拥抱科学、不懈进步， 用数字化技术为患者带来更好地康复

车翀

 【受访专家】王黎明 南京医科大学外科学教授，博、硕士生导师，骨科主任医师，享受国务院政府特殊津贴。曾任南京医科大学附属南京第一医院副院长、骨科主任，现为南京医科大学数字医学重点实验室主任、南京市第一医院骨科骨科主任导师兼骨科实验室主任。是江苏省“333工程”、南京市“213培养人才”。在关节疾病的诊治方面具有丰富的临床经验，尤其是人工全髋、全膝关节置换治疗骨性关节炎、股骨头无菌性坏死、髋臼发育不良及先天性髋关节脱位等、人工肩、肘、腕关节置换术及关节镜下手术，多发、复杂创伤的救治。

这是个数字化的时代。人类根本离不开数字──这个用来认识世界、解释世界的伟大发明，使人类认为自己摆脱蒙昧的标志之一便是“结绳计数”，很可能是已知人类最早对数字的应用，用来弄清那个年代身边最重要的事物——部落狩猎回的猎物。探索、发现、分析，人类对于数字的应用越来越娴熟，永不停歇地用数字衡量已知，预测未知，自然中的那些神秘一件件地在人类面前揭开了面纱，我们已经可以用数字和公式去衡量最渺小的“须臾”，也在用数字诠释宇宙间那些宏伟的结构和最极端的天体，我们用数字表述我们每天的收入、购买、囤积，也在用数字度量一个国家、民族甚至整个人类的生产和繁衍。当然，我们从未忘记用数字去分析我们的生命，在这个神奇的时代，得益于数字化、信息化的技术，医学一直在向着精准、清晰的方向发展，也无怪乎王教授在面对我们时感慨：“医学，总是在全面地拥抱数字化技术，一刻不停地努力进步。”

数字医学，其实就是数字化技术与医学的有机结合。“这并不是一个全新的概念，毕竟中华医学会数字医学分会的年会都已经开了8届了。”当然，现在已经没有医院可以彻底脱离广义的数字技术而存在，医保结算系统，电子处方，医院病房、后勤的管理系统，“所有医院都在不同程度地数字化，这就是这个时代。数字医学并不只是包括临床治疗，还有很多方方面面的内容，现在已经没有哪个医院能完全脱离数字技术而存在了。”

“而我们临床医生谈的，涉及具体临床治疗的数字化应用，便是一种狭义的数字医学，”即：利用数字化技术革新传统治疗方式，让不可能变为可能，让困难变为简单，让能做到的做得更好。王教授告诉我们，骨科学中的数字化应用是相对有特点而直观的，“数字化与精准医学其实在骨科中有着非常好的应用实例和前景。而在南京市第一医院骨科，数字化与精准化的道路已经走了许多年。”

严于术前，3D技术助力打开人体的黑箱

一直以来，手术治疗都是在与“黑箱”的斗争中不断摸索，这个黑箱便是我们的人体。在划破皮肤、肌层之前，我们只能通过一些检查手段间接地去考察体内的情况。比如骨折发生在体内，在很长的一段时间内我们只能通过手法触摸去判断骨折的情况，比如罗马角斗士的医生们，往往需要一双能够“摸出”骨折、甚至能手法复位的巧手。感谢威廉·康拉德·伦琴，X射线的发现让人类具备了观察骨骼的能力，我们能够初步看清楚“黑箱”内的一些情况。X射线技术是从几个角度去进行平面成型，医生见到的是不同角度拍出的骨骼的平面图，必须在脑中构建起患者体内立体的骨折的情况和形态，并和解剖图谱進行比对，研究手术方案。在很多人印象中，骨骼图就像骷髅架子一样，但医生打开人体组织后见到的却是大量鲜红并在渗血的肌肉包裹着骨骼。血管、神经、软组织，医生必须凭借丰富的经验在骨骼影像检查上根本不会出现的结构、组织中找到创伤部位进行治疗。困难很大，风险很多，如果有一个技术能够直接看到患者的骨骼立体图，医生势必能更好地研究骨骼情况，设计手术方案，做到心中有数，打开人体后更加精准地解决问题。然而，这样的方式仍然没有跳脱出“脑补”的范畴。

