数字医学技术在整形外科中的应用

　　[摘要]随着数字化技术迅速发展，数字医学在21世纪迎来了热潮，从而进入精准和数字医学时代。主要介绍数字化技术如三维扫描成像技术、手术导航技术、显微外科导航技术、3D打印技术等在整形外科中的应用；大数据时代下，数字化技术广泛应用于整形外科的手术前设计、手术中导航以及手术后评判，在这样的背景下，整形外科数字化团队与学会应运而生。同时，也对数字化技术更广泛地应用，如数字化机器人、假体植入物的3D打印、数字化虚拟现实等技术领域提出了新的展望。指出目前最主要的工作和目标是掌握人工智能算法的专业人才和深入洞察医疗领域的专家协同合作，将现有的数字化技术更好地应用于整形美容领域。

　　[关键词]数字医学；整形外科；3D打印；虚拟现实；人工智能

　　数字医学是现代医学和数字化高清技术结合，涵盖信息学、计算机科学、通信电子学、机械制造等多学科的一个交叉领域。发展数字医学的核心是利用数字化技术提高临床医学的诊疗水平，包含数字化医政管理、数字化临床应用、数字化医学教育、数字化工程技术4个方面。医生在临床工作中对数字化技术的应用包括：诊断、术前设计、仿真、评估、导航和远程诊疗。在整形外科领域，较突出的数字化技术应用主要有以下几个方面。

　　一、三维扫描成像技术辅助整形外科数据采集及诊断

　　三维扫描具有三维测量、轮廓重建及图像处理等功能，可以快速得到各测量点对应的空间坐标，并自动生成三维数字点云图像，可测量对象上两个体表标志点的曲面距离和截面直线距离，通过计算获得面积和体积。根据获取信息的方式三维扫描可分为接触式和非接触式，非接触式又可分为激光扫描技术、结构光扫描技术、立体摄影测量技术、光栅投影技术和CT等。

　　三维扫描仪属于非接触式测量系统，其实质是以光学精密工程为基础的动态测量。激光扫描的优点是测量速度快、测量精度高，能准确反映曲面形状。三维扫描技术在整形外科的主要应用包括获取并建立区域人群形体外貌的标准化三维数据库，辅助计算机软件及逆向工程进行三维模型的打印，为手术提供更加精确的指导，进行术后与术前的效果评价，并通过长期随访获取动态三维数据资料，为临床工作提供更多的科学依据。

　　中国人面部三维数据库的建立有助于整形美容外科医师为患者量身设计手术方案，满足患者的心理需求，同时也增进了医师与患者之间的交流。2004年，国内齐向东等报道采用三维激光全息扫描仪，采集当地标准人群的三维面部数据。2014年，Jayaratne等利用立体三维摄影技术获取了103例35岁中国人的三维照片。在瘢痕评估中，便携式三维扫描仪的应用可以不受瘢痕解剖部位和结构复杂程度的限制，有效地进行定量分析。在口腔医学中，牙模型三维扫描仪作为当前主流数据采集装置，其精度等指标直接决定最终修复体的适合性。在乳房测量中，三维扫描与超声、CT、MRI三维重建等以往测量乳房的同类方法相比，可以在自然体位下获取乳房形态数据，且其测量为非接触性，不引起组织变形。刘春军等应用精确的三维扫描技术对术后的乳房形态进行动态追踪，分析手术前、后的参数变化，客观评价术后效果，为精确的个性化术前设计提供科学客观的证据，提高了手术效果的可控性和可预测性。Kunos等讨论乳房体积测量的方法，描述了基于磁共振成像数字测量方法的细节，认为精确测量乳房体积有助于更好地规划手术和选择乳房假体。Henseler等利用微软的Kinect系统开发了一种新型的低成本的便携式三维测量系统，并利用该系统客观地对乳房评估方法进行了改进。Hemmy等于1983年将三维CT技术应用于颅颌面疾病的诊治，开创了计算机辅助技术在颅颌面骨缺损修复和颅面部整形应用的先河。

