文章來源：中華外科雜誌,2017,55（12）
摘 要
數字醫學技術對我國普通外科學的發展起到了強有力的推動作用，本文回顧了三維可視化、三維打印等技術在普通外科疾病診斷和治療中的應用現狀；介紹了光學、電磁技術引導下的手術導航技術的發展和應用情況，以及聯合增強現實技術應用於複雜性肝切除術的初步應用嘗試；展望了以手術機器人和影像組學為代表的人工智能和大數據時代的數字醫學發展方向。外科醫師應該主動掌握先進的科學技術，加速我國普通外科學的創新發展。
2001年，美國醫學院聯合會主席Cohen教授首次提出了"數字醫學"的概念，經過了十幾年的發展，其內涵不斷豐富。數字醫學是在現代醫學和數字化高新技術相結合的基礎上，涵蓋了醫學、計算機科學、數學、信息學、機械工程學等多領域的一門新興的交叉學科。
凡是單獨或聯合運用上述技術來闡明醫學現象、探討醫學機制、揭示醫學本質、解決醫學問題、提高人類管理健康水平的理論研究和實踐應用，都屬於數字醫學的範疇。早期，歐、美、日、韓等發達國家憑藉技術優勢，在數字醫學領域搶佔先機，但是我國學者憑藉不懈努力，正在迎頭趕上。其中，數字醫學技術在普通外科領域的應用取得了豐碩的成果，促進了學科發展。
一、數字醫學技術在普通外科的應用現狀
實施了人類首例無瘢痕手術的Marescaux教授在1998年展望21世紀肝臟外科的發展中曾指出：器官的三維可視化顯示有助於我們瞭解複雜的肝臟解剖結構，採用虛擬現實理念進行手術規劃、仿真模擬、醫學訓練和醫學教育將會為肝臟外科的發展帶來革命性變革。
當前，這些技術的運用遠沒有侷限於肝臟外科，以三維可視化、虛擬現實、三維打印等為代表的數字醫學技術已經廣泛應用於我國普通外科疾病的診斷和治療當中。
運用三維可視化、虛擬仿真技術可以將二維影像學資料轉變為三維圖像，同時還可以進行仿真手術的演練，獲得科學的定量資料以便於討論和存儲，有利於最佳治療方案的選擇；三維打印技術的進一步運用，實現了三維圖像向立體物理模型的跨越式轉變，這些技術的優勢主要體現在：
(1)對目標器官、病灶和血管等進行可視化立體顯示，通過不同角度和透明度的設置進行全方位觀察，判斷腫瘤與重要血管、器官的關係，提高術者對切除範圍的把握，更好地處理術中關鍵步驟。
(2)對於肝臟腫瘤切除術而言，運用三維可視化技術能夠根據肝內血管的支配、引流範圍，利用血流拓撲關係進行個體化肝臟分段和體積計算，通過仿真手術計算剩餘肝臟體積，減少術後肝功能衰竭的發生，特別是對存在門靜脈和(或)肝靜脈變異的患者顯得尤為重要。
最近的研究結果顯示，對於伴有門靜脈癌栓的肝癌患者，採用三維可視化技術進行術前評估和手術規劃，可以幫助醫師選擇治療方式、有益於患者的遠期生存，其臨床效果優於採用傳統CT評估的方式。
(3)對於胰腺腫瘤患者，通過對胰腺相關動脈的重建分析、腫瘤與門靜脈關係的分型判斷，能夠進行腫瘤可切除性的評估，從而提高手術的針對性，避免過度醫療。
(4)在膽道系統疾病中，三維可視化技術亦有獨特優勢。對肝門部膽管癌而言，運用該技術可以清晰顯示和判斷肝門部膽管癌和腫瘤侵及膽管的範圍，準確識別門靜脈變異、P點下移等情況，從而對肝門部膽管癌的分型和手術切除範圍產生重要的指導作用。
如術前準確識別來自於腸繫膜上動脈的肝右動脈，可以避免術中誤傷，這對Ⅲb和Ⅳb型手術具有重要指導價值。對於肝膽管結石病，重建後的圖像可以顯示結石的大小和分佈，狹窄膽管的部位和長度，為手術方式的選擇、提高靶向碎石和取石的精度提供了詳實證據。
(5)與二維圖像資料相比，三維打印出的實體模型更加直觀、豐富，將打印模型帶入手術室，與術中實時手術進行對比，通過調整模型並置於最佳解剖部位，可為手術關鍵步驟提供直觀的實時導航，有利於關鍵部位的快速識別和定位，使手術更加精確和安全。同時，在醫患溝通方面，立體的物理模型可以讓患者更直觀地瞭解病變情況、手術方案和風險，增加醫患信任度。