我们人类在对自然的不断认识中建立了科学研究的范式，观察、分析、建立模型、实验验证，我们在这样的过程中征服了一个又一个难题，也将世界改造成我们需要的样子，但是，这个方式在人体上却遇到了困难。建造桥梁需要先搭建等比模型，建造船舶也要建立模型研究浮力、适航性，而打开人体对一块骨头进行修补，却无法现行做一个模型来研究，这是人类作为自然界最复杂、最精致造物的复杂性使然，更是因为人类并不存在一个“标准化、统一化的模板”，每个人的机体情况都有细微的差别，疾病的情况也千差万别。有没有可能能够精准地识别发现每个患者的特性，仔细了解他们的病变特征？有没有可能提前做出一些人体内病变部位的“模型”，让医生们能够在体外模拟、练习手术？至少对于骨科来说，数字化3D技术提供了这种可能。

● 三维重建与3D打印

一个骨骼的畸形，我们以往只能通过非常抽象的办法去认知，比如畸形的脊柱我们可以在体表摸到明显的曲线、形状变化，或是在X射线下看到一个个侧面的成像，但是，真正直观的样子，在打开人体之前谁也没见过。“畸形到什么程度呢？如果我们把患处打印出来，那就会非常清楚了。”以往手术，结构、畸形、损伤越复杂，手术的难度就越大，这主要是因为过于复杂的骨关节情况，在影像学检查中有太多的重叠、遮掩，打开人体后见到的情况就可能与术前的考量相差甚远。如果我们将患者体内的情况，通过多维的影像学技术呈现，在体外复原出来，那就能让医生直观地看见患者体内的情况，甚至能构建1︰1的模型，术中可以直接放在手术台上进行比对！

近十年时间，随着CT技术与软件算法的进步，我们已经具备了将一张又一张不同角度的平面图像进行数字化处理，形成3D复原的立体图像技术，这便是3D重建技术，也叫三维重建。这项技术的成熟让我们第一次实现了在屏幕上看见体内的实际结构，将每个患者的病变情况直观地立体呈现，这让许多手术更加精准，也更加安全。

而3D打印技术的成熟使我们的医生具备了另一种大幅度提高手术安全性、降低手术难度的能力——把患者体内的情况做成模型。骨骼是坚硬的，不像质地柔软的脏器存在那么多变化，骨科手术的目标——骨骼本身具备直接通过模型比对的可能。将患者病变的骨骼用CT三维重建变成图像，再根据图像通过3D打印技术制作出1∶1的模型，医生终于实现了打开人体的“黑箱”，第一次将患者真实的骨骼病变情况从体内搬到了体外，“医生开始手术后，见到患者的骨骼终于不再是‘初次见面了。”

● 手术预演与方案设计

有了个性化的模型，手术演习就成为可能，“我们甚至可以在体外拿着模型模拟手术，用这个方式进行教学”。这在3D打印和数字医学成熟之前是无法想象的。三维重建后用3D打印模型，这种技术能为骨折的诊断、分类、手术入路、固定方法的选择提供充分、直观的依据。它能模拟手术术前明确骨折复位方法及复位顺序，设计、选择内固定，术前预弯钢板、预制螺钉方向模板、预先选择螺钉种类及长度，提高固定的准确性，减少损伤及出血，缩短手术时间，并有效提高内固定力学性能，避免盲目置钉在薄弱位置达不到坚强固定。“我们在术前，钢板需要多长，弧度是多少，需要多少螺丝钉，距离多长打钉子比较好，不光得提前计划好，还要模拟手术，这样准备就非常充分了。”王教授告诉我们，在术前可以拿着打印的患者自己的模型，向患者介绍患者的病情、手术准备怎么做、为什么要这么做，这样可以让患者感到更加放心。充分的了解，才能带来充分的信任。

“在体外做一次甚至多次手术演习，实际手术的时候就能做到‘快、准、好，这对患者的意义是非常重大的。”王教授坦言，很多患者存在多重损伤、基础疾病，不能够经受很长时间的手术（麻醉风险、手术损伤等），在保证手术效果的情况下大幅度缩短时间，患者的安全能够得到更好地保障，“将更多时间花在术前准备上，这也是对患者的负责”。

精于术中，数字化技术为手术提供实时指导

● 术中比对与导板路径

除了将3D打印用于术前准备，3D打印出的设备更是可以直接被带入术中，而有着稳定性质、良好亲和性的3D打印模型，更是可以接受严格地消毒，直接用于手术台上甚至是放入人体，辅助医生的操作。

