数字医学和计算机辅助手术发展和临床应用

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1、数字医学和计算机辅助手术发展和临床应用编者按医学影像三维后处理能为诊断、临床、科研和教学提供 帮助，服务临床或许是其终极目的。青岛大学医学院附属医 院副院长董O及其所领衔的团队，围绕国家“十二五”科技 支撑计划课题“小儿肝脏肿瘤手术治疗临床决策系统开 发”进行了开拓性的研究。“海信双子3D医学影像与计算 机手术辅助系统（Higemi） ”是该课题的阶段性成果，该系 统可以帮助医生了解肝脏肿瘤病灶与肝内管道系统的相互 关系，进行术前的切除可行性分析及手术规划。该团队的所 做的工作，是对影像服务临床的有益探索，对今后的相关研 究有一定的借鉴意义。数字医学的基本概念与发展数字医学作为信息技术与医学科

2、技的多学科交叉领域， 是指信息技术在整个医学领域的研究、推广与应用。一般认 为，其广义定义的研究范围包括：数字化医疗设备的研发与 应用、医疗管理信息系统和临床信息系统的开发与实施、数 字化医院的建设与管理、临床医疗技术的数字化、区域医疗 协同与信息资源共享、远程医疗会诊与远程医学教育、基础 医学各个分支学科的数字技术应用和疾病预防控制与公共 卫生管理的数字化等。狭义的数字医学是研究、应用数字医 疗技术，也就是在临床医学的范围内充分运用计算机科学和 数字化手段进行新的探索与创造，包括辅助原有医疗技术的 实施和提供全新的数字医疗技术，以实现更加精确可靠的诊 断和更加准确有效的治疗。“数字医学”一般

3、被认为最早是由美国哈佛大学医学 院的 Warner V. Slack 教授在其专著 Cyber Medicine： How Computing Empowers Doctors And Patients For Better Health Care （数字医学：计算机技术助力医患健康照护） 中提出的。数字技术除在影像领域取得了飞速发展外，在医 政管理、疫情通报、危害健康药品和食品监控等工作中同样 得到了广泛应用。目前，在现代化医院里与数字化有关的高 精尖仪器设备和数字化管理系统所占比重日益增加。在远程 医疗、手术导航、虚拟仿真和数字化医院管理等领域，都进 行了不少有价值的探索。本文所介绍的数字

4、医学，主要是指 狭义的数字医学概念。数字医疗是把现代计算机技术、信息技术应用于整个医 疗过程中的一种新型的现代化医疗方式。数字医疗设备的出 现，大大丰富了医学信息的内涵和容量。从一维信息的可视 化，如心电（ECG）和脑电（EEG）等重要的电生理信息；到 二维信息，如CT、MRK彩超、数字X线机（DR）等医学影 像信息；进而到三维可视化，甚至可以获得四维信息，如实 时动态显示的三维心脏。近代诺贝尔奖多次颁发给该领域的科学家即反映出该 领域的科学进步对人类的巨大贡献。1979年的诺贝尔医学或 生理学奖，颁发给了阿伦马克利奥德柯麦科和戈弗雷 纽博尔德豪恩斯弗尔德，以表彰他们发明了计算机X线断 层摄影

5、术（CT）。1991年诺贝尔化学奖授予了瑞士物理化学 家恩斯特，其在发展高分辨核磁共振波谱学方面做出了杰出 贡献。2003年诺贝尔生理学或医学奖授予了美国科学家劳特 伯尔和英国科学家曼斯菲尔，以表彰他们在磁共振成像技术 领域的突破性成就。这些现代影像设备与图像技术的研发， 极大地丰富了医生的诊断技术，使医学进入了一个全新的可 视化的信息时代。而基于CT与核磁共振影像衍生出的数字 医学技术在欧美、日本得到了快速发展，较广泛地应用于临 床医学领域。近年来，国内许多科研单位紧跟国际发展趋势，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、上海交通大学数字医学研究院、复旦

6、大学 数字医学研究中心、浙江大学数字医疗工程研究中心，以及 青岛大学医学院附属医院与海信集团联合成立的山东省医 药卫生“数字医学与计算机辅助手术重点实验室”等。许多 从事生物医学工程学、基础医学、临床医学和计算机科学的 专家学者，在北京、广州、重庆、上海、青岛和厦门等地相 继开展数字化虚拟人体、计算机辅助手术规划与导航系统、 外科手术辅助决策系统、临床诊断辅助决策系统、临床药学 系统等的研究和应用，众多研究已将数字医学的应用范围扩 展到数字医院、数字医学工程、数字医疗技术和数字化基础 医学研究等各个方面。计算机辅助手术的概念与临床应用计算机辅助外科手术(Computer assisted su

7、rgery或 Computer aided surgery, CAS)是一个新的外科手术概念， 指利用计算机技术进行手术前规划，并指导或辅助进行外科 手术。一般认为CAS包括：1.创建虚拟的患者的图像；2.患 者图像的分析与深度处理；3.诊断、手术前规划、手术步 骤的模拟；4.手术导航；5.机器人手术。在传统的外科手术中，手术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，考虑到术中可能会发生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性和不确定性。随着医 学图像设备的进步，疾病的诊断已经

