人工智能和3D打印如何幫助患者？看數(shù)字醫(yī)學(xué)大咖怎么說

每個(gè)人都擁有獨(dú)一無二的身體，每個(gè)人發(fā)病的原因同中有異。我們每一個(gè)人都渴望 “精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”，通過診斷精確找到病在何處、如何發(fā)生、如何治療。醫(yī)學(xué)的歷史就是不斷走向精準(zhǔn)：100年前，是聽診器、三大常規(guī)手術(shù)刀、止血鉗；80年前，有了可見肺部和關(guān)節(jié)變化的X光；40年前，演進(jìn)到CT；如今，則有核磁彩超、機(jī)器人、PET-CT、3D打印技術(shù)、微創(chuàng)、手術(shù)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。數(shù)字醫(yī)學(xué)帶來的精準(zhǔn)治療無疑將成為新的生長點(diǎn)。

當(dāng)我們擁有了數(shù)字化人體，國內(nèi)數(shù)字醫(yī)療影像市場的中高端份額目前多被跨國企業(yè)所壟斷，隨著我國數(shù)字醫(yī)學(xué)在山東的崛起和推廣，我們擁有了走向世界的發(fā)端。那么，醫(yī)生是如何運(yùn)用人工智能，為患者診斷和治療的呢？2017年3月15日，首屆青島大學(xué)附屬醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學(xué)與臨床3D打印學(xué)術(shù)研討會召開，在青島大學(xué)附屬醫(yī)院副院長董蒨，青島大學(xué)附屬醫(yī)院院長助理、科研管理部主任牛海濤，青島大學(xué)附屬醫(yī)院院長助理、醫(yī)務(wù)部主任李環(huán)廷等專家主持下，首次系統(tǒng)生動(dòng)地闡述了數(shù)字醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。
數(shù)字醫(yī)學(xué)繪制精準(zhǔn)“軍用地圖”

△盧云(青島大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究院副院長山東省數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任青島大學(xué)附屬醫(yī)院普外科副主任)

青島大學(xué)附屬醫(yī)院與海信醫(yī)療聯(lián)合研制的海信虛擬內(nèi)窺鏡顯示系統(tǒng)（HisenseENDO）是結(jié)合CT影像數(shù)據(jù)，通過對胃腸道腫瘤進(jìn)行虛擬內(nèi)鏡系統(tǒng)三維數(shù)字模擬成像，實(shí)現(xiàn)對胃腸道腫瘤發(fā)生部位進(jìn)行早期精準(zhǔn)“定位”，同時(shí)通過大量數(shù)據(jù)分析智能比較良惡性腫瘤CT圖像特征間的差別，幫助臨床醫(yī)生對腫瘤進(jìn)行更為客觀的定性乃至定量分析，來實(shí)現(xiàn)腫瘤的自動(dòng)檢測及良惡性判別，實(shí)現(xiàn)胃腸道腫瘤良惡性自動(dòng)識別，并對腫瘤實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)性的“定性”診斷，已取得了良好的臨床效果。盧云教授已收到國際“第十二屆世界胃癌年會 ” （the 12th InternationalGastric CancerCongress, IGCC）的正式邀請，將在今年四月份舉行的世界胃癌大會上就該項(xiàng)研究做主題發(fā)言。

同時(shí)盧云教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)用海信CAS系統(tǒng)對胃腸道腫瘤的相應(yīng)HENLE血管進(jìn)行可視化三維重建模擬，可以在手術(shù)前精準(zhǔn)判斷腫瘤周圍血管走行及變異，并依據(jù)周圍血管的精細(xì)三維重建結(jié)果決定胃癌根治術(shù)、右半結(jié)腸癌根治術(shù)等手術(shù)的手術(shù)方式及清掃范圍，這好像在手術(shù)之前給主刀醫(yī)生繪制了一幅精準(zhǔn)的“軍用地圖”，在保證安全切除的基礎(chǔ)上，盡可能保留正常組織，減少術(shù)中創(chuàng)傷，以期達(dá)到精準(zhǔn)手術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)“微創(chuàng)”治療，有效加快患者術(shù)后康復(fù)。目前他們團(tuán)隊(duì)對胃腸道腫瘤HENLE干的細(xì)致分型，已被國際著名醫(yī)學(xué)雜志收錄并應(yīng)用。
人工智能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)手術(shù)