王教授介绍，在南京市第一医院的骨科手术台上，很多复杂手术都能在操作器械附近看到白色的3D打印骨骼模型，这便是被严格消毒后带上台的患者骨骼模型。手术时为了减少创伤，往往追求尽可能小的创口，这就使得医生们不会大范围切开患者的肢体，只暴露足够的操作空间，必要时再扩大切口。切口中的所见并不一定是患者患处骨骼的全部展示，这时手边有一个直观的患者骨骼全尺寸模型用于随时比对，手术的难度和风险都会降低。“同时，骨科手术对于对位、复位的准确要求很高，髋臼等部位复位稍有偏差直接意味着大概率的并发症甚至手术失败，现在我们可以将根据患者情况复位好的‘完美模型带上台，医生可以直接看见理想中的复位状态，手术也就能更好地实现目标，也就意味着患者更好的预后。”

为操作难度较大的部位设计一个量身定做的“辅助定位设备”也有着重要的意义。比如在进行脊柱手术时，脊柱的结构可能发生了不小的病变，使得定位标志和结构不再清晰直观，或是畸形导致的结构改变，而脊柱周围重要的血管、神经非常多，椎管内更是有着极为重要和脆弱的脊髓，如果在术中直接定位进行穿刺、打入钢钉等操作，难度较大，风险也非常高，即使是最高明的医生也无法保证永远零失误。“但是，三维重建和3D打印却可以帮助我们将失误的可能降到最低。我们可以先将患者的脊椎情况重建出来，然后先把模型做好，結合检查确定好穿刺、打钢钉的位置、深度，再设计一个严丝合缝的‘导板，导板上直接固定了穿刺、打钢钉的路径，术中直接将导板固定在患者相应的脊椎上，然后沿着路径操作。然后再验证一下操作的效果，往往都非常好。”王教授告诉我们，从理论上来说，甚至每个熟练的医生都可以根据导板操作出一样的效果，手术难度大大降低。难度的降低，意味着风险的降低，患者也更加安全。

▲ 在3D 打印模型上尝试

▲ 实际术中导板辅助穿刺定位

彩色半透明图像为虚拟图像，在术中与患者实际部位重叠

● 透视眼与瞄准镜：混合现实技术与数字化定位系统

另一种神奇的数字化技术——混合现实也开始在手术中发挥作用。混合现实技术其实离我们并不遥远，在电子游戏中早已十分普及的VR技术，让人可以在头盔中沉浸体验另一个世界，而以往的淘宝过年活动（扫五福等），都用到了增强现实技术。通过这样的技术，医生可以在双眼看到正常的手术视野的同时，在此之上看到另一层虚拟的图像，用于显示患者的骨骼结构，甚至能呈现被手术器械遮挡住的患者生理病理结构，或是被医生操作手遮挡的器械也会呈现在眼前，当涉及精细操作时，这就像是有了一双“透视眼”，“患者的情况，手术中需要看到的那些结构，清晰、干净地呈现在医生眼前。”

在传统的骨科手术中，骨科医生的手术视野往往会被血液或软组织所阻碍，手术是否顺利高度依赖于医生的经验和技术。而将人体骨骼3D建模，以彩色三维可透明的立体结构展现，可以辅助临床医生解决目前所遇到的各种复杂病症。“这也可以看做是将3D模型放在手术台上随时比对的更进一步，”王教授介绍道。MR混合现实技术服务是基于三维可视化技术之上的，能够将3D重建后的全息影像与人体精准重合，从而提高手术精准度，增加年轻医生的手术参与率，最重要的是降低手术风险。医生不再完全依赖于想象力做手术，真正做到边看边做，心中有数。“随着技术的进步，可能这一技术也将被用于远程会诊或是遥控手术，等等。”王教授说道。

很多时候，骨关节的病变造成患者活动受限，原本能够支撑人体正常运动的力学结构发生了改变，而手术治疗的目的便是将患者的肢体力学结构尽量复原，那么定位、对位的准确极为重要。如果患者因为某些问题，需要进行膝关节的置换，能不能保证膝关节置换后患者下肢力线的正常，是手术成功与否的要点。膝关节置换手术的要求是毫米级的，有文献显示置换后下肢力线如果出现了3°以上的偏差，可能会导致24%的早期（关节）松动，术后的并发症、二次手术翻修给医生和患者都带来了极大的麻烦和痛苦，以及不可忽视的经济压力。而问题的难点在于，这3°偏差根本不可能用肉眼识别。如果用于定位的患者体表标志不明显（患者超重、下肢肥胖等），或是存在其他远端病变造成了结构改变，依靠眼睛和经验去解决这个问题极为困难。

相对早期的膝关节手术中定位一度依赖特制的尺规或是模具，后来的技术进步让医生可以对着电脑屏幕，通过一些传感器、采集设备依据定位点、形态或是非图像信息，通过电脑图像辅助定位，“这种计算机导航手术技术在很多医院中已经在应用了。”