　　二、手术导航技术

　　1873年，DittmarF第1次使用立体定向手术，从延髓组织中获得样本。1908年，HorsleyV和ClarkeRH发明了一种神经外科的手术导航方法，即通过使用一种与框架相结合的立体定向导航技术定位颅内结构。1947年，SpiegelEA首次使用头部框架进行手术定位，并在人体上进行了临床试验。20世纪70年代后期，计算机断层影像技术(computedtomography，CT)和三维影像技术的发展为计算机辅助外科奠定了技术基础。1976年，BergstramM等首先发明了将CT扫描坐标信息转换至立体定向头架中的导航装置。1987年，AtanabeEW最早在神经外科领域使用无立体框架的导航系统，引领了该技术在临床上的应用。机器人辅助导航定位自1985年，由KwohYS等采用Puma560工业机器人辅助完成第1例脑组织活检之后，Robodoc、Aesop(伊索)机器人、DaVinic(达芬奇系统)、ZEUS(宙斯)系统逐步应用，导航定位进入了遥控远程操作阶段。目前全美国最好的医院和科室几乎无一例外地应用了机器人，国内的医用机器人研发起步较晚，以AO(MicroHandA)系统为代表。在整形外科领域，Fialkov等首次应用计算机辅助立体导向技术，Wagner等首次结合虚拟现实技术与影像导航技术，用头盔式显示器第1次实现了虚实结合的影像显示。

　　1995年美国卡耐基梅隆大学(CamegieMellonUniversity)研制了HipNav导航系统，采用CT图像进行术前三维规划，引导全髋置换手术，为临床诊治拓宽了思路。近年来，三维影像显示、新型手术导航系统、专科医学智能机器人等新技术在外科领域开始广泛地应用。在整形外科领域，主要研发为机器人辅助显微外科。现在的导航系统一般可以分为机械、电磁、超声、光学等方式。技术上也实现了通过追踪设备，对事先预定好的参考点进行实时导航。值得一提的是，基于光学的系统主要用于术中导航，是目前最为精确的定位导航系统。2013年，Morrison等利用三维术中导航，辅助延迟重建复杂眶颧骨折，并结合术前设计与术中导航规划，提高手术精确度、缩短手术时间。Cheng等在头颈重建领域中，借助三维导航系统建立三维镜像模板，对严重下颌骨缺损畸形的患者实施显微外科手术，准确性得以提高。

　　三、数字化技术在皮瓣和显微外科导航中的实际应用

　　计算机辅助设计对临床常用皮瓣进行可视化设计与重建，并成功重建出背阔肌肌皮瓣、股前外侧皮瓣、足背皮瓣、小腿外侧皮瓣及其毗邻结构的三维可视模型，显示清晰，实体感强，为显微外科教学提供了新的理论和技术方法，并为数字虚拟教室的建立打下了基础。

　　计算机辅助设计在整个数字化外科领域，对图像的处理需要广泛的计算机辅助软件的参与，对目标区域的重建、改造和计算都依赖于其运算方法，故其在整个图像处理的过程中占据着越来越重要的位置。常用的软件有GE、Philips、Simens等CT制造公司的专业配套软件和Mimics、Simpleware、Geomagic等通用商业软件，已被各个数字化研究团队熟练应用。Afgris于1954年提出的有限元分析法实现了从重视形态设计到同时关注功能恢复的变革，在国内外的研究均处于起步阶段，尤其是在复合组织模型的有限元分析方面，有广阔的研究前景。

　　数字化技术非常适合于个性化手术方案制定，并可以进行手术导板的制作，下颌骨重建术是最早、最成熟的重要术式。Ueda等较早使用医用机器人和计算机辅助外科技术进行了下颌骨重建术，利用计算机辅助三维固体模型与肩胛皮瓣完成了7例下颌骨重建，除1例死于转移性癌症外，其余6例均恢复了较好的功能与外观。Modabber等将髂骨皮瓣用于下颌骨重建术，并通过实验，得出在下颌骨重建术中腓骨游离皮瓣优于髂嵴骨皮瓣的结论。Berrone等利用计算机辅助设计与制造技术在术前制作了患者模型与手术模板，并进行改造，对4例肿瘤患者进行了修复手术。Wilde等则在尸体上进行了实验，制作了导航钛板。Kim等为解决腓骨游离皮瓣行下颌骨重建后的移位问题，在计算机辅助技术下使用矢状截骨术进行下颌骨重建。Zinser等对比了计算机辅助设计与制造技术和传统方法设计的咬板的使用效果，结果显示前者的精度明显优于后者。Matros等对比了计算机辅助设计制备皮瓣重建术与传统皮瓣重建术在头颈部肿瘤修复术中的应用效果，前者在延迟时间、前下颌缺陷、试样变形、创建三维截骨术和上颌骨重建上都更有优势。颅骨缺损重建是临床最早应用数字化医学计算机辅助设计与制造生物相容性自定形植入物的领域。最近，Brown等利用计算机辅助外科技术进行术前模拟，使血管组织转移至颅内的区域规划已成为可能。Khechoyan等通过术前模拟制作个性化模板，使颅缝早闭患者得到更精准地重建。其结果表明，通过术中计算机辅助设计和置入物设计，手术的可重复性和精度已超过传统的外科手术。