8、实现了数字化。为了有 效地将这些设备提供的信息与外科医生的主动性结合起来， 在1986年，日本、美国和瑞士几乎同时开发了由交互式二 维CT机组成的导航设备，这成为最初的CAS。CAS的出现要 归功于立体定位技术和成像技术的发展，以及将二者结合的尝试。数字医学技术在临床医学应用领域的延伸以及CT、MRI和PET-CT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 现代计算机技术的虚拟现实技术，可建立个体化的人体病理 结构模型和用于术式及具体手术方式评估的虚拟手术模型。 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，经计算机

9、系统等处理后形成三维图像， 利用医学图像数据和虚拟手术系统合理定量地制定个体化、 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。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 术操作等特点，可安全、准确、彻底地实现手术目的，达到 完美的手术效果。实施外科精准手术，除需相关医学影像设 备和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

10、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。立体定 位系统就是确定目标空间位置的系统，可以实时获得目标在 其测量范围内的三维坐标，连接图像信息和手术目标，是虚 拟到现实的桥梁，直接关系到CAS系统的精度和手术的成败。 计算机辅助手术系统是世界各国在数字医学领域竞相研究 的热点和难点课题。目前，国际上许多有实力的IT公司纷 纷涉足数字医学领域，如日本富士公司已将“医疗/生命科 学事业”确定为集团今后的重点发展领域，致力于成为一家 覆盖“预防一诊断一治疗”全领域的综合性医疗健康企业。在医学影像信息方面，富士胶片在业内率先提出了基于Web 技术的 PACS （ Pictur

11、e Archiving and Communication System,医学图像归档和通信系统），研发出了具有划时代 意义的FUJI SYNAPSE,可对来自CT、MRI和CR等各种数字 医疗图像诊断设备产生的影像信息进行电子化保存和分析， 并辅助指导手术。飞利浦公司等利用3D地图为医生提供关 于脑部的详细信息，利于医生做出正确的判断。美国麻省理 工大学David开发的图像引导手术软件系统3D Slicert已 经通过美国FDA认证。德国莱比锡Falk等运用三维图像重 叠技术，将术前获得的三维影像重建成的冠状动脉模型与机 器人辅助冠状动脉搭桥手术中的视觉图像重叠，除了能在术 前进行规划，还能

12、在术中进行导航，对术前规划方案进行调 整，获得最佳的手术效果。另外，美国的EDDA、德国的Julius 和法国Intrasense SAS公司的计算机辅助手术软件也较为 广泛地应用于临床。这种应用在我国肝胆外科领域和骨科领域均有探索。南 方医科大学方驰华教授和解放军总医院董家鸿教授分别联 合影像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，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，观察患 者病灶、肿瘤与内部动脉、静脉和胆管等管道系统的详细邻 关系，并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、术中指导手术等研

13、究。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 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。手术演练和解剖教学领域的数字医学应用虚拟手术系统为年轻外科医生和医学生提供了一个极 具真实感的虚拟手术环境，操作者可在其中重复练习或观 察、模仿专家手术过程，设计、预演和修正手术的整个过程, 以便事先发现术中问题，避免由于人为因素引起手术失误。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

14、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，而不用受到伦理约束和标本匮缺的影 响。除了临床应用外，CAS系统还可以用于教学。配合虚拟 现实(Virtual Reality)和增强现实(Augmented Reality) 技术，外科医生或医学院学生可以进行模拟手术。在手术器 械上加上反馈装置，受训者不但可以从虚拟眼镜中看到手术 部位，还可以感觉到虚拟患者的肢体和器官。通过训练，医 生可以提高手术技巧，积累手术经验。医学生不用担心在虚 拟手术中犯错误，可以对照手术记录反复操作直到熟练掌 握。这些都降低了成本，提高了医务质量。CAS目前的应用主要集中在刚体手术上，并使用

15、刚体手 术器械。对一些软组织器官的手术(如肝手术)，或可变形 器件(如纤维内窥镜的定位)，是CAS的发展方向之一。目 前CAS主要使用CT、MRI和PET-CT等图像。而超声图像是 医学中使用广泛的图像模式，对超声图像的配准，以及通过 插值配准其它低分辨率图像，将有力推动CAS的发展。海信双子3D医学影像重建与计算机手术辅助系统的研发及临床意义由青岛大学医学院附属医院董。教授领衔的国家“十 二五”科技支撑计划课题“小儿肝脏肿瘤手术治疗临床决 策系统开发团队，与海信集团数字多媒体技术国家重点实 验室医疗电子研究所合作，成功研发出了 “海信双子3D医 学影像与计算机手术辅助系统(Hisense G

16、emini 3-D Medical Imaging Reconstruction and Computer assisted surgery System, Higemi )o通过独自开发的医学图像预处 理和分割技术，只需在一幅图像上设定相应参数和少量人工 辅助，系统就可以自动精确地在一系列CT图像上分割出肝 脏、血管、肿瘤和胆囊等肝脏各组织。然后，通过滤波、插 值、形态学、模式识别等算法处理分割结果，追踪肝脏三期 图像上肝动脉、门静脉和肝静脉的血管走形，并利用三维配 准算法对三期肝脏数据进行立体配准，精确地三维重建肝 脏、肿瘤、三种血管和胆囊等器官。它可以三维观察病变与 血管、脏器的关系，可以精确计算脏器、病变体积和门静脉、 肝静脉各分支的供血区域，还可以实施虚拟手术切除，确定 最佳手术切除线。这些功能可以帮助医生了解肝脏肿瘤病灶 与肝内管道系统的相互关系、进行术前的切除可行性分析及 手术规划。从而最大限度地保留正常肝组织，极大减少手术 出血量，降低术后患者肝功能