△陳永�。êＰ裴t(yī)療研發(fā)部副部長、醫(yī)學(xué)影像所所長青島大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究院副院長）

現(xiàn)在去醫(yī)院看病，如果病情稍微復(fù)雜點(diǎn)，醫(yī)生都會讓去拍個(gè)片。這些片子就是患者個(gè)體的身體截圖，很抽象。一般影像科醫(yī)生在學(xué)校里培訓(xùn)五年，還要在醫(yī)院影像科培訓(xùn)多年才具有獨(dú)立診斷能力。而且臨床醫(yī)生現(xiàn)在也要求能夠看懂這些片子。這就帶來一個(gè)問題，大家都愿意去有名的醫(yī)院找有名的醫(yī)生，但好醫(yī)生的資源畢竟是有限的，而依靠深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析的人工智能技術(shù)卻能夠完美地解決這些問題。

一個(gè)肝膽腫瘤要確定手術(shù)方案，醫(yī)生需要清楚地知道腫瘤的邊界，與血管是壓迫、侵犯，還是僅僅只是挨著，這些都將導(dǎo)致不同的手術(shù)方案。人工智能系統(tǒng)，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果從這些抽象的影像中來提取出腫瘤的具體邊界在哪兒、腫瘤的體積，以及肝臟的體積、肝臟的邊界、周邊的血管如靜脈、門脈、動(dòng)脈走形，還有膽道等各個(gè)方面跟腫瘤的關(guān)系，就像黑匣子一樣的東西變成完全透明化地展示在了醫(yī)生面前。它自動(dòng)計(jì)算出來的殘肝體積和占肝的百分比都是相符的，符合手術(shù)要求，而這些指標(biāo)對是否能做手術(shù)，手術(shù)后是否有嚴(yán)重的并發(fā)癥，都是非常相關(guān)的重要參數(shù)。

這就是青大附院與海信醫(yī)療合作研發(fā)的CAS計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。所謂的精準(zhǔn)外科手術(shù)，就是通過基于人工智能的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)技術(shù)，輔助醫(yī)生規(guī)劃最優(yōu)的手術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)對病人最小的創(chuàng)傷，最大程度加速病患的康復(fù)。

數(shù)字化影像時(shí)代到來

△徐文堅(jiān)（青島大學(xué)附屬醫(yī)院放射科主任山東省醫(yī)學(xué)會數(shù)字醫(yī)學(xué)分會副主委）

現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)檢查，主要是在細(xì)胞病變或癌變之后，而細(xì)胞癌變之前的醫(yī)學(xué)診斷，需要更加數(shù)字化的精準(zhǔn)檢查和診斷。這也是徐文堅(jiān)對數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像時(shí)代的期盼。

倫琴發(fā)現(xiàn)X線為放射學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在其后的100余年中，隨著各種新型成像技術(shù)不斷出現(xiàn)及改進(jìn)，放射學(xué)由單純的X線成像發(fā)展到包括CT、MRI、超聲、核醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)放射成像（CR）、數(shù)字放射成像（DR）等各種數(shù)字化成像技術(shù)的現(xiàn)代影像學(xué)階段。成像技術(shù)的改進(jìn)，同時(shí)也引起了包括思維模式、工作流程、管理方式等一系列改變與挑戰(zhàn)，20世紀(jì)70年代初期CT的問世，成為傳統(tǒng)放射學(xué)步入現(xiàn)代影像學(xué)時(shí)代的革命性標(biāo)志，在其后的時(shí)期里逐漸出現(xiàn)了各種各樣的成像技術(shù)，但根本進(jìn)展為影像醫(yī)學(xué)的數(shù)字化，后者使得醫(yī)學(xué)影像學(xué)進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)期。

徐文堅(jiān)說，醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展進(jìn)步大大提高了醫(yī)生的診斷水平，而根據(jù)影像進(jìn)行初步診斷直接影響手術(shù)方案設(shè)計(jì)、關(guān)乎預(yù)后。而目前常用的不同成像數(shù)據(jù)只能反應(yīng)不同層次的信息，不同影像學(xué)檢查各有優(yōu)缺點(diǎn)，單一模態(tài)成像精確診斷困難。以分子化影像學(xué)等為代表的數(shù)字化影像醫(yī)學(xué)則是影像學(xué)的未來，將能做到早期精準(zhǔn)檢出、定位、定性、分期、分級，可將現(xiàn)有信息進(jìn)行再挖掘，實(shí)現(xiàn)高度敏感、特異、準(zhǔn)確的影像，助推精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)代到來。