在很多时候，先进的数字化往往意味着高昂的成本，这样的计算机导航系统可能需要数百万的价格，而更加先进复杂的手术机器人（达芬奇机器人等）更是动辄上千万，这是很多医院都难以承受的，大量患者最终无法得到惠及。

王教授一再向我们强调，数字医学并不是一味地增加成本、追求“黑科技”，让医生和患者共同去承担极其高昂的代价。有时候，数字化技术也能够为临床难题带来“更好、更实惠”的解决方案，iASSIST技术就是其中一种。

iASSIST系统就一个特制的iPad（平板电脑）和数个蓝色的感应块，每个感应模块融合了加速器、陀螺仪和温度传感技术，跟微型计算机工作站一样，可通过安全的无线局域网（Wi-Fi）交换信息。手术中，在做好定位以后，将这些感应块以一定的角度安装在需要定位角度的骨骼或是置换的膝关节上，获取必要的数据后，计算机软件处理信息并通过无线局域网（Wi-Fi）把定位角度直接显示在术中视野的电子模块上，引导术者在冠状面和矢状面上以适当的角度进行切除。

▲ 术中接入的iASSIST 数据

这个系统最大的优点就是操作简单，相比于动辄数百万的计算机导航系统，上千万的智能手术机器人系统，iASSIST技术应用的门槛更低，可以在更多的医院进行推广，而一旦熟练使用，大部分医生都能够更好地完成膝关节置换手术。“我们实际手术中的感觉，iASSIST技术效果很好，能够很便捷地达到我们的需求，也能很好地缩短手术时间。”这个技术的有效性也经过了研究验证，论文数据显示其与计算机导航的手术相比，两者在临床效果上无差异，但iASSIST技术手术的时间更短。

勤于术外，数字化骨科将为患者带来福音

在微观的层面，医生眼中会见到一个个崭新的技术，让手术与其他治療变得简单方便，患者会感到治疗更安全、康复更快速、并发症更少，而数字化技术可能会在很多手术以外的地方以一种潜移默化却又无法抗拒的方式让医学的面貌发生变化。

“没有三维重建与3D打印之前，传统的手术医生学习就是师父带徒弟，从小手术一点一点跟，直到技术进步经验积累到可以独立上台，然后再用很多年时间一点一滴积累手上功夫，而现在情况不一样了。”王教授的团队中，中青年医生的学习中模拟手术的分量正在提高，以往必须到手术室跟台才能完成的学习，“现在可以直接拿着模型讨论学习手术方案设计，然后直接在模型上面动手做手术，这可以认识疾病，也可以学习手术。”这样的培养模式能够让中青年医生更快地积累经验是不争的事实。“我们的医生只要能够掌握这样的技术，付出比以往更少的学习成本，就能做到很好的手术效果，哪怕是复杂手术，也可以很好地完成。”王教授说道。每年中国大约进行90万例的膝关节置换手术，而能够熟练进行膝关节置换手术的患者，也许只有数万名，如果数字化技术能够让更多医院的医生用更少的时间得到更好的手术技术、效果，那直接意味着更多有需要的患者解除了病痛。

进步的趋势源于人类灵魂中的探索，以及永不会消弭的需求，永远不会在某一刻自发终止。现在已经能用3D打印技术制作“量身定做”的模具，也能够直接打印出金属的植入物，做出最合适患者本身的人工关节或是代替骨。当前3D打印机分辨率是微米水平，而骨骼的超微结构是纳米水平，未来可能随着打印精度的进步，会制作出更加合适甚至具备一定生理功能的骨骼、关节，这会大大改善患者的预后。手术本身可以在更先进、更普适的定位系统的辅助下越做越好，如果有一日手术机器人的精细度、智能程度再上一个台阶，而价格不再成为推广的阻碍，势必也能更好地解决目前的困难。

“未来的骨科发展将趋向个性化、精确化、可替代化。利用3D打印、数字医学等技术，可以实现、领跑未来骨科的发展。这也能给我国的医学事业发展带来巨大的助力。”改变的手术方式，改变的教学培养模式，正在被改变的医学未来，面对技术的人却总有一些无法改变、无法割舍的：“无论技术怎么发展，我们永远是希望解决临床的困难，一切的核心就是解除患者的病痛，更好、更快、更安全，还要更便宜，让更多患者受益。”所以医生总是在刻苦学习，总是在追求进步，从不抵触任何一个能治好病的新技术，“只有这样，才可能让更多的患者不再被冠上‘患者之名。”想必，这也是每一个医者的所愿。

（编辑    王岽、王幸）