人工智能和3D打印如何幫助患者？看數(shù)字醫(yī)學大咖怎么說

每個人都擁有獨一無二的身體,，每個人發(fā)病的原因同中有異,。我們每一個人都渴望 “精準醫(yī)學”，通過診斷精確找到病在何處,、如何發(fā)生,、如何治療。醫(yī)學的歷史就是不斷走向精準：100年前,，是聽診器、三大常規(guī)手術刀,、止血鉗,；80年前，有了可見肺部和關節(jié)變化的X光；40年前,，演進到CT,；如今，則有核磁彩超,、機器人,、PET-CT、3D打印技術,、微創(chuàng),、手術導航、遠程醫(yī)療等,。數(shù)字醫(yī)學帶來的精準治療無疑將成為新的生長點,。

當我們擁有了數(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,，首屆青島大學附屬醫(yī)院數(shù)字醫(yī)學與臨床3D打印學術研討會召開,，在青島大學附屬醫(yī)院副院長董蒨，青島大學附屬醫(yī)院院長助理,、科研管理部主任牛海濤,，青島大學附屬醫(yī)院院長助理、醫(yī)務部主任李環(huán)廷等專家主持下,，首次系統(tǒng)生動地闡述了數(shù)字醫(yī)學的應用,。
數(shù)字醫(yī)學繪制精準“軍用地圖”

△盧云(青島大學數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術研究院副院長山東省數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術重點實驗室副主任青島大學附屬醫(yī)院普外科副主任)

青島大學附屬醫(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）是結合CT影像數(shù)據(jù)，通過對胃腸道腫瘤進行虛擬內(nèi)鏡系統(tǒng)三維數(shù)字模擬成像,，實現(xiàn)對胃腸道腫瘤發(fā)生部位進行早期精準“定位”,，同時通過大量數(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)生對腫瘤進行更為客觀的定性乃至定量分析,，來實現(xiàn)腫瘤的自動檢測及良惡性判別,，實現(xiàn)胃腸道腫瘤良惡性自動識別，并對腫瘤實現(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研究做主題發(fā)言,。

同時盧云教授帶領的科研團隊通過應用海信CAS系統(tǒng)對胃腸道腫瘤的相應HENLE血管進行可視化三維重建模擬,，可以在手術前精準判斷腫瘤周圍血管走行及變異,，并依據(jù)周圍血管的精細三維重建結果決定胃癌根治術、右半結腸癌根治術等手術的手術方式及清掃范圍,，這好像在手術之前給主刀醫(yī)生繪制了一幅精準的“軍用地圖”,，在保證安全切除的基礎上，盡可能保留正常組織,，減少術中創(chuàng)傷,，以期達到精準手術，真正實現(xiàn)“微創(chuàng)”治療,，有效加快患者術后康復,。目前他們團隊對胃腸道腫瘤HENLE干的細致分型，已被國際著名醫(yī)學雜志收錄并應用,。
人工智能實現(xiàn)精準手術

△陳永�,。êＰ裴t(yī)療研發(fā)部副部長、醫(yī)學影像所所長青島大學數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術研究院副院長）

現(xiàn)在去醫(yī)院看病,，如果病情稍微復雜點,，醫(yī)生都會讓去拍個片。這些片子就是患者個體的身體截圖,，很抽象,。一般影像科醫(yī)生在學校里培訓五年，還要在醫(yī)院影像科培訓多年才具有獨立診斷能力,。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,，而依靠深度學習、大數(shù)據(jù)分析的人工智能技術卻能夠完美地解決這些問題,。

一個肝膽腫瘤要確定手術方案,，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，這些都將導致不同的手術方案,。人工智能系統(tǒng),，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結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,、動脈走形,，還有膽道等各個方面跟腫瘤的關系，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,。它自動計算出來的殘肝體積和占肝的百分比都是相符的，符合手術要求,，而這些指標對是否能做手術,，手術后是否有嚴重的并發(fā)癥，都是非常相關的重要參數(shù),。

