數字醫學技術在整形外科中的應用
數字醫學技術在整形外科中的應用
齊向東 祁佐良
【摘要】
隨著數字化技術迅速發展，數字醫學在21世紀迎來了熱潮，從而進入精準和數字醫學時代。主要介紹數字化技術如三維掃描成像技術、手術導航技術、顯微外科導航技術、3D列印技術等在整形外科中的應用；大數據時代下，數字化技術廣泛應用於整形外科的手術前設計、手術中導航以及手術後評判，在這樣的背景下，整形外科數字化團隊與學會應運而生。同時，也對數字化技術更廣泛地應用，如數字化機器人、假體植入物的3D列印、數字化虛擬現實等技術領域提出了新的展望。指出目前最主要的工作和目標是掌握人工智慧演算法的專業人才和深入洞察醫療領域的專家協同合作，將現有的數字化技術更好地應用於整形美容領域。
【關鍵詞】數字醫學；整形外科；3D列印；虛擬現實；人工智慧
The application of digital medicine in plastic and reconstructive surgery
Qi Xiangdong*, Qi Zuoliang.
*Plastic Surgery of Guangzhou General Hospital of PLA,Guangzhou510010,China
Corresponding author:
【Summary】
With the rapid development of digital technology, digital medicine has seen an upsurge in the 21st century, thus entering the era of precision and digital medicine. This article mainly introduces the application of digital technologies in plastic and reconstructive surgery, such as threedimensional scan imaging, surgical navigation, microsurgical navigation, 3D printing, etc. In the era of big data, digital technologies have been widely applied in the preoperative design，navigation during surgery and postoperative evaluation of plastic surgery. Naturally the digital teams and societies of plastic surgery have come into being. Additionally this article puts forward the new prospects for more extensive applications of digital technologies such as surgical robots, 3D printing of prosthetic implants, and virtual reality. We believe that when the professionals who master artificial intelligence algorithms collaborate with the experts who have deep insight into medicine, the digital technologies can be applied better to the field of cosmetic surgery. This is our main task at present and the final goal.
【Key words】Digital medicine；Plastic surgery；3D printing；Virtual reality；Artificial inteligence
Fund program:
