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数字化人体:从“传统解剖”到“3D打印”

《微关注》第二十五期:数字化人体:从“传统解剖”到“3D打印”

文:李燕燕  胡红升   

 

2016年2月23日,60多岁的手术患者殷道荣回到第三军医大学西南医院医院复查,结果显示身体恢复良好。这正是第三军医大学生物工程学院数字医学研究所与西南医院心胸外科合作,借助3D数字化导航、3D打印技术和3D辅助设计,完成的一例胸腔巨大肿瘤切除加胸壁重建手术。

据悉,患者的左侧胸腔内有一个巨大的肿瘤,初步显示为低度恶性肿瘤,且肿瘤已经严重压迫肺叶,大肆侵犯胸壁,侵蚀左胸5—10肋骨、肋软骨和肋间内外肌,而且肿瘤与肺动静脉关系较为复杂。不仅肿瘤切除有一定难度,巨大肿瘤切除后胸壁将出现严重的骨缺损,影响患者术后的呼吸功能,且患者心肺难以得到较好的胸壁保护。

数字医学研究所将患者的CT数据导入专业医学图像处理系统,对患者肺血管、肋骨、肋软骨、胸骨、肺和胸腔巨大肿瘤进行了数据半自动分割和三维重建,在计算机上进行了巨大肿瘤切除术手术方案的设计,并根据对侧胸骨的性状和肿瘤侵蚀范围,设计出突出胸壁的肿瘤和拟重建胸壁的3D模型,将打印出的3D模型进行了手术预演,并以3D设计打印的胸壁为模子,制作出了三维的弧形适形钛板。在“数字医学”的协助下,手术进行得非常顺利,3D打印辅助制作的三维弧形钛板与缺损胸壁断端完全吻合。

“钛板通常是平面的,难与胸壁弧形相贴合,随着患者呼吸运动,常规钛板容易出现移位等情况,治疗效果有限。而3D打印则相当于对患者所需手术材料的一种私人定制,打印物的大小、尺寸完全可以自行设计。3D打印技术将成为未来精准医疗的重要手段。”数字医学研究所吴毅副教授介绍。

数字医学,一个来自于传统学科“解剖”的新型研究方向,用计算机数字化的手段来解决诊断和治疗的种种问题。它的发展,生动诠释了医学“3D打印”的前世今生。

 

可视化人体数据集——让“解剖”活起来

时间倒退到本世纪初。山城重庆的酷暑,户外近40摄氏度,实验室却是零下25摄氏度的酷暑。第三军医大学数字医学研究所所长、我国数字医学学科开拓者张绍祥教授,带着团队成员,大衣、毛帽、厚手套全副武装,正在紧张地进行人体冰冻切片。

这可不是普通的“切片”,他们把整个人体上千的切片图像输入计算机,经过一系列复杂的处理,获取数字化人体包括大脑、心脏、肝脏的全身数据集。

这是当时世界上继美国、韩国之后的第三例可视化人体数据集,无论在切片层厚和图像分辨率上都优于前述。由于美国数字化人体切片是在常温下进行,人体标本会因“解冻”出现较大的误差。因此,张绍祥教授坚持在零下25度的极寒条件下开展切片,最大可能减小误差。人在“极寒”实验室连续工作不能超过2个小时,而室内外温差最高可以达到60摄氏度。研究人员往往在外面抽上一根烟,休息一会儿,又返回实验室,工作到凌晨。

解剖是一门古老的学科,数字化的引入让它重新焕发活力。从2001年起的15年,在实验平台的建设中,研究所已具备高精度断层切片机、低温冰冻实验室、高精度数控铣床、精细薄层断面标本锯切实验室、Detrobeam人机交互虚拟手术展示平台、图像图形工作站等,在数字化解剖、数字人辅助影像诊断、数字化医学教学、医学图像处理包括图像融合、配准、分割方面取得了较大发展。从2001年至今,研究所已获取了8例可视化人体数据集,并构建了男性、女性全身脏器的分割数据集和三维重建模型,完成了人体局部复杂、抽象器官的断层解剖学与三维可视化研究,发表了37篇高质量论文,在数字化可视人体研究的基础上相继开展了数字解剖学、数字化医学图像处理、数字化诊疗方面和数字化医院管理系统的研究,并在数字化解剖教学、临床辅助诊断与治疗方面取得了多项研究成果,开创了我国数字医学研究领域。

“3D打印很‘时髦’,但它的根基在数字医学,没有精确的数字化设计,就没有‘漂亮’的3D打印。也可以说,从2001年起,我们勇敢跟踪前沿,预见了精准医学、个性医学时代的到来。”研究所博士方彬吉说。

 

三维可视化——全新认识人体结构

随着薄层、高精度数字化人体图像和三维可视化模型的广泛应用,传统解剖中“肉眼”所不理解的微小隐蔽结构也不断被发现。

例如,在原来的解剖认知中,公认肛提肌分为三个部分,主要运动路径是“向上”,肌纤维与阴道或前列腺相连,而通过数字解剖学研究发现肛提肌分为四个部分,运动路径实际是“向前移动”,而且肛提肌纤维与阴道或前列腺不相连。传统的解剖学认为胸部与腹部并无多少交流,而通过数字解剖学却发现胸部与腹部之间实际上有10个“异常通道”,这就解释了为什么胰腺炎患者的腹腔积液可以进入胸腔。《PLOS one》、《Journal of anatomy》等解剖类顶级杂志刊登了数字医学研究所的一系列重大发现。

“目前,我们与临床的结合,主要体现在两个方面:一个方面是数字化诊断,比如巨大肝癌与周围血管的毗邻关系、盆腔脏器脱垂的盆底结构损伤分析;另一个方面是数字化治疗,它主要包括术前预演、手术导航和3D定制,主要为3D重建和3D打印技术的应用。”研究所计算机工程师李颖说。

据悉,研究所和国家工业与信息化部联合开发了一套基于中国数字化人体的男性与女性全身辐射剂量吸收计算模型,能通过计算机模拟计算人体各脏器所能吸收的辐射剂量。

对于医院的行为,老人的子女都非常感动,老人的的儿媳妇陈家潘说,医院的大夫和护士为母亲过生日的举动,体现了医院对老人的尊重,也体现了尊老敬老的精神,一定要对医院表示感谢。

 

虚拟解剖,悄然改变医学生的课堂

第三军医大学西南医院超声诊断科,科室主任郭燕丽正教实习生用数字医学图像与超声影像进行比对学习。在第三军医大学,解剖的实验室,也由人体标本解剖教室延伸到数字解剖教室,在那里,医学生正熟练应用数字研究所研发的“虚拟解剖教学平台”,在电脑上对“三维人体”开展各种手术操作,作为实践教学的重要补充,不用受到标本稀缺、动手机会少的制约。

为了进一步增进学术交流,数字医学研究所主办了《数字医学》杂志,作为世界上第一本数字医学英文期刊,在国际上进入检索序列。

 

结束语

解剖是一门古老的学科,数字化的引入让它重新焕发活力。

(完)

 

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