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

數(shù)字化影像時代到來

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

現(xiàn)在的醫(yī)學檢查,，主要是在細胞病變或癌變之后，而細胞癌變之前的醫(yī)學診斷,，需要更加數(shù)字化的精準檢查和診斷,。這也是徐文堅對數(shù)字化醫(yī)學影像時代的期盼。

倫琴發(fā)現(xiàn)X線為放射學的發(fā)展奠定了基礎,，在其后的100余年中,，隨著各種新型成像技術不斷出現(xiàn)及改進，放射學由單純的X線成像發(fā)展到包括CT,、MRI,、超聲、核醫(yī)學,、計算機放射成像（CR）,、數(shù)字放射成像（DR）等各種數(shù)字化成像技術的現(xiàn)代影像學階段。成像技術的改進,，同時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70年代初期CT的問世,，成為傳統(tǒng)放射學步入現(xiàn)代影像學時代的革命性標志，在其后的時期里逐漸出現(xiàn)了各種各樣的成像技術,，但根本進展為影像醫(yī)學的數(shù)字化,，后者使得醫(yī)學影像學進入了迅猛發(fā)展的時期。

徐文堅說,，醫(yī)學影像學的發(fā)展進步大大提高了醫(yī)生的診斷水平,，而根據(jù)影像進行初步診斷直接影響手術方案設計,、關乎預后。而目前常用的不同成像數(shù)據(jù)只能反應不同層次的信息,，不同影像學檢查各有優(yōu)缺點,，單一模態(tài)成像精確診斷困難。以分子化影像學等為代表的數(shù)字化影像醫(yī)學則是影像學的未來,，將能做到早期精準檢出,、定位、定性,、分期,、分級，可將現(xiàn)有信息進行再挖掘,，實現(xiàn)高度敏感,、特異、準確的影像,，助推精準醫(yī)學時代到來,。

筷子從鼻插進腦數(shù)字醫(yī)學救幼童

△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)右側的筷子頂端靠近顱腦的前額葉和血管,，左側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。

此時,，三維重建影像和3D打印派上了用場,，醫(yī)院最新引進了半島地區(qū)第一臺電磁導航先進設備，剛剛投入使用,，與顱腦三維重建技術相配合,，在手術中可以精準定位筷子的位置，為這次醫(yī)生能順利完成手術立了大功,。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打印技術打印的患者頭部模式,，讓醫(yī)生更加清晰地觀察手術部位,，并按照顯示導航，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了顱底缺損的骨質,，孩子最終脫離危險。

在姜彥看來,，數(shù)字三維重建給顱底外科帶來重大突破,，可以幫助初學者克服二維瓶頸、構建三維立體空間構像,；醫(yī)生術前分層次模擬,，多角度觀察，便于手術方案設計和與患者交流,；縮短內(nèi)鏡下顱底手術訓練曲線；3D打印技術還將實現(xiàn)顱底重建,。

沒了肋骨,，3D打印能重建

△矯文捷（青島大學附屬醫(yī)院胸外科主任博士生導師）

“3D打印技術將傳統(tǒng)醫(yī)療帶入了個性化、精準化,、微創(chuàng)化,、快速化的時代。 ”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�,；颊呷朐汉髾z查確診為右肺上葉鱗癌侵犯局部胸壁,，傳統(tǒng)手術方法要切除肺腫瘤組織、被侵犯的肋骨等,，術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行了胸壁重建。術前首先根據(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，進行了手術模擬,，確認可行后打印出鈦合金肋骨假體,，在詳細制定了精確、有針對性的手術方案后,， 2016年4月成功進行了手術,，由于術前已進行了3D打印樹脂模型的手術模擬，手術方案量身定制,，手術過程中出血量僅50毫升,。

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

脊柱手術,，刀尖上跳舞

△馬學曉（青島大學附屬醫(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，手術稍有偏差,，就可能導致患者出現(xiàn)偏癱等重大危險,。因此，每一次脊柱外科手術,，醫(yī)生都要反復研究和模擬手術過程,，CAS計算機輔助系統(tǒng)和3D打印的應用，為脊柱外科手術提供有力的武器,。馬學曉曾應用該技術為一位脊柱骨折患者成功進行手術,。該患者車禍傷后胸背部疼痛5天，查體時脊柱前屈后伸活動受限,，受損嚴重,。手術稍有不慎就可能導致高位截癱，因此對手術精準度要求非常高,，很多醫(yī)院不建議手術,，但馬學曉不能容忍一個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,，“手術時將模型往旁邊一擺，我們心里就更清楚了,。 ”馬學曉說,，參考打印的脊柱模型，最后手術十分成功。

