2016年2月23日，60多歲的手術(shù)患者殷道榮回到第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院復(fù)查，結(jié)果顯示身體恢復(fù)良好。這正是第三軍醫(yī)大學(xué)生物工程學(xué)院數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所與西南醫(yī)院心胸外科合作，借助3D數(shù)字化導(dǎo)航、3D打印技術(shù)和3D輔助設(shè)計(jì)，完成的一例胸腔巨大腫瘤切除加胸壁重建手術(shù)。

人體胸腔部分?jǐn)?shù)字化圖像

    據(jù)悉，患者的左側(cè)胸腔內(nèi)有一個(gè)巨大的腫瘤，初步顯示為低度惡性腫瘤，且腫瘤已經(jīng)嚴(yán)重壓迫肺葉，大肆侵犯胸壁，侵蝕左胸5—10肋骨、肋軟骨和肋間內(nèi)外肌，而且腫瘤與肺動(dòng)靜脈關(guān)系較為復(fù)雜。不僅腫瘤切除有一定難度，巨大腫瘤切除后胸壁將出現(xiàn)嚴(yán)重的骨缺損，影響患者術(shù)后的呼吸功能，且患者心肺難以得到較好的胸壁保護(hù)。

胸腔巨大腫瘤和胸腔臟器的術(shù)前三維重建圖像

    數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所將患者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)，對(duì)患者肺血管、肋骨、肋軟骨、胸骨、肺和胸腔巨大腫瘤進(jìn)行了數(shù)據(jù)半自動(dòng)分割和三維重建，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了巨大腫瘤切除術(shù)手術(shù)方案的設(shè)計(jì)，并根據(jù)對(duì)側(cè)胸骨的性狀和腫瘤侵蝕范圍，設(shè)計(jì)出突出胸壁的腫瘤和擬重建胸壁的3D模型，將打印出的3D模型進(jìn)行了手術(shù)預(yù)演，并以3D設(shè)計(jì)打印的胸壁為模子，制作出了三維的弧形適形鈦板。在“數(shù)字醫(yī)學(xué)”的協(xié)助下，手術(shù)進(jìn)行得非常順利，3D打印輔助制作的三維弧形鈦板與缺損胸壁斷端完全吻合。

    裝置3D適形鈦板的胸壁重建手術(shù)術(shù)中照片

    “鈦板通常是平面的，難與胸壁弧形相貼合，隨著患者呼吸運(yùn)動(dòng)，常規(guī)鈦板容易出現(xiàn)移位等情況，治療效果有限。而3D打印則相當(dāng)于對(duì)患者所需手術(shù)材料的一種私人定制，打印物的大小、尺寸完全可以自行設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)將成為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)療的重要手段。”數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所吳毅副教授介紹。

    裝置3D適形鈦板胸壁成形術(shù)后的CT三維重建圖像

    數(shù)字醫(yī)學(xué)，一個(gè)來(lái)自于傳統(tǒng)學(xué)科“解剖”的新型研究方向，用計(jì)算機(jī)數(shù)字化的手段來(lái)解決診斷和治療的種種問(wèn)題。它的發(fā)展，生動(dòng)詮釋了醫(yī)學(xué)“3D打印”的前世今生。

    可視化人體數(shù)據(jù)集——讓“解剖”活起來(lái)

    時(shí)間倒退到本世紀(jì)初。山城重慶的酷暑，戶外近40攝氏度，實(shí)驗(yàn)室卻是零下25攝氏度的“嚴(yán)寒”。第三軍醫(yī)大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)、我國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)學(xué)科開(kāi)拓者張紹祥教授，帶著團(tuán)隊(duì)成員，大衣、毛帽、厚手套全副武裝，正在緊張地進(jìn)行人體冰凍切片。這可不是普通的“切片”，他們把整個(gè)人體上千的切片圖像輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的處理，獲取數(shù)字化人體包括大腦、心臟、肝臟的全身數(shù)據(jù)集。

    張紹祥教授工作照

    這是當(dāng)時(shí)世界上繼美國(guó)、韓國(guó)之后的第三例可視化人體數(shù)據(jù)集，無(wú)論在切片層厚和圖像分辨率上都優(yōu)于前述。由于美國(guó)數(shù)字化人體切片是在常溫下進(jìn)行，人體標(biāo)本會(huì)因“解凍”出現(xiàn)較大的誤差。因此，張紹祥教授堅(jiān)持在零下25度的極寒條件下開(kāi)展切片，最大可能減小誤差。人在“極寒”實(shí)驗(yàn)室連續(xù)工作不能超過(guò)2個(gè)小時(shí)，而室內(nèi)外溫差最高可以達(dá)到60攝氏度。研究人員往往在外面抽上一根煙，休息一會(huì)兒，又返回實(shí)驗(yàn)室，工作到凌晨。

