数字医学及其在胸外科中的应用研究进展

张　满(综述)，郭占林(审校)

(内蒙古医科大学附属医院胸外科，呼和浩特 010050)

数字医学及其在胸外科中的应用研究进展

张满(综述)，郭占林※(审校)

(内蒙古医科大学附属医院胸外科，呼和浩特 010050)

摘要：数字医学就是将现代医学和数字化高新技术相结合，产生的一门新兴的交叉学科，在众多临床学科中已有许多成功的应用。数字医学技术的应用使一些以往无法诊断的疾病现在可以用数字化技术诊断，无法准确进行的治疗操作现在可用数字化技术保驾护航。同时，数字医学技术在胸部肿瘤的诊断、疗效的判定、肺小结节的定位及胸腔镜手术中也展现出了广阔的应用前景。该文就数字医学技术及其在胸外科中应用的研究进展予以综述。

关键词：胸部肿瘤；数字医学；数字技术；胸外科；胸腔镜

数字医学是数学、计算机科学、电子学、组织工程学等学科在医学中的综合应用。如今以三维影像诊断技术、手术导航技术、虚拟现实技术、计算机成像技术等为代表的数字医学技术已在临床中展露出了广泛的应用前景，在骨科、神经外科、普外科等众多临床学科中已有许多成功的应用，为疾病的术前诊断、术中导航、术后康复以及制订手术计划、手术模拟演练、手术教学、手术技能训练等提供了强有力的工具和方法。但数字医学在胸外科中的应用还鲜有报道。现通过综述数字医学技术及其在胸外科的研究进展，着重展示其在胸外科中的广泛应用前景，促进其进一步的应用。

1数字医学的概念及其临床应用

1.1数字医学技术的概念数字医学概念起源于1994年美国启动的“可视人计划”，此后韩国及我国相继启动数字人计划，从而开启了数字医学发展的新纪元[1]。数字医学技术就是数学、计算机科学、电子学、组织工程学等数字技术综合应用于医学领域而产生的一门新兴的交叉学科。也可以把数字医学的概念理解为是人类在了解和治疗疾病过程中，利用计算机技术实现信息收集、加工、应用和共享的科学[2-3]。数字医学目前的应用主要是在X线、CT等影像学检查的基础上，通过计算机技术将搜集到的原始二维解剖图像转变成三维或四维可视图像，从而使医务工作者能对研究对象有更加清晰、直观的认识，也可同时进行虚拟仿真研究，帮助医师更加准确地认识和鉴别疾病并进行针对性的治疗操作。个体化、精确化和微创性是未来医学发展的趋势，而数字医学正符合这一发展要求，能为医师提供精确的个体化数据满足微创治疗的需要。目前已成功应用于临床的，如虚拟现实仿真技术、影像重建技术、手术导航技术等都是以前从未有过的医学新事物，与原有的医学理论、技术操作大不相同。这就需要医务工作者了解、认识和熟悉这一新生事物，从而掌握该技术，以使其更好地应用于临床，服务广大患者。

1.2数字医学技术在临床医学中的应用随着数字医学的推广应用，使一些因无法明确显示而难以诊断的疾病得以准确诊断，一些以往无法进行的手术操作得以实施，有效提高了疾病的诊治水平。以影像诊断为例，通过对CT、磁共振成像二维图像的后处理，可重建出临床所需的三维、四维图像，突出病灶或重要血管，也可显示病灶与主要血管、神经的关系，明显提高影像诊断的准确性和精细性，从而为手术提供重要指导，降低手术的风险。如今数字医学已在临床上展露出勃勃生机，在普外科、骨科、妇产科、神经外科等众多临床学科中已有许多成功的应用[4-6]。利用虚拟现实技术与计算机成像，可提高术前诊断水平，模拟术前、术中、术后等过程；已经得以应用的，如三维重建仿真手术系统、虚拟膝关节镜外科手术仿真系统、数字化虚拟肝脏外科规划系统、数字化人脑三维模型、数字化人脑交互图谱等，具有精确性、仿真性、安全性、交互性、可协作性和可评价性等不可比拟的优势，为临床医师提供了强大的技术支持，从而在降低手术风险、提高手术成功率等方面发挥了无可比拟的作用和效果[7-9]。在临床实践教学中，可通过数字医学的虚拟现实手术仿真系统进行外科实践技能操作或更加复杂的手术训练，让学生或低年资医师在训练中有种身临其境的现实感，还可反复多次训练并对训练结果进行评估，这比以往的手术训练更加规范和标准，有助于提高临床的教学效果和手术训练水平[10-11]。

