1、數字醫學與數字電子（Digital Medicine & Digital Electronics）數字醫學概述及其與數字電子的關系1 何為數字醫學？源于美國威斯康星大學斯萊克（W.V.Slack）所著Cybermedicine:how computing empowers doctors and patients for better health care（計算機如何幫助醫生和病人提高醫療質量）一書；前綴Cyber，表示經由計算機技術、信息處理技術或互聯網技術調控的事物，賽博醫學（Cybermedicine）就是將計算機技術、信息處理技術或互聯網技術廣泛應用于醫療領域的數字醫學。2 數字醫學

2、的定義2003年，鐘世鎮院士所編數字人與數字解剖學中稱“數字人和數字解剖學是數字醫學的基礎，將為現代醫學研究提供新的方法和手段”；2008年，戴尅戎院士給出“數字醫學是應用數字化技術，解釋醫學現象、解決醫學問題、探討醫學機理、提高生命質量的一門科學”的定義，獲得國內眾多院士的贊同。3 數字化人體研究數字醫學應用的基礎數字化人體研究已從最初單純的人體數據集的構建逐步向數字解剖學及其實際應用方向發展；研究重點大致集中在特殊人體組織如神經、淋巴與微小器官信息的獲取，圖像分割和重建技術，網格計算存儲與數據同步共享，醫學及其相關領域的應用等。3.1 國內的相關研究機構復旦大學數字醫學研究中心；上海交通大

3、學數字醫學研究院；第三軍醫大學數字醫學研究所；浙江大學數字醫療工程研究中心；南方醫科大學數字人和數字醫學研究所；眾多的研究目的已將數字醫學的應用范圍擴展到數字醫院、數字醫學工程、數字醫療技術、數字化基礎醫學研究等各個方面。3.2.1 人體特殊組織信息的獲取和數字化微觀人體數據集的構建人體特殊組織如血管、神經和淋巴等的信息標識和分割是數字化人體數據集構建的難點，國內采用人體管道灌注技術，已基本完成血管的標識，最小直徑為0.02毫米，但神經和淋巴等的信息標識任未解決；數字化人體數據集的構建分為宏觀建模和微觀建模兩部分，前者側重于形態結構，后者側重于生理功能，可分為局部器官建模、顯微建模等。3.2.

4、2 數字化微觀人體數據集構建的研究進展南方醫科大學采用肝臟數據集進行了肝臟腫瘤的術式和治療研究；廈門大學采用顯微建模技術構建了數字眼球數據集，并開發了基于數字化眼球技術的裂隙燈等應用醫療檢測設備；中國醫科大學采用顯微建模技術構建了小鼠的腎小管，并對其進行了相應的生理研究。3.2.4 國內采用中國數字人數據集構建解剖模型的高等院校香港中文大學、香港理工大學、北京大學、清華大學、復旦大學、浙江大學、上海交通大學、中科技大學、東南大學、中國科技大學、第三軍醫大學、首都醫科大學、廈門大學、南方醫科大學、同濟大學、深圳大學、上海中醫藥大學等；隨著力反饋器械的研制成功和完善，外科醫生和醫學生可以通過數字解

5、剖模型軟件和力反饋器械隨時進行人體或手術部位的虛擬解剖和演練，而不受到倫理約束和標本匱缺的影響。3.2.5 用于臨床的個性化解剖模型的構建和數據融合數字解剖的最終目的是通過虛擬現實技術，建立用于臨床的解剖人體結構模型；臨床解剖人體結構模型的構建顯然不能采用構建數字化人體數據集的人體切削和圖像分割的方法，需要運用數據融合技術，將采集到的具有患者特性的醫學圖像與已有的數字模擬人融合，構建出患者的個性化模型；這項融合工作是有限標本數據與大規模統計數據的結合。3.2.6 數字化人體二次數據庫的構建和數據共享數字化人體數據庫可分成基本數據庫（原始數據庫）、二次數據庫（分割數據庫）和功能數據庫（賦值數據庫

6、）；基本數據庫的目的是按需對數據集進行分割并賦值以產生能夠直接使用的二次數據庫，如分割出人體骨骼；二次數據庫的目的是將數據用于各自不同用途的研究，如將人體骨骼用于構建關于人體骨骼的解剖學教學軟件，它將通過對數據的一級分割（按器官）、二級分割（按系統）、三級分割（按功能）、四級分割（按結構）而逐步完善，二次數據庫的構建和人體標準坐標系的建立是實現數字化人體應用的關鍵之處；在二次數據庫的基礎上，通過對數據的賦值建立起數字人功能數據庫，它是數據庫的最高形式，內容除數字人數據外，還包括人體生物力學、生理、組織工程等參數。4.1 傳統外科手術的局限性（一）主刀醫生根據患者病情及其經驗形成大致手術方案，在

7、實施中不斷修正至手術完成；手術方案依賴于醫生個人的臨床經驗與技能，參與的合作者只能以之前形成的默契配合手術，對手術方案則不甚理解；考慮到手術中可能會發生一些解剖結構改變或其他突發事件，使手術效果較易受到隨機因素干擾。4.1 傳統外科手術的局限性（二）在現實中，為追求手術的徹底性和理想效果，往往不惜以大創傷和生物學環境的破壞為代價，常常出現患者在實施手術后生命發生危險、其重要組織結構受到損傷失去功能或修復能力障礙不能恢復、并發感染甚至復發；醫生為了免責，以書面形式告知患者，要求患者確認并承擔術中或術后發生的種種風險，而患者往往不得不擔負幾乎所有風險，違愿簽字，違心治療。4.3 破除傳統外科手術局