筷子從鼻插進(jìn)腦數(shù)字醫(yī)學(xué)救幼童

△姜彥（青大附院耳鼻咽喉頭頸外科主任）

2月19日晚，萊西一兩歲男童在吃飯玩鬧時(shí)不慎摔倒，手中的兩根筷子插入鼻腔，一根從鼻腔刺入眼窩，另一個(gè)刺入顱內(nèi)，被送往青大附院。青大附院耳鼻喉科主任姜彥連夜接診，發(fā)現(xiàn)右側(cè)的筷子頂端靠近顱腦的前額葉和血管，左側(cè)筷子離眼球有兩到三毫米的距離，微創(chuàng)取筷子一旦刺破血管將萬分兇險(xiǎn)。

此時(shí)，三維重建影像和3D打印派上了用場，醫(yī)院最新引進(jìn)了半島地區(qū)第一臺電磁導(dǎo)航先進(jìn)設(shè)備，剛剛投入使用，與顱腦三維重建技術(shù)相配合，在手術(shù)中可以精準(zhǔn)定位筷子的位置，為這次醫(yī)生能順利完成手術(shù)立了大功。首先利用三維重建影像立體顯示筷子插入大腦中的位置，小到一根血管與筷子位置的分布都清清楚楚，隨后使用3D打印技術(shù)打印的患者頭部模式，讓醫(yī)生更加清晰地觀察手術(shù)部位，并按照顯示導(dǎo)航，順利取出了兩根筷子。隨后醫(yī)生清除了碎骨片，使用人工組織和鼻腔粘膜瓣給患者修補(bǔ)了顱底缺損的骨質(zhì)，孩子最終脫離危險(xiǎn)。

在姜彥看來，數(shù)字三維重建給顱底外科帶來重大突破，可以幫助初學(xué)者克服二維瓶頸、構(gòu)建三維立體空間構(gòu)像；醫(yī)生術(shù)前分層次模擬，多角度觀察，便于手術(shù)方案設(shè)計(jì)和與患者交流；縮短內(nèi)鏡下顱底手術(shù)訓(xùn)練曲線；3D打印技術(shù)還將實(shí)現(xiàn)顱底重建。

沒了肋骨，3D打印能重建

△矯文捷（青島大學(xué)附屬醫(yī)院胸外科主任博士生導(dǎo)師）

“3D打印技術(shù)將傳統(tǒng)醫(yī)療帶入了個(gè)性化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化、快速化的時(shí)代。 ”矯文捷說。2016年4月，唐都醫(yī)院胸外科成功開展首例 3D打印鈦合金肋骨假體植入胸壁重建術(shù)。患者入院后檢查確診為右肺上葉鱗癌侵犯局部胸壁，傳統(tǒng)手術(shù)方法要切除肺腫瘤組織、被侵犯的肋骨等，術(shù)后胸壁缺損過大會造成胸廓塌陷、反常呼吸等并發(fā)癥。如何量身定做肋骨假體并重建胸壁是亟需解決的問題。后來，醫(yī)院使用3D打印鈦合金肋骨假體進(jìn)行了胸壁重建。術(shù)前首先根據(jù)患者三維CT重建數(shù)據(jù)及腫瘤的位置，確定手術(shù)切除的范圍，并且以樹脂材料打印出胸廓模型及肋骨假體，進(jìn)行了手術(shù)模擬，確認(rèn)可行后打印出鈦合金肋骨假體，在詳細(xì)制定了精確、有針對性的手術(shù)方案后， 2016年4月成功進(jìn)行了手術(shù)，由于術(shù)前已進(jìn)行了3D打印樹脂模型的手術(shù)模擬，手術(shù)方案量身定制，手術(shù)過程中出血量僅50毫升。