2数字医学技术在胸外科的应用前景

数字医学在疾病的诊断治疗、临床教学、临床技能培训、手术模拟等方面已展示出了巨大的应用前景，在临床相关科室已发挥出重要的作用，但其在胸外科中的应用还鲜有报道。

2.1在胸部肿瘤诊断、疗效判定及定位中的应用如何利用目前的检查技术和图像后处理技术提高胸部肿瘤的诊断水平，一直是临床医师不断追求的目标。如今，运用螺旋CT多平面重建及三维重建技术，可重建出肿瘤的形态及与周围胸膜、血管、组织等的关系；可清晰地重建出肺内结节以及肿瘤边缘的分叶征、毛刺征、胸膜凹陷征、棘状突起、血管气管集束征等胸部恶性肿瘤常见的征象，提高胸部恶性肿瘤的诊断水平[12]。同时，通过CT重建肿瘤的三维图像还可以准确地测量肿瘤在放化疗前后的大小，对于判定放化疗的效果有重要的参考意义。再者，CT的三维重建技术可明确骨折的位置、数量和类型，提高骨折的检出率。胸部的孤立性肺结节，指影像学上直径≤3 cm的不伴有肺不张或肺门淋巴结肿大的单发肺实质病灶[13]。目前，许多医师认为当肺外周结节直径≤2 cm或离肺表面太远时必须在术前进行定位。但是，目前定位技术发展较为缓慢，常用的方法有CT引导下环行钩定位、注射放射性物质、染料术中定位，这些方法均有一定的局限性(如有辐射危险、定位精度不高及并发血气胸等)。Junichi等[14]应用计算机辅助外科手术系统对猪肺内的小结节病灶进行精确定位，然后应用胸腔镜对病灶进行了完整的切除，展示了数字医学的精确性及与微创技术的良好结合。Chen等[15]应用计算机技术对肺小结节的定位研究也取得了很好的效果。计算机定位技术减少了患者和医护人员的辐射可能，同时该方法简单方便，有助于患者消除恐惧感，有效避免血气胸的发生。

2.2在胸部肿瘤手术治疗中的应用临床上，对于中央型肺癌侵及肺动脉和气管的病例，由于医师认识能力存在差异，术前靠一般的影像学资料很难准确判断病灶与周围器官和血管的确切关系，如果术中发现肿瘤已经侵及重要的血管或气管，可能导致手术无法继续进行，只能行开关术或姑息切除，从而造成手术切除率降低，同时也加大了患者风险和医患纠纷的发生。因此，迫切需要一种术前能让医师清楚了解患者肿瘤与周围组织三维结构关系的手段，以利于治疗方案的确定和手术顺利有效的实施。国内外学者对数字医学在胸外科手术中的应用进行了研究。Hu和Malthaner[16]通过对患者CT资料的三维重建，将病变涉及的脏器重建出来，先在计算机工作平台上进行术前规划并模拟胸腔镜手术，熟悉病变的解剖结构和手术操作过程，取得了良好的效果。Seemann和Claussen[17]利用计算机辅助系统将胸腔重要的脏器及病灶立体重建并叠加，让术者在术前就可以通过计算机全方位、多角度地观察病灶的形态及毗邻区域的解剖关系。计算机辅助系统的应用可以帮助手术医师在术前详细了解病灶的大小、三维形态和相关毗邻，也可通过对手术涉及的组织器官的重建进一步了解该术区的解剖变异情况，并在计算机上模拟手术操作，从而提高手术的切除率和安全性。数字医学在胸部手术中的应用主要体现在3个方面：①在术前可以通过对原始CT图像的三维重建，重建出肿瘤、周围血管及脏器，使术者对病灶和手术区域的解剖结构有一个清楚的认识；②可以通过虚拟现实的手术模拟系统进行术前规划并进行手术模拟操作，通过反复的演练制订出一套切实可行的手术方案；③在手术实施过程中医师可以通过计算机辅助系统感知具体操作部位的位置及毗邻关系，帮助术者安全迅速抵达病灶，尽最大可能地减少手术的副损伤[18]。同时，通过数字化建立肺动脉模型，还可以直观、立体地观察动脉主干与分支情况及肿瘤侵及肺动脉的情况，并进行解剖学测量以准确了解肿瘤的侵及深度，提高外科医师的手术成功率。