目前肝臟三維可視化的研究多采用薄層CT和MRI數據，通過術前虛擬仿真技術確定手術方案，確保有足夠的剩餘肝臟體積。北京協和醫院肝臟外科將以99Tcm－DTPA－半乳糖人血清清蛋白(99Tcm－GSA)為顯像劑的肝臟SPECT－CT圖像進行三維可視化研究，同時得到了肝臟局部功能和體積的參數，定量地反映出肝臟內任意局部肝功能的指標，從而全面預估腫瘤安全切除範圍，降低手術風險。初步的多中心臨床實踐已證明其實用性，該技術正在進行產業化開發。
三維模型有直觀、立體感好、顯示覆雜結構能力強的優點，上述技術在準確高效地診斷疾病、選擇合理治療方案、提高手術成功率和降低手術風險等方面發揮了積極作用，但其存在的侷限性亦不容忽視：三維模型無法取代原始的二維影像資料，在有些複雜性疾病中，其製作過程需要依賴人工分割。如果製作者對解剖結構或病變範圍的認定是錯誤的，那麼反映在模型上也是錯誤的。
因此，對於病變的全面評價，一方面需要三維模型製作者具有豐富的臨床經驗，另一方面在使用時需結合原始的二維圖像，對有疑問的地方，需要反覆進行三維和二維的比對，避免被製作者的主觀意見所誤導。為規範三維可視化技術在普通外科中的應用，中華醫學會數字醫學分會和中國研究型醫院學會數字醫學臨床外科專業委員會組織了國內相關領域的專家已制定了相應的專家共識。
二、新晉數字醫學技術在普通外科中應用的初步嘗試
手術導航技術指醫師在術前利用醫學影像設備和計算機圖像處理方法，對患者多模式的圖像數據進行三維可視化處理，獲得相應模型，制定合理、定量的手術計劃，開展術前模擬；在術中通過註冊操作，把三維模型與患者的實際體位、空間中手術器械的實時位置統一在一個座標系下，並利用三維定位系統實時採集並顯示手術器械在空間中的位置，醫師通過觀察三維模型中手術器械與病變部位的相對位置關係，對患者進行導航手術治療。
吲哚氰綠(indocyanine green，ICG)介導的近紅外光檢測技術在外科手術導航中應用十分廣泛。國內有乳腺外科專家在光學分子影像手術導航系統的引導下，使用ICG聯合亞甲藍實施了39例乳腺癌患者的前哨淋巴結活檢(sentinel lymph node biopsy，SLNB)，發現SLNB成功率高，假陰性率低。
ICG在肝癌手術導航中的應用，不僅利用了它的熒光特性，更利用了它能夠在肝癌組織中特異性聚焦的特點，使癌組織與背景的正常組織形成光強對比，實時顯示肝癌病灶的位置和大小。我們團隊將ICG介導的近紅外光技術應用於11例微小肝癌腫瘤患者的導航手術當中，術中共發現微小病灶15個，其中7個病灶通過肉眼觀察、捫診和ICG介導的近紅外光技術可發現，另外8個病灶只能通過ICG介導的近紅外光技術識別。
15個病灶經ICG分子熒光邊界界定後均成功施行了R0切除。該研究證實了ICG介導的近紅外光技術在術中對微小肝臟腫瘤的識別、切緣界定、精準手術導航中有重要價值。
除上述的光學技術以外，電磁技術在手術導航中的應用亦十分廣泛。有學者對電磁導航系統在三維打印模型膽道鏡探查中的應用價值進行了探索。獲取1例梗阻性黃疸合併肝內外膽管繼發性擴張患者的增強CT掃描圖像後，通過三維可視化技術對肝臟和膽道進行重建，再將結果進行三維打印，獲得膽道中空模型。
膽道鏡器械通道內置磁探頭，進鏡後選取左、右肝管及肝總管內的解剖標誌點為基準點進行配準。配準後膽道鏡進入右前、左肝管分支時可被實時追蹤導航。電磁導航系統應用於三維打印模型膽道鏡探查可獲得較準確的追蹤效果，雖然在正式應用於臨床環境之前仍有很多難題需要克服，但此技術具有很好的應用前景。
混合現實(mixed reality，MR)是一種使真實世界和虛擬物體在同一視覺空間中顯示和交互的計算機技術。它是虛擬現實技術的進一步發展，MR可在現實環境中呈現虛擬場景的信息，在現實世界、虛擬世界和使用者之間搭起一個交互反饋的信息迴路，以增強使用者體驗的真實感。目前國外已有將MR技術應用於腹部外科、神經外科、泌尿外科、整形外科中的報道。
2017年7月，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院肝膽外科團隊聯合MR與ICG分子熒光導航技術，成功施行了1例巨塊型肝癌肝切除術。術前向患者的外周靜脈注射ICG，術中使用熒光顯像儀將肝臟腫瘤邊界清楚的熒光影像顯示在屏幕上，保證腫瘤的切除範圍。