目前，青大附院胸外科3D打印實(shí)踐也收獲頗豐，在胸腔鏡右肺上葉雙袖式切除術(shù)、達(dá)芬奇機(jī)器人右肺上葉袖式切除術(shù)、達(dá)芬奇機(jī)器人左全肺切除及隆凸成型術(shù)中都已應(yīng)用。自2015年1月，矯文捷團(tuán)隊(duì)完成國內(nèi)首例經(jīng)典式機(jī)器人單袖式肺葉切除手術(shù)，至今在氣管支氣管重建領(lǐng)域積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，2016年3月再次成功完成一例高難度的達(dá)芬奇機(jī)器人雙袖式肺癌根治術(shù)。手術(shù)團(tuán)隊(duì)給予機(jī)器人左肺上葉支氣管肺動(dòng)脈雙袖式切除術(shù)，在最大限度根治腫瘤的同時(shí)，成功保全左肺下葉，術(shù)后第六天患者順利康復(fù)出院。據(jù)悉，這是繼上海市胸科醫(yī)院之后的全國/世界第二例機(jī)器人雙袖式肺癌根治術(shù)。

脊柱手術(shù)，刀尖上跳舞

△馬學(xué)曉（青島大學(xué)附屬醫(yī)院脊柱外科主任山東省創(chuàng)傷骨科研究所所長）

脊柱牽連著骨髓，手術(shù)稍有偏差，就可能導(dǎo)致患者出現(xiàn)偏癱等重大危險(xiǎn)。因此，每一次脊柱外科手術(shù)，醫(yī)生都要反復(fù)研究和模擬手術(shù)過程，CAS計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和3D打印的應(yīng)用，為脊柱外科手術(shù)提供有力的武器。馬學(xué)曉曾應(yīng)用該技術(shù)為一位脊柱骨折患者成功進(jìn)行手術(shù)。該患者車禍傷后胸背部疼痛5天，查體時(shí)脊柱前屈后伸活動(dòng)受限，受損嚴(yán)重。手術(shù)稍有不慎就可能導(dǎo)致高位截癱，因此對手術(shù)精準(zhǔn)度要求非常高，很多醫(yī)院不建議手術(shù)，但馬學(xué)曉不能容忍一個(gè)畸形的脊柱留在患者的體內(nèi)。為了360度全方位觀察脊柱受損情況，醫(yī)生建立了患者的3D打印模型，“手術(shù)時(shí)將模型往旁邊一擺，我們心里就更清楚了。 ”馬學(xué)曉說，參考打印的脊柱模型，最后手術(shù)十分成功。

22歲的患者脊柱錐體及錐旁發(fā)現(xiàn)巨大腫物，急需完成胸腰椎巨大腫瘤切除，而傳統(tǒng)二維圖像影像學(xué)資料可提供的信息非常有限。為了全方位立體觀察腫瘤與錐體之間的關(guān)系，進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，醫(yī)護(hù)人員利用CAS計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)對患者脊柱進(jìn)行了三維重建和術(shù)前手術(shù)模擬，醫(yī)生得以準(zhǔn)確把握患者病況，順利完成手術(shù)。馬學(xué)曉說，脊柱解剖結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、個(gè)體差異大且毗鄰重要組織、器官，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。手術(shù)操作精準(zhǔn)化、個(gè)體化要求程度高，因此3D打印和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)對推動(dòng)脊柱外科新技術(shù)的發(fā)展意義重大。在展望技術(shù)發(fā)展進(jìn)步時(shí)，馬學(xué)曉認(rèn)為3D模型打印將推動(dòng)骨科手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用，進(jìn)一步提高手術(shù)精度。另外，導(dǎo)板打印、體內(nèi)植入物打印、可吸收材料打印等打印新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。

下巴不好看？數(shù)字醫(yī)療幫你變美

△袁榮濤（青島大學(xué)附屬醫(yī)院口腔頜面外科副主任）

一名下頜骨發(fā)育不完全的女青年，嘴部看起來像“鳥嘴”，非常苦惱。青大附院使用數(shù)字醫(yī)療技術(shù)和3D打印技術(shù)，為患者實(shí)施口腔頜面手術(shù)，讓患者變漂亮了。袁榮濤說，這就是數(shù)字醫(yī)學(xué)帶來的變革。數(shù)字三維重建聯(lián)合3D打印能全方位、直觀、精確地顯示頜面骨的三維解剖結(jié)構(gòu)以及與病灶的空間關(guān)系，清晰顯示下牙槽神經(jīng)、上頜竇底等重要解剖結(jié)構(gòu)，因此在口腔頜面外科中的應(yīng)用十分廣泛。以目前較為廣泛的種植牙技術(shù)應(yīng)用為例，數(shù)字三維重建可清晰顯示患者的下牙槽神經(jīng)，這樣可以有效避免手術(shù)過程中種植體破壞該神經(jīng)導(dǎo)致的下唇麻痹，能做到精準(zhǔn)手術(shù)。另外，3D技術(shù)還可應(yīng)用于下頜骨鈦板打印、上頜骨鈦網(wǎng)打印、種植體打印。