2.3在胸腔镜手术中的应用电视胸腔镜手术目前在各地得到了较广泛的应用，其在减小手术创伤、提高手术质量、缩短住院时间等方面显示出极大的优势。但是仍有许多难题制约着胸腔镜的进一步发展，绝大多数的胸腔镜无法呈现出组织间的三维立体结构，术者无法感知准确的位置，不能进行直接的触诊，还有视野局限，这都是制约胸腔镜进一步发展的不利因素[19]。此外，对于胸腺瘤来说，由于其血供丰富、血管多，胸腔镜手术时如何避免损伤血管就成为胸外科医师必须克服的一道难题[20]。目前学者们通过对计算机辅助技术的研究为这一问题的解决带来了希望。Shiono等[21]应用计算机三维重建技术对胸腺瘤患者术前的CT影像进行处理，重建出胸腺瘤的重要血管，帮助术者在胸腔镜手术中能安全快速地处理血管。陈炜生等[22]运用计算机导航技术定位肺血管，以使医师在胸腔镜下更安全地分离结扎肺动脉。国外学者在胸腔镜手术中应用三维重建技术将胸部影像资料进行重建，重建出血管、气管等结构，有效地扩展了胸腔镜的手术视野，使手术操作更加确切[23-24]。Scholz等[25]在胸腔镜中运用计算机导航技术显示活动性出血部位的组织结构和手术操作部位的组织结构，可使医师有效避免误损伤和误操作。Lindseth等[26]在胸腔镜手术中联合应用导航技术和超声技术，将两者的图像结合来了解胸腔镜手术区的解剖结构。这些研究均显示了数字医学在胸腔镜手术中的广阔应用前景。

3小结

数字医学的发展在准确高效地诊断疾病、选择合理的治疗方法、提高手术成功率、降低手术风险等方面发挥了积极作用。同时，数字医学技术的应用实现了外科疾病解剖数字化、诊断程序化和手术可视化的有机结合。它为实现微创外科这一理念提供了一个强有力的工具。相信随着数字医学技术在临床医疗中的广泛应用，可以极大地提高医师对疾病的诊治水平，最终造福于广大患者。

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Research Progress of Digital Medical Technology and Its Application in Thoracic SurgeryZHANGMan，GUOZhan-lin.(DepartmentofThoracicSurgery,AffiliatedHospitalofInnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010050，China)

Abstract:Digital medicine is the combination of modern medicine and digital technology,a new rising cross subject,which has been applied successfully in numerous clinical disciplines.The application of digital medical technology realizes the diagnosis of diseases which couldn′t be diagnosed before,and can guide treatment operation accurately.At the same time,broad prospect of digital medical technology has been seen in the diagnosis and effect evaluation of chest tumor,localization and thoracoscopic operation of small lung nodules.Here is to make a review of the research progress in digital medical technology and its application in the thoracic surgery.

Key words：Chest tumor; Digital medicine; Digital technology; Thoracic surgery; Thoracoscopy

收稿日期：2014-11-11修回日期：2015-02-14编辑：郑雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.037

中图分类号：R655.3；R655.7

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)17-3171-03