同時術者佩戴Hololens眼鏡可看到手術檯上空懸浮著一幅患者的三維立體肝臟局部圖像(利用術前二維影像資料三維重建而獲得)，使用鮮豔顏色標記腫瘤，在手術過程中可以通過Ipad實時調整圖像方位，360°進行觀察。兩種技術的結合，就像是為術者增添了一雙慧眼，使得每一步操作都有準確的科學依據。
MR和ICG手術導航技術的聯合使用，為傳統外科手術帶來了革新，使得醫師能夠精準地實施肝臟腫瘤切除手術，極大提高手術效率、提升手術安全性，為患者帶來更加微創、精準的醫療效果。
三、人工智能和大數據時代的數字醫學技術在普通外科的發展方向
人工智能(artificial intelligence，AI)是用於研究、模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統的一門技術學科，其歷史可以追溯到20世紀50年代。半個多世紀以來，AI迅速發展並取得了驚人的成就，引起了人們的高度重視。目前，我國普通外科領域應用最為廣泛的AI技術即為AI輔助手術系統，臨床上以達芬奇機器人手術系統最常見。
在手術操作方面，機器人系統擴展了以腹腔鏡為代表的微創理念，高分辨率的三維放大成像系統使術者可以更加清晰、準確地進行操作，而動作縮減系統可以清除人手震顫，提高手術精度和穩定性。操作關節腕具有多個活動自由度，拓展了術者的操作能力，能夠在狹小空間進行精細操作。
手術機器人擴展了微創手術的範圍，使不能承受開放手術的高齡、體質較差的患者及身體肥胖無法進行腹腔鏡手術的患者獲得手術治療機會。一項採用機器人手術進行胃癌根治術的大宗病例研究結果顯示，手術機器人應用於胃癌手術創傷小，出血少且安全有效。在淋巴結清掃及消化道吻合重建方面更具有獨特的優勢。
在肝切除術手術中，手術機器人的使用極大地拓展了腹腔鏡肝切除的適應證，尤其利於精準的肝門部解剖和腹腔鏡下縫合。人工智能輔助手術機器人系統為外科精準手術的施行提供了強有力的支撐，但由於其使用成本高、缺失力覺反饋等系統瑕疵和人員培訓過程繁瑣，限制了其廣泛應用。
大數據是由多種數據類型組成的規模龐大的信息資產。大數據的核心是運用數學和軟件技術，通過數據分析和挖掘方法，穩定快速地獲取其內在價值和知識的一種科技預測能力。醫療大數據提供了患者海量的信息和參數，對其進行詳細分析、解讀是實施精準醫療的基礎和依據。
基於醫療大數據和人工智能的影像組學(Radiomics)研究是時下最熱門的研究領域之一，在普通外科已經嶄露頭角。Radiomics是2012年由荷蘭學者Lambin等提出，它的定義是：高通量、自動地從CT、MRI、PET等圖像中分析大量的定量影像數據，提取它們的特徵。利用計算機方法將影像數據轉化為可挖掘的數據庫，通過對這些數據的挖掘、分析得到描述組織特性的指標。
將這些指標與臨床資料相結合建立包含生物學、信息學的模型，用來判斷腫瘤特性、對治療的反應、預測患者預後等，實現臨床輔助決策。
我國專家在此領域已有很多出色的成果：有學者通過分析結直腸癌患者多模態MRI數據的Radiomics特徵，實現了結直腸癌新輔助化療效果的定量化精準評估；一項運用超聲圖像進行乳腺腫瘤Radiomics的研究證實，運用該技術能夠準確、無創地識別腫瘤的良惡性，指導個體化治療的選擇；在原發性肝癌方面，從肝臟CT圖像上提取特徵後構建的Radiomics標籤，能夠進行肝切除術後腫瘤復發的預測，對實施術後早期干預具有重要意義。
四、結語
半個多世紀以來，作為外科學根基的普通外科領域取得了許多令人矚目的成績，但不可否認的是：我國普通外科距離世界一流水平還存在著一定的差距。數字醫學技術對我國普通外科學的發展起到了強有力的推動作用。外科醫師應該勇於創新、拓寬眼界、主動掌握先進的科學技術，將新晉的診斷工具和操作設備運用到臨床實踐中，努力推動學科的創新發展。
參考文獻【略】
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