數(shù)字三維重建聯(lián)合3D打印在手術(shù)實(shí)踐中也有諸多應(yīng)用。另一名女患者左側(cè)下頜骨成釉細(xì)胞瘤在該技術(shù)指導(dǎo)下成功被切除。手術(shù)過程中，病人發(fā)病部位部分被切除，需要將自體腓骨移植到下頜缺損部位。借助打印的下頜骨模型，醫(yī)生成功進(jìn)行了雙層腓骨修復(fù)下頜骨缺損手術(shù)。袁榮濤說，數(shù)字三維重建聯(lián)合3D打印在口腔頜面外科中的應(yīng)用將愈加廣泛。如修復(fù)科可用于義齒打印，正畸科可用于個(gè)性化托槽及無托槽隱形矯治技術(shù)。 “以后還有4D打印、5D打印。 ”他介紹，4D打印比3D打印多了一個(gè)時(shí)間緯度，通過軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需的形狀。最關(guān)鍵是記憶合金，5D打印則是將產(chǎn)生生物的材料作為打印材料，比如基因打印，可以長出人體的器官，不但會變形，還會變功能。

微血管超微結(jié)構(gòu)預(yù)測疾病
痛風(fēng)、高血壓、糖尿病、外周血管病變…社會老齡化帶來各類疾病的急劇增加，致病因素導(dǎo)致微血管超微結(jié)構(gòu)發(fā)生病變。那么，能否研發(fā)一種測量微血管三維超微結(jié)構(gòu)的設(shè)備來進(jìn)行疾病早期預(yù)測？青島大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究院博士于綦悅介紹了目前微血管三維超微結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的研發(fā)情況。他們致力于研發(fā)無創(chuàng)動(dòng)態(tài)微血管三維超微結(jié)構(gòu)測量設(shè)備，研究微血管超微結(jié)構(gòu)與疾病的關(guān)系，并建立人類微血管超微結(jié)構(gòu)與疾病的大數(shù)據(jù)庫。通過無創(chuàng)便捷地預(yù)測疾病、治療監(jiān)測、臨床評估等，促進(jìn)數(shù)字醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微血管三維超微結(jié)構(gòu)測量設(shè)備未來將廣泛應(yīng)用于疾病早期預(yù)測、病情嚴(yán)重程度分析、診療過程檢測、醫(yī)學(xué)美容領(lǐng)域等。

3D打印精度可達(dá)0.05毫米
夏楠是青島大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究院博士，他表示，醫(yī)學(xué)三維重建及3D打印優(yōu)勢有三個(gè)。
第一是更為直觀，與傳統(tǒng)二維醫(yī)學(xué)影像相比，三維圖像可以更直觀地展示各組織器官、血管與病變組織之間的空間位置關(guān)系，讓醫(yī)生和患者對病情一目了然。
第二是更精準(zhǔn)，醫(yī)生可以根據(jù)患者的三維圖像或者三維打印模型，設(shè)計(jì)個(gè)性化的手術(shù)方案、手術(shù)導(dǎo)板或者設(shè)計(jì)特定的手術(shù)器具、植入體等。
第三是更高效，利用3D打印模型進(jìn)行術(shù)前準(zhǔn)備以及手術(shù)導(dǎo)板制作可以節(jié)省手術(shù)時(shí)長，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

海信CAS醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件可進(jìn)行肝臟、腎臟等組織器官，以及周邊動(dòng)、靜脈血管三維重建，腫瘤、異物等病變區(qū)域與正常組織分離重建，骨折、骨缺損等骨骼三維重建，也可結(jié)合Maya、Autodesk等三維建模軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)板、支架等個(gè)性化手術(shù)輔助器械。

來源：青島晚報(bào)