The National Natural Science Foundation of China(41271153);The National High Technology Research and Development 863 Program of China(2012AA021105);The Military Twelveth Five-Year Key Issue(BGZ15J001);The Guangdong Natural Science Foundation of China(2015A030313608);The Special Project on the Integration of Industry,Education and Research of Guangdong Province,China(2012B091100472);Science and Technology Project of Guangdong Province（2012B090500006）
Disclosure of Conflicts of Interest:
The authors have no financial interest to declare in relation to the content of this article.
數字醫學是現代醫學和數字化高清技術結合，涵蓋信息學、計算機科學、通信電子學、機械製造等多學科的一個交叉領域。發展數字醫學的核心是利用數字化技術提高臨床醫學的診療水平，包含數字化醫政管理、數字化臨床應用、數字化醫學教育、數字化工程技術4個方面。醫生在臨床工作中對數字化技術的應用包括：診斷、術前設計、模擬、評估、導航和遠程診療。在整形外科領域，較突出的數字化技術應用主要有以下幾個方面。
一、三維掃描成像技術輔助整形外科數據採集及診斷
三維掃描具有三維測量、輪廓重建及圖像處理等功能，可以快速得到各測量點對應的空間坐標，並自動生成三維數字點雲圖像，可測量對象上兩個體表標誌點的曲面距離和截面直線距離，通過計算獲得面積和體積。根據獲取信息的方式三維掃描可分為接觸式和非接觸式，非接觸式又可分為激光掃描技術、結構光掃描技術、立體攝影測量技術、光柵投影技術和CT等。
三維掃描儀屬於非接觸式測量系統，其實質是以光學精密工程為基礎的動態測量。激光掃描的優點是測量速度快、測量精度高，能準確反映曲面形狀。三維掃描技術在整形外科的主要應用包括獲取並建立區域人群形體外貌的標準化三維資料庫，輔助計算機軟體及逆向工程進行三維模型的列印，為手術提供更加精確的指導，進行術後與術前的效果評價，並通過長期隨訪獲取動態三維數據資料，為臨床工作提供更多的科學依據。
中國人面部三維資料庫的建立有助於整形美容外科醫師為患者量身設計手術方案，滿足患者的心理需求，同時也增進了醫師與患者之間的交流。2004年，國內齊向東等［1］報道採用三維激光全息掃描儀，採集當地標準人群的三維面部數據。2014年，Jayaratne等［2］利用立體三維攝影技術獲取了103例35歲中國人的三維照片。在瘢痕評估中，攜帶型三維掃描儀的應用可以不受瘢痕解剖部位和結構複雜程度的限制，有效地進行定量分析。在口腔醫學中，牙模型三維掃描儀作為當前主流數據採集裝置，其精度等指標直接決定最終修復體的適合性。在乳房測量中，三維掃描與超聲、CT、MRI三維重建等以往測量乳房的同類方法相比，可以在自然體位下獲取乳房形態數據，且其測量為非接觸性，不引起組織變形。劉春軍等［3］應用精確的三維掃描技術對術後的乳房形態進行動態追蹤，分析手術前、後的參數變化，客觀評價術後效果，為精確的個性化術前設計提供科學客觀的證據，提高了手術效果的可控性和可預測性。Kunos等［4］討論乳房體積測量的方法，描述了基於磁共振成像數字測量方法的細節，認為精確測量乳房體積有助於更好地規劃手術和選擇乳房假體。Henseler等［5］利用微軟的Kinect系統開發了一種新型的低成本的攜帶型三維測量系統，並利用該系統客觀地對乳房評估方法進行了改進。Hemmy等［6］於1983 年將三維 CT 技術應用於顱頜面疾病的診治，開創了計算機輔助技術在顱頜面骨缺損修復和顱面部整形應用的先河。
二、手術導航技術