　　四、3D打印技术

　　3D打印技术是基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术的一种新兴增材制造技术。可用于制造实体模型、指导手术方案设计、打印制作组织工程、定向药物输送骨架等。因其能将复杂三维结构数字化，并精确地打印成实物，有望解决一系列工程学和构建科学的问题，被誉为新的工业革命。

　　1992年，StrokerNG等首次将该技术引入整形外科领域，目前主要应用于隆鼻、隆颏的假体个性化定制、颅骨缺损的个性化修复、下颌骨重建术及截骨手术等。利用3D打印技术快速精确地制造三维结构完全仿真的生物模型，可用于临床辅助诊断、复杂手术方案制定、个性化假体制作，也可用于医用教学。Chrzan等利用CT技术和三维打印技术为19例颅骨部分缺损患者制造出个性化假体，置入后效果良好。D′Urso等验证了3D打印技术的精确性。Levine等利用该技术制作术中引导装置，可以在术中实时提示截骨线等，起到了指导手术的作用。利用3D打印技术将腓骨瓣准确塑形和置入是恢复下颌骨自然弧度及进行牙种植术的基础。3D打印技术也可应用于可控缓释药物，Rowe等以乳糖为粉末、焚光素钠为模型药物，利用3D技术打印了缓释药物制剂。随着材料学的发展，Saijo等采用磷酸三钙粉末等生物材料制备个性化假体，无需术中雕刻，直接置入人体。Boland等将3D打印技术与生物材料学等多领域结合，成功打印出具有活性的微脉管系统。可见，生物活性打印具有广阔的应用前景。

　　五、大数据时代的整形外科

　　近十年来，随着基础研究不断地积累，在实时、无创检测手段的推动下，利用互联网数据云交换，由人群的队列研究和个体基因组、蛋白质组、代谢组、环境数据、疾病数据组成了大量的生物学数据，利用生物信息技术和大数据技术，可实现精准的疾病分类和诊断。其中数字化医学技术起到了十分重要的作用，在临床应用中，努力实现疾病诊治方案的精准化研究，做到分子分型、分子预后和个体医疗精准化。我们现阶段的任务是对高通量组学的(基因组、转录组、蛋白组、代谢组)海量数据和患者临床信息的结构化存储数据进行管理，实现临床采样、样本分析、患者临床信息、诊疗方案等核心步骤的高效整合；开发数据库快速检索和智能化数据挖掘工具，以及配套的管理与安全维护工具，进行多角度样本对比与聚类，挖掘分子遗传信息与患者临床表现、检测报告的相关性，通过各种交互式、可视化、图形化操作界面，最终自动生成个体化医学诊断报告与治疗方案，服务于医师和患者。

　　六、展望

　　2001年第174次香山科学会议首次研讨了“中国数字化虚拟人体的科技问题”，开启了中国数字医学的热潮，学术团体相继成立。近年来，数字化外科技术越来越多地应用于颌面部创伤修复中，日趋成熟，使颌面部创伤修复手术走向高精度、高保障与微创的道路，为手术提供了更多的选择性。随着数字影像技术、计算机软件技术、材料工程技术的提高，数字化外科技术将拥有更加广泛的应用，未来数字化技术将成为颌面部创伤外科中主要的辅助治疗工具。多种数字化技术综合应用于颌面部骨折的治疗，对于精确修复与重建至关重要。机器人系统的应用在未来的数字化技术发展中也将成为重要的趋势，完全自动化的智能手术机器人的使用将会成为现实。若能实现软组织的示踪，既能提高导航系统的精确性，也能为自动化机器人的应用提供可能。结合术前手术模拟、术中导航及术中机器人技术，或许在不远的将来，能够根据情况自动调整手术方案进行颌面部骨折修复重建的完全自动化智能机器人会成为医生的助手。数字化机器人的应用，将改变传统的手术方式，让医生由直接手术变为间接手术，使手术操作更加精确、更有利于达到精准医疗和智能化医疗的目的。正如已故的肝胆外科专家黄志强院士所说：“将来的外科医生可能不得不与机器人为伍。”医疗行业的数字化，将会是传统医疗体系与数字信息及尖端科技的融合，为患者带来更为便利、高效的医疗体验。