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系,，進行手術規(guī)劃,，醫(yī)護人員利用CAS計算機輔助手術系統(tǒng)對患者脊柱進行了三維重建和術前手術模擬，醫(yī)生得以準確把握患者病況,，順利完成手術,。馬學曉說，脊柱解剖結構更為復雜,、個體差異大且毗鄰重要組織,、器官，關系錯綜復雜,。手術操作精準化,、個體化要求程度高，因此3D打印和計算機輔助手術系統(tǒng)對推動脊柱外科新技術的發(fā)展意義重大,。在展望技術發(fā)展進步時，馬學曉認為3D模型打印將推動骨科手術機器人的應用,，進一步提高手術精度,。另外，導板打印,、體內(nèi)植入物打印,、可吸收材料打印等打印新技術的應用也越來越廣泛。

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�,？鄲�,。青大附院使用數(shù)字醫(yī)療技術和3D打印技術，為患者實施口腔頜面手術,，讓患者變漂亮了,。袁榮濤說，這就是數(shù)字醫(yī)學帶來的變革,。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構以及與病灶的空間關系,，清晰顯示下牙槽神經(jīng),、上頜竇底等重要解剖結構，因此在口腔頜面外科中的應用十分廣泛。以目前較為廣泛的種植牙技術應用為例,，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過程中種植體破壞該神經(jīng)導致的下唇麻痹，能做到精準手術,。另外,，3D技術還可應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打印在手術實踐中也有諸多應用。另一名女患者左側下頜骨成釉細胞瘤在該技術指導下成功被切除,。手術過程中,，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)生成功進行了雙層腓骨修復下頜骨缺損手術。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用將愈加廣泛,。如修復科可用于義齒打印，正畸科可用于個性化托槽及無托槽隱形矯治技術,。 “以后還有4D打印,、5D打印。 ”他介紹,，4D打印比3D打印多了一個時間緯度,，通過軟件設定模型和時間，變形材料在設定的時間內(nèi)變形為所需的形狀,。最關鍵是記憶合金,，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,。

微血管超微結構預測疾病
痛風,、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,，致病因素導致微血管超微結構發(fā)生病變。那么,，能否研發(fā)一種測量微血管三維超微結構的設備來進行疾病早期預測,？青島大學數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術研究院博士于綦悅介紹了目前微血管三維超微結構測量系統(tǒng)的研發(fā)情況,。他們致力于研發(fā)無創(chuàng)動態(tài)微血管三維超微結構測量設備，研究微血管超微結構與疾病的關系,，并建立人類微血管超微結構與疾病的大數(shù)據(jù)庫,。通過無創(chuàng)便捷地預測疾病、治療監(jiān)測,、臨床評估等,，促進數(shù)字醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。微血管三維超微結構測量設備未來將廣泛應用于疾病早期預測,、病情嚴重程度分析,、診療過程檢測、醫(yī)學美容領域等,。

3D打印精度可達0.05毫米
夏楠是青島大學數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術研究院博士,，他表示，醫(yī)學三維重建及3D打印優(yōu)勢有三個,。
第一是更為直觀,，與傳統(tǒng)二維醫(yī)學影像相比，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系,，讓醫(yī)生和患者對病情一目了然。
第二是更精準,，醫(yī)生可以根據(jù)患者的三維圖像或者三維打印模型,，設計個性化的手術方案、手術導板或者設計特定的手術器具,、植入體等。
第三是更高效,，利用3D打印模型進行術前準備以及手術導板制作可以節(jié)省手術時長,，降低手術風險。

海信CAS醫(yī)學影像三維重建軟件可進行肝臟,、腎臟等組織器官,，以及周邊動、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,，也可結合Maya、Autodesk等三維建模軟件設計導板,、支架等個性化手術輔助器械,。

來源：青島晚報