1873年，Dittmar F第１次使用立體定向手術,從延髓組織中獲得樣本。1908年，Horsley V和Clarke RH發明了一種神經外科的手術導航方法，即通過使用一種與框架相結合的立體定嚮導航技術定位顱內結構。1947年，Spiegel EA首次使用頭部框架進行手術定位，並在人體上進行了臨床試驗。20世紀70年代後期，計算機斷層影像技術（computed tomography，CT）和三維影像技術的發展為計算機輔助外科奠定了技術基礎。1976年，Bergstram M等首先發明了將CT掃描坐標信息轉換至立體定向頭架中的導航裝置。1987年，Atanabe EW最早在神經外科領域使用無立體框架的導航系統，引領了該技術在臨床上的應用。機器人輔助導航定位自1985 年，由Kwoh YS等採用Puma 560工業機器人輔助完成第1例腦組織活檢之後，Robodoc、Aesop（伊索）機器人、Da Vinic（達芬奇系統）、ZEUS（宙斯）系統逐步應用，導航定位進入了遙控遠程操作階段。目前全美國最好的醫院和科室幾乎無一例外地應用了機器人，國內的醫用機器人研發起步較晚，以AO（MicroHand A）系統為代表。在整形外科領域，Fialkov等［7］首次應用計算機輔助立體導向技術，Wagner等［8］首次結合虛擬現實技術與影像導航技術，用頭盔式顯示器第1次實現了虛實結合的影像顯示。
1995年美國卡耐基梅隆大學（Camegie Mellon University）研製了HipNav導航系統，採用CT圖像進行術前三維規劃，引導全髖置換手術，為臨床診治拓寬了思路。近年來，三維影像顯示、新型手術導航系統、專科醫學智能機器人等新技術在外科領域開始廣泛地應用［9］。在整形外科領域，主要研發為機器人輔助顯微外科。現在的導航系統一般可以分為機械、電磁、超聲、光學等方式。技術上也實現了通過追蹤設備,對事先預定好的參考點進行實時導航。值得一提的是，基於光學的系統主要用於術中導航，是目前最為精確的定位導航系統。2013年，Morrison等［10］利用三維術中導航,輔助延遲重建複雜眶顴骨折，並結合術前設計與術中導航規劃，提高手術精確度、縮短手術時間。Cheng等［11］在頭頸重建領域中，藉助三維導航系統建立三維鏡像模板，對嚴重下頜骨缺損畸形的患者實施顯微外科手術，準確性得以提高。
三、數字化技術在皮瓣和顯微外科導航中的實際應用
計算機輔助設計對臨床常用皮瓣進行可視化設計與重建，並成功重建出背闊肌肌皮瓣、股前外側皮瓣、足背皮瓣、小腿外側皮瓣及其毗鄰結構的三維可視模型，顯示清晰，實體感強，為顯微外科教學提供了新的理論和技術方法，並為數字虛擬教室的建立打下了基礎。
計算機輔助設計在整個數字化外科領域，對圖像的處理需要廣泛的計算機輔助軟體的參與，對目標區域的重建、改造和計算都依賴於其運算方法，故其在整個圖像處理的過程中佔據著越來越重要的位置。常用的軟體有GE、Philips、Simens等CT製造公司的專業配套軟體和Mimics、Simpleware、Geomagic等通用商業軟體，已被各個數字化研究團隊熟練應用。Afgris於1954年提出的有限元分析法實現了從重視形態設計到同時關注功能恢復的變革，在國內外的研究均處於起步階段，尤其是在複合組織模型的有限元分析方面，有廣闊的研究前景［12］。
數字化技術非常適合於個性化手術方案制定，並可以進行手術導板的製作，下頜骨重建術是最早、最成熟的重要術式。Ueda等［13］較早使用醫用機器人和計算機輔助外科技術進行了下頜骨重建術，利用計算機輔助三維固體模型與肩胛皮瓣完成了7例下頜骨重建，除1例死於轉移性癌症外，其餘6例均恢復了較好的功能與外觀。Modabber等［14］將髂骨皮瓣用於下頜骨重建術，並通過實驗，得出在下頜骨重建術中腓骨遊離皮瓣優於髂嵴骨皮瓣的結論。Berrone等［15］利用計算機輔助設計與製造技術在術前製作了患者模型與手術模板，並進行改造，對4例腫瘤患者進行了修復手術。Wilde等［16］則在屍體上進行了實驗，製作了導航鈦板。Kim等［17］為解決腓骨遊離皮瓣行下頜骨重建後的移位問題，在計算機輔助技術下使用矢狀截骨術進行下頜骨重建。Zinser等［18］對比了計算機輔助設計與製造技術和傳統方法設計的咬板的使用效果，結果顯示前者的精度明顯優於後者。