8、限性的方向外科精準手術外科精準手術的大致步驟是：主刀醫生先將其構思的手術方案輸入計算機，結合采集到的術前醫學影像信息，經專家系統等處理后形成三維圖像，醫生隨后據此與患者和手術團隊成員進行交流，即可形成精細的術前決策；接著，可利用醫學影像數據和虛擬手術系統合理定量地制定個性化、精密的手術方案；這對選擇最佳手術入路、減小手術損傷、避免對鄰近組織的損害、提高病灶定位精度、執行復雜外科手術和提高手術成功率等等十分有益。4.4 外科精準手術的必備條件與術前準備要完美實施外科精準手術，除需要有能獲得數字醫學影像的相關設備、能進行虛擬現實人機交互的計算機系統外，還需配備術中導航與術中監護等設備，以便將今生今

9、世處理的三維模型與實際手術進行定位匹配；如果手術使用了其他數字影像手段（如內窺鏡、B超或床邊CT等），則需將實時觀測到的影像與術前的醫學影像進行匹配融合定位，引導術者進行手術；術者要在術前于虛擬手術系統中重復練習或模仿專家手術過程，設計、預演和修正手術的整個過程，以便事先發現術中的問題，避免人為失誤。5 外科精準手術應用實例為肝膽手術精確制導；為骨科手術保駕護航；為婦科手術厘清彼此；為無創手術提供保障。5.1 外科精準手術之為肝膽手術精確制導（一）南方醫科大學方馳華等臨床醫學專家、醫學影像學專家、解剖學專家和計算機專家組成的團隊開發完成了腹部醫學圖像三維可視化系統；系統可對患者肝膽胰等器官的斷

10、層CT個體化數據進行快速自動分割和三維重建為實施圖像，從前、后、左、右、上、下等任意角度對臟器、病灶進行觀察。5.1 外科精準手術之為肝膽手術精確制導（二）系統通過設置臟器的透明化來觀察患者病灶、腫瘤與內部動脈、靜脈、膽管等管道系統的詳細位置關系與周圍臟器的粘連程度；系統可對患者肝膽胰等器官的手術切除病灶或腫瘤，通過三維重建模型進行仿真手術；在系統提供的可視化虛擬環境下，術者可進行術前手術預設、手術可切性、術中指導手術等評估和論證。5.2 外科精準手術之為婦科手術厘清彼此（一）南方醫科大學陳春林等進行數字化女性骨盆的研究，并將相關技術應用于子宮頸癌、子宮肌瘤、子宮腺疾病、復雜盆腔包塊等疾病的診

11、斷、術前風險評估、手術效果預測等；還將相關技術應用于婦科相關病例的微創治療和其他婦產科疾病的介入治療等。5.3 外科精準手術之為無創手術提供保障（一）重慶醫科大學王智彪等致力于高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療系統的研究；HIFU的原理是，將低能量的超聲波聚焦于生物體內靶區，利用其在焦點處產生的高溫殺死靶區組織，從而達到無創“切除”腫瘤的目的。5.3 外科精準手術之為無創手術提供保障（二）目前，HIFU的焦點直徑已經達到微米級；采用數字醫學技術可直觀顯示腫瘤的形態、大小及其在體內的空間位置、與其他組織的關系及分布等，從而確定高強度

12、聚焦超聲焦點的能量、直徑和工作路徑，以盡可能地保全正常組織并縮短治療時間。6.1 醫用機器人的應用方向與國外研究進展醫用機器人是數字醫學不可或缺的組成部分，已在醫療外科手術規劃模擬、微創、精確定位操作、無損傷診斷與檢查、新型手術醫學治療方法等方面得到廣泛應用；醫用機器人主要分為手術機器人、護理機器人、康復機器人等；國際上，已獲得重大突破且產品化的有宙斯機器人手術系統、達芬奇手術系統、RoboDoc手術系統、阿凡達手術系統等。6.2 醫用機器人的國內研究動態2010年，中國工程院啟動了“高端醫療裝備發展戰略咨詢項目”研究；上海交通大學成立數字醫學教育部工程研究中心，戴尅戎院士已將機械臂用于臨床骨

13、科輔助手術，上海交大Med-X學院阮雪榆院士的康復機器人研究已成系列和規模；哈工大、北航、浙大、華科大、國防科大、華南理工大等院所已開發“妙手”、“神刀”、“助行”、“天使”等一系列手術、康復和護理機器人；南方醫科大學成立鐘世鎮院士工作站，專門研究單孔柔性手術機器人的前端。7 數字醫學的發展前景（一）數字醫學是醫學、生物力學、材料力學、計算機信息處理、數學、機械制造、自動化控制等交叉協作的一門新興學科；數字醫學通過運用現代醫學影像設備與影像技術（如X射線、CT、MRI、PET、內窺鏡、超聲和C臂的實時監測）、介入技術、導航技術和機器人技術，使得傳統的外科手術理念由“切開來看”（“Cut，than see”）轉變為“看完后再決定是否切” ”（“See，than cut or not”）7 數字醫學的發展前景（二）數字醫學不用暴露病灶，卻能管中窺豹，“看”清病變區，將高難度的手術普及化；數字醫學將推動現代醫學向個性化、精確化、微創化和遠程化發展，醫學科