　　个性化治疗是医学界长远的追求与梦想，增材制造技术的出现是制造技术的革命，3D打印技术在医学界的应用，是实现个性化治疗的载体。3D打印有3个发展层次。第一层面：打印出的产品不进入人体，主要包括一些体外使用的医学模型、医疗器械，对使用的材料没有生物相容性的要求；第二层面：使用的材料具有良好的生物相容性，但是不能被降解，产品植入人体后成为永久性植入物；第三层面：使用的材料具有良好的生物相容性，而且能被降解，产品植入人体后，可以与人体组织发生相互关系，促进组织的再生；第四层面：使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料，打印出具有生物活性的产品，最终目标是制造出组织、器官，这是数字医学3D打印的最高层面。3D打印技术的快速发展，使得个性化医疗逐渐成为现实。

　　数字化虚拟现实技术是20世纪末兴起的一门综合性信息技术，受到国内外专家学者的广泛关注，在医学领域的研究应用如火如荼、方兴未艾。在治疗方面，已采用虚拟现实技术治疗烧伤患者以及各种恐惧症、外伤导致的精神压抑、成瘾行为、幽闭恐怖症、旷野恐怖症、幻肢痛。他们开发出用于上肢截肢者的数据手套和头盔显示器，让患者戴上头盔并移动剩余的上肢，可触发虚拟三维场景，产生断肢依然存在的感觉，断肢的移动画面与使用者真实肢体动作完全一致，从而减轻患者的幻痛。在科研方面，有研究利用虚拟器官模拟实际人体器官的生理、病理过程，或根据某一器官的蛋白质组成及基因排列，将其进行编程并输入计算机内，通过在计算机上截取或增加一个基因观察器官的变化，这将对致病基因的研究产生深远的影响。此外，未来的虚拟手术将向软件化方向发展，其软件可能会像普通的光盘一样，便于使用操作。虚拟手术系统目前尚未完善，特别是在专科的研发仍有很长的路要走。

　　增强现实将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息实时准确叠加并显示到真实场景中，做到虚实结合，增强使用者对真实世界的观察。如颅颌面手术中时，柴岗等经过三维虚拟设计，利用Tsuji的牙模配准法将三维影像投射在手术视野中，与真实的手术场景进行融合，虚拟的三维影像在nVisorST60(美国NVIS公司)头戴式显示器中进行三维成像，实现了三维实时显示导航的过程。

　　医学是一门注重实践、依赖循证、关系到生命质量的严肃科学。在新的智能时代(AI)来临之际，计算机辅助设计、虚拟仿真教学、手术导航、机器人、互联网和大数据挖掘等工具的协同作用，更加鲜明地突显出来。热议的AI医学影像，从数据来源、建模、训练到结果的评判都需要科学的评估标准和体系，只有最终获得临床医生和权威机构的认可，才能安全可靠地应用于临床，成为人脑和人手的延伸。因此，AI医疗作为一个跨学科的领域，只有掌握人工智能算法的专业人才和深入洞察医疗领域的专家协同合作，才能训练出具有临床现实指导意义的“人工智能”。

　　如今，就外科诊断来说，已由远古的开颅钻孔进入了分子影像4D诊断时代；治疗上，步入无创的肿瘤靶向基因治疗时代；操作上，从大切口进入了远离手术台、反向牵引的机器人时代。数字化让外科更加微创、迷你和精准。这些，正与整形手术所追求的安全、微创、无痕和个性化相契合。2018，智能时代，如何将现有的数字化技术更好地应用于整形美容领域是我们要做的主要工作。需要提醒大家，我们对数字医学未来的热情，不能只停留在概念上，目前在这一领域太多的宣传是非理性的繁荣和过度的炒作。许多技术尚未在临床开展正式研究，太多研究轰轰烈烈地开始却悄无声息地终止。有多个数据显示，一些立项在大量摄取资源和经费之后停止了研发。这些拔苗助长或虎头蛇尾的做法都阻碍了数字医学领域的发展，我们要注意避免。本文来自《中华整形外科》杂志