Matros等［19］對比了計算機輔助設計製備皮瓣重建術與傳統皮瓣重建術在頭頸部腫瘤修復術中的應用效果，前者在延遲時間、前下頜缺陷、試樣變形、創建三維截骨術和上頜骨重建上都更有優勢。顱骨缺損重建是臨床最早應用數字化醫學計算機輔助設計與製造生物相容性自定形植入物的領域。最近，Brown等［20］利用計算機輔助外科技術進行術前模擬，使血管組織轉移至顱內的區域規劃已成為可能。Khechoyan等［21］通過術前模擬製作個性化模板，使顱縫早閉患者得到更精準地重建。其結果表明，通過術中計算機輔助設計和置入物設計，手術的可重複性和精度已超過傳統的外科手術。
四、3D列印技術
3D列印技術是基於計算機三維數字成像技術和多層次連續列印技術的一種新興增材製造技術。可用於製造實體模型、指導手術方案設計、列印製作組織工程、定向藥物輸送骨架等。因其能將複雜三維結構數字化，並精確地列印成實物，有望解決一系列工程學和構建科學的問題，被譽為新的工業革命。
1992年，Stroker NG等首次將該技術引入整形外科領域，目前主要應用於隆鼻、隆頦的假體個性化定製、顱骨缺損的個性化修復、下頜骨重建術及截骨手術等。利用3D列印技術快速精確地製造三維結構完全模擬的生物模型，可用於臨床輔助診斷、複雜手術方案制定、個性化假體製作，也可用於醫用教學。Chrzan等［22］利用CT技術和三維列印技術為19例顱骨部分缺損患者製造出個性化假體，置入後效果良好。D′Urso等［23］驗證了3D列印技術的精確性。Levine等［24］利用該技術製作術中引導裝置，可以在術中實時提示截骨線等，起到了指導手術的作用。利用3D列印技術將腓骨瓣準確塑形和置入是恢復下頜骨自然弧度及進行牙種植術的基礎。3D列印技術也可應用於可控緩釋藥物，Rowe等［25］以乳糖為粉末、焚光素鈉為模型藥物，利用3D技術列印了緩釋藥物製劑。隨著材料學的發展，Saijo等［26］採用磷酸三鈣粉末等生物材料製備個性化假體，無需術中雕刻，直接置入人體。Boland等［27］將3D列印技術與生物材料學等多領域結合，成功列印出具有活性的微脈管系統。可見，生物活性列印具有廣闊的應用前景。
五、大數據時代的整形外科
近十年來，隨著基礎研究不斷地積累，在實時、無創檢測手段的推動下，利用互聯網數據云交換，由人群的隊列研究和個體基因組、蛋白質組、代謝組、環境數據、疾病數據組成了大量的生物學數據，利用生物信息技術和大數據技術，可實現精準的疾病分類和診斷。其中數字化醫學技術起到了十分重要的作用，在臨床應用中，努力實現疾病診治方案的精準化研究，做到分子分型、分子預後和個體醫療精準化。我們現階段的任務是對高通量組學的（基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組）海量數據和患者臨床信息的結構化存儲數據進行管理，實現臨床採樣、樣本分析、患者臨床信息、診療方案等核心步驟的高效整合；開發資料庫快速檢索和智能化數據挖掘工具，以及配套的管理與安全維護工具，進行多角度樣本對比與聚類，挖掘分子遺傳信息與患者臨床表現、檢測報告的相關性，通過各種互動式、可視化、圖形化操作界面，最終自動生成個體化醫學診斷報告與治療方案，服務於醫師和患者。
六、展望
2001年第174次香山科學會議首次研討了「中國數字化虛擬人體的科技問題」，開啟了中國數字醫學的熱潮，學術團體相繼成立。近年來，數字化外科技術越來越多地應用於頜面部創傷修復中，日趨成熟，使頜面部創傷修復手術走向高精度、高保障與微創的道路，為手術提供了更多的選擇性。隨著數字影像技術、計算機軟體技術、材料工程技術的提高，數字化外科技術將擁有更加廣泛的應用，未來數字化技術將成為頜面部創傷外科中主要的輔助治療工具。多種數字化技術綜合應用於頜面部骨折的治療，對於精確修復與重建至關重要［28］。機器人系統的應用在未來的數字化技術發展中也將成為重要的趨勢，完全自動化的智能手術機器人的使用將會成為現實。若能實現軟組織的示蹤，既能提高導航系統的精確性，也能為自動化機器人的應用提供可能。結合術前手術模擬、術中導航及術中機器人技術，或許在不遠的將來，能夠根據情況自動調整手術方案進行頜面部骨折修復重建的完全自動化智能機器人會成為醫生的助手。數字化機器人的應用，將改變傳統的手術方式，讓醫生由直接手術變為間接手術，使手術操作更加精確、更有利於達到精準醫療和智能化醫療的目的。正如已故的肝膽外科專家黃志強院士所說：「將來的外科醫生可能不得不與機器人為伍。」醫療行業的數字化，將會是傳統醫療體系與數字信息及尖端科技的融合，為患者帶來更為便利、高效的醫療體驗。
