证。

　　为骨科手术保驾护航广州军区总医院尹庆水教授领导的研究团队，将计算机辅助快速成型（CAD－RP）技术应用于高难度、复杂的骨科手术以提高手术的成功率，使手术更精确、更安全。以寰枢椎的置钉固定为例，先将获取的脱位的寰枢椎CT重建，再采用虚拟现实技术矫正，然后依据固定后的模型确定置钉的位置、尺寸和方位，最后用反求手段设计出具有患者个性化特性的置钉工装，由快速成型设备成型后，用作手术时引导置钉固定的模板，置钉可准确地在预先设定的位置和方位进钉并固定。

　　为妇科手术厘清彼此南方医科大学南方医院陈春林教授带领课题组进行数字化女性盆腔的数字化，并将相关技术应用于子宫颈癌、子宫肌瘤、子宫腺肌病、复杂盆腔包块等疾病的诊断、术前风险评估、手术效果预测等，以及相关病例的微创治疗和其他妇产科疾病的介入治疗等。先后成功构建了国际上首例基于血管铸型技术的子宫动脉血管网模型和首例人离体宫颈癌子宫动脉血管网模型，清晰完整地显示子宫动脉及其各级分支的走行，并揭示子宫动脉血管网的形态及血供特点，包括显示子宫动脉与膀胱、输尿管之间、卵巢血供之间、卵巢与输卵管之间血循环的关系,为子宫动脉栓塞术（UAE）治疗中避免损伤泌尿系统和卵巢提供了直观的模型。

　　为无创手术提供保障重庆医科大学王智彪教授多年来致力于高强度聚焦超声（highintensityfocusedultrasound，HIFU）治疗系统的研究，其原理是将低能量的超声波聚焦于生物体内靶区，利用其在焦点处产生的高温杀死靶区组织，从而达到无创“切除”肿瘤的目的。目前，高强度聚焦超声的焦点直径已达微米级。采用数字医学技术可直观显示肿瘤的形态、大小及其在体内的空间位置、与其他组织的关系及分布等，从而确定高强度聚焦超声焦点的能量、直径和工作路径，以尽可能地保全正常组织并缩短治疗时间。

　　医用机器人

　　随着社会的进步和生活水平的不断提高，高端医疗装备的研发受到越来越多的关注。作为当今高端医疗装备研究领域最热门的课题之一，医用机器人是数字医学不可或缺的组成部分，已在医疗外科手术规划模拟、微创、精确定位操作、无损伤诊断与检查、新型手术医学治疗方法等方面得到广泛应用。医用机器人主要分为手术机器人、护理机器人、康复机器人等。目前国际上，已获得重大突破且产品化的有宙斯机器人手术系统、达芬奇手术系统、RoboDoc手术系统、阿凡达手术系统等。

　　2010年，中国工程院启动了“高端医疗装备发展战略咨询项目”研究。南方医科大学附属北滘医院成立了钟世镇院士工作站，专门研究单孔柔性手术机器人的前端；上海交通大学成立数字医学教育部工程研究中心，戴尅戎院士已将机械臂用于临床骨科辅助手术；在上海交通大学Med-X学院，阮雪榆院士的康复机器人研究已成系列和规模。此外，哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、天津大学、苏州大学、浙江大学、华中科技大学、国防科技大学、华南理工大学等高校的机器人研究所，以及闵行医学信息技术有限公司、博实机器人技术有限公司也都开展了医用机器人的研究，已开发“妙手”、“神刀”、“助行”、“天使”等一系列手术、康复和护理机器人。

　　数字医学是医学、生物力学、材料力学、计算机信息处理、数学、机械制造、机器人、自动化控制等交*协作的一门新兴学科。它作为现代医学的重要组成部分，通过运用现代影像设备与图像技术（如X射线、CT、MRI、PET、内窥镜、超声和C臂的实时监测）、介入技术、导航技术和机器人技术，使得传统的外科手术理念由“切开来看”（“Cut，thansee…”）转变为“看完后再决定是否切”（“See，thancutornot”），即不用暴露病灶，却能管中窥豹，“看”清病变区，将高难度的手术普及化。数字医学将推动现代医学向个性化、精确化、微创化和远程化发展，医学科技工作者能借助数字技术改良和创造新的医学学科、新的医疗设备和新的诊疗技术，保障人类的健康，造福人类。

（实习编辑：徐润兰）