張紹祥教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在低溫實(shí)驗(yàn)室里工作

    解剖是一門(mén)古老的學(xué)科，數(shù)字化的引入讓它重新煥發(fā)活力。從2001年起的15年，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中，研究所已具備高精度斷層切片機(jī)、低溫冰凍實(shí)驗(yàn)室、高精度數(shù)控銑床、精細(xì)薄層斷面標(biāo)本鋸切實(shí)驗(yàn)室、Detrobeam人機(jī)交互虛擬手術(shù)展示平臺(tái)、圖像圖形工作站等，在數(shù)字化解剖、數(shù)字人輔助影像診斷、數(shù)字化醫(yī)學(xué)教學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理包括圖像融合、配準(zhǔn)、分割方面取得了較大發(fā)展。從2001年至今，研究所已獲取了8例可視化人體數(shù)據(jù)集，并構(gòu)建了男性、女性全身臟器的分割數(shù)據(jù)集和三維重建模型，完成了人體局部復(fù)雜、抽象器官的斷層解剖學(xué)與三維可視化研究，發(fā)表了37篇高質(zhì)量論文，在數(shù)字化可視人體研究的基礎(chǔ)上相繼開(kāi)展了數(shù)字解剖學(xué)、數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像處理、數(shù)字化診療方面和數(shù)字化醫(yī)院管理系統(tǒng)的研究，并在數(shù)字化解剖教學(xué)、臨床輔助診斷與治療方面取得了多項(xiàng)研究成果，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。

張紹祥教授在重慶市數(shù)字醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上主持工作

    “3D打印很‘時(shí)髦’，但它的根基在數(shù)字醫(yī)學(xué)，沒(méi)有精確的數(shù)字化設(shè)計(jì)，就沒(méi)有‘漂亮’的3D打印。也可以說(shuō)，從2001年起，我們勇敢跟蹤前沿，預(yù)見(jiàn)了精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、個(gè)性醫(yī)學(xué)時(shí)代的到來(lái)。”研究所博士方彬吉說(shuō)。

    張紹祥教授主持第三屆全國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)

    三維可視化——全新認(rèn)識(shí)人體結(jié)構(gòu)

    隨著薄層、高精度數(shù)字化人體圖像和三維可視化模型的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)解剖中“肉眼”所不理解的微小隱蔽結(jié)構(gòu)也不斷被發(fā)現(xiàn)。例如，在原來(lái)的解剖認(rèn)知中，公認(rèn)肛提肌分為三個(gè)部分，主要運(yùn)動(dòng)路徑是“向上”，肌纖維與陰道或前列腺相連，而通過(guò)數(shù)字解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)肛提肌分為四個(gè)部分，運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)際是“向前移動(dòng)”，而且肛提肌纖維與陰道或前列腺不相連。傳統(tǒng)的解剖學(xué)認(rèn)為胸部與腹部并無(wú)多少交流，而通過(guò)數(shù)字解剖學(xué)卻發(fā)現(xiàn)胸部與腹部之間實(shí)際上有10個(gè)“異常通道”，這就解釋了為什么胰腺炎患者的腹腔積液可以進(jìn)入胸腔。《PLOS one》、《Journal of anatomy》等解剖類(lèi)頂級(jí)雜志刊登了數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所的一系列重大發(fā)現(xiàn)。

    數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)

    “目前，我們與臨床的結(jié)合，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)方面是數(shù)字化診斷，比如巨大肝癌與周?chē)�血管的毗鄰關(guān)系、盆腔臟器脫垂的盆底結(jié)構(gòu)損傷分析；另一個(gè)方面是數(shù)字化治療，它主要包括術(shù)前預(yù)演、手術(shù)導(dǎo)航和3D定制，主要為3D重建和3D打印技術(shù)的應(yīng)用。”研究所計(jì)算機(jī)工程師李穎說(shuō)。

    據(jù)悉，研究所和國(guó)家工業(yè)與信息化部聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一套基于中國(guó)數(shù)字化人體的男性與女性全身輻射劑量吸收計(jì)算模型，能通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算人體各臟器所能吸收的輻射劑量。

    虛擬解剖，悄然改變醫(yī)學(xué)生的課堂

    第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院超聲診斷科，科室主任郭燕麗正教實(shí)習(xí)生用數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像與超聲影像進(jìn)行比對(duì)學(xué)習(xí)。在第三軍醫(yī)大學(xué)的解剖實(shí)驗(yàn)室，也由人體標(biāo)本解剖教室延伸到數(shù)字解剖教室，在那里，醫(yī)學(xué)生正熟練應(yīng)用數(shù)字研究所研發(fā)的“虛擬解剖教學(xué)平臺(tái)”，在電腦上對(duì)“三維人體”開(kāi)展各種手術(shù)操作，作為實(shí)踐教學(xué)的重要補(bǔ)充，不用受到標(biāo)本稀缺、動(dòng)手機(jī)會(huì)少的制約。

    為了進(jìn)一步增進(jìn)學(xué)術(shù)交流，數(shù)字醫(yī)學(xué)研究所主辦了《數(shù)字醫(yī)學(xué)》雜志，作為世界上第一本數(shù)字醫(yī)學(xué)英文期刊，在國(guó)際上進(jìn)入檢索序列。

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