個性化治療是醫學界長遠的追求與夢想，增材製造技術的出現是製造技術的革命，3D列印技術在醫學界的應用，是實現個性化治療的載體。3D列印有3個發展層次。第一層面:列印出的產品不進入人體,主要包括一些體外使用的醫學模型、醫療器械,對使用的材料沒有生物相容性的要求;第二層面:使用的材料具有良好的生物相容性,但是不能被降解,產品植入人體後成為永久性植入物;第三層面:使用的材料具有良好的生物相容性,而且能被降解,產品植入人體後,可以與人體組織發生相互關係,促進組織的再生;第四層面:使用活細胞、蛋白及其他細胞外基質作為材料,列印出具有生物活性的產品,最終目標是製造出組織、器官,這是數字醫學3D列印的最高層面［29］。3D列印技術的快速發展，使得個性化醫療逐漸成為現實。
數字化虛擬現實技術是20世紀末興起的一門綜合性信息技術，受到國內外專家學者的廣泛關注，在醫學領域的研究應用如火如荼、方興未艾。在治療方面，已採用虛擬現實技術治療燒傷患者以及各種恐懼症、外傷導致的精神壓抑、成癮行為、幽閉恐怖症、曠野恐怖症、幻肢痛。他們開發出用於上肢截肢者的數據手套和頭盔顯示器，讓患者戴上頭盔並移動剩餘的上肢，可觸發虛擬三維場景，產生斷肢依然存在的感覺，斷肢的移動畫面與使用者真實肢體動作完全一致，從而減輕患者的幻痛。在科研方面，有研究利用虛擬器官模擬實際人體器官的生理、病理過程，或根據某一器官的蛋白質組成及基因排列，將其進行編程並輸入計算機內，通過在計算機上截取或增加一個基因觀察器官的變化，這將對致病基因的研究產生深遠的影響。此外，未來的虛擬手術將向軟體化方向發展，其軟體可能會像普通的光碟一樣，便於使用操作。虛擬手術系統目前尚未完善，特別是在專科的研發仍有很長的路要走。
增強現實將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息實時準確疊加並顯示到真實場景中，做到虛實結合，增強使用者對真實世界的觀察。如顱頜面手術中時，柴崗等經過三維虛擬設計，利用Tsuji 的牙模配准法將三維影像投射在手術視野中，與真實的手術場景進行融合，虛擬的三維影像在nVisor ST60（美國NVIS公司）頭戴式顯示器中進行三維成像，實現了三維實時顯示導航的過程［30］。
醫學是一門注重實踐、依賴循證、關係到生命質量的嚴肅科學。在新的智能時代（AI）來臨之際，計算機輔助設計、虛擬模擬教學、手術導航、機器人、互聯網和大數據挖掘等工具的協同作用，更加鮮明地突顯出來。熱議的AI醫學影像，從數據來源、建模、訓練到結果的評判都需要科學的評估標準和體系，只有最終獲得臨床醫生和權威機構的認可，才能安全可靠地應用於臨床，成為人腦和人手的延伸。因此，AI醫療作為一個跨學科的領域，只有掌握人工智慧演算法的專業人才和深入洞察醫療領域的專家協同合作，才能訓練出具有臨床現實指導意義的「人工智慧」。
如今，就外科診斷來說，已由遠古的開顱鑽孔進入了分子影像4D診斷時代；治療上，步入無創的腫瘤靶向基因治療時代；操作上，從大切口進入了遠離手術台、反向牽引的機器人時代。數字化讓外科更加微創、迷你和精準。這些，正與整形手術所追求的安全、微創、無痕和個性化相契合。2018，智能時代，如何將現有的數字化技術更好地應用於整形美容領域是我們要做的主要工作。需要提醒大家，我們對數字醫學未來的熱情，不能只停留在概念上，目前在這一領域太多的宣傳是非理性的繁榮和過度的炒作。許多技術尚未在臨床開展正式研究，太多研究轟轟烈烈地開始卻悄無聲息地終止。有多個數據顯示，一些立項在大量攝取資源和經費之後停止了研發。這些拔苗助長或虎頭蛇尾的做法都阻礙了數字醫學領域的發展，我們要注意避免。
利益聲明：本文作者與論文刊登的內容無利益關係。
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參考文獻
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