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人工智能和3D打印如何帮助患者?
2017-03-30 21:42:08  作者:佚名  来源:互联网
  • 每个人都拥有独一无二的身体,每个人发病的原因同中有异。我们每一个人都渴望 “精准医学”,通过诊断精确找到病在何处、如何发生、如何治疗。医学的历史就是不断走向精准:100年前,是听诊器、三大常规手术刀、 ...

每个人都拥有独一无二的身体,每个人发病的原因同中有异。我们每一个人都渴望 “精准医学”,通过诊断精确找到病在何处、如何发生、如何治疗。医学的历史就是不断走向精准:100年前,是听诊器、三大常规手术刀、止血钳;80年前,有了可见肺部和关节变化的X光;40年前,演进到CT;如今,则有核磁彩超、机器人、PET-CT、微创、手术导航、远程医疗等。数字医学带来的精准治疗无疑将成为新的生长点。

当我们拥有了数字化人体,国内数字医疗影像市场的中高端份额目前多被跨国企业所垄断,随着青岛数字医学在山东的崛起和推广,我们拥有了走向世界的发端。那么?青岛数字医学和3D打印领域,医生是如何运用人工智能,为患者诊断和治疗的呢?3月15日,首届青岛大学附属医院数字医学与临床3D打印学术研讨会召开,在青岛大学附属医院副院长董蒨,青岛大学附属医院院长助理、科研管理部主任牛海涛,青岛大学附属医院院长助理、医务部主任李环廷等专家主持下,首次系统生动地阐述了数字医学在青岛乃至山东的应用。

数字医学绘制精准“军用地图”

卢云——青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院副院长山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室副主任青岛大学附属医院普外科副主任

青岛大学附属医院与海信医疗联合研制的海信虚拟内窥镜显示系统(HisenseENDO)是结合CT影像数据,通过对胃肠道肿瘤进行虚拟内镜系统三维数字模拟成像,实现对胃肠道肿瘤发生部位进行早期精准“定位”,同时通过大量数据分析智能比较良恶性肿瘤CT图像特征间的差别,帮助临床医生对肿瘤进行更为客观的定性乃至定量分析,来实现肿瘤的自动检测及良恶性判别,实现胃肠道肿瘤良恶性自动识别,并对肿瘤实现无创性的“定性”诊断,已取得了良好的临床效果。卢云教授已收到国际“第十二届世界胃癌年会 ” (the 12th InternationalGastric CancerCongress, IGCC)的正式邀请,将在今年四月份举行的世界胃癌大会上就该项研究做主题发言。

同时卢云教授带领的科研团队通过应用海信CAS系统对胃肠道肿瘤的相应HENLE血管进行可视化三维重建模拟,可以在手术前精准判断肿瘤周围血管走行及变异,并依据周围血管的精细三维重建结果决定胃癌根治术、右半结肠癌根治术等手术的手术方式及清扫范围,这好像在手术之前给主刀医生绘制了一幅精准的“军用地图”,在保证安全切除的基础上,尽可能保留正常组织,减少术中创伤,以期达到精准手术,真正实现“微创”治疗,有效加快患者术后康复。目前他们团队对胃肠道肿瘤HENLE干的细致分型,已被国际著名医学杂志收录并应用。

人工智能实现精准手术

陈永健——海信医疗研发部副部长、医学影像所所长青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院副院长

现在去医院看病,如果病情稍微复杂点,医生都会让去拍个片。这些片子就是患者个体的身体截图,很抽象。一般影像科医生在学校里培训五年,还要在医院影像科培训多年才具有独立诊断能力。而且临床医生现在也要求能够看懂这些片子。这就带来一个问题,大家都愿意去有名的医院找有名的医生,但好医生的资源毕竟是有限的,而依靠深度学习、大数据分析的人工智能技术却能够完美地解决这些问题。

一个肝胆肿瘤要确定手术方案,医生需要清楚地知道肿瘤的边界,与血管是压迫、侵犯,还是仅仅只是挨着,这些都将导致不同的手术方案。人工智能系统,根据大数据分析的结果从这些抽象的影像中来提取出肿瘤的具体边界在哪儿、肿瘤的体积,以及肝脏的体积、肝脏的边界、周边的血管如静脉、门脉、动脉走形,还有胆道等各个方面跟肿瘤的关系,就像黑匣子一样的东西变成完全透明化地展示在了医生面前。它自动计算出来的残肝体积和占肝的百分比都是相符的,符合手术要求,而这些指标对是否能做手术,手术后是否有严重的并发症,都是非常相关的重要参数。

这就是青大附院与海信医疗合作研发的CAS计算机辅助系统。所谓的精准外科手术,就是通过基于人工智能的计算机辅助手术技术,辅助医生规划最优的手术路径,实现对病人最小的创伤,最大程度加速病患的康复。

数字化影像时代到来

徐文坚——青岛大学附属医院放射科主任山东省医学会数字医学分会副主委

现在的医学检查,主要是在细胞病变或癌变之后,而细胞癌变之前的医学诊断,需要更加数字化的精准检查和诊断。这也是徐文坚对数字化医学影像时代的期盼。

伦琴发现X线为放射学的发展奠定了基础,在其后的100余年中,随着各种新型成像技术不断出现及改进,放射学由单纯的X线成像发展到包括CT、MRI、超声、核医学、计算机放射成像(CR)、数字放射成像(DR)等各种数字化成像技术的现代影像学阶段。成像技术的改进,同时也引起了包括思维模式、工作流程、管理方式等一系列改变与挑战,20世纪70年代初期CT的问世,成为传统放射学步入现代影像学时代的革命性标志,在其后的时期里逐渐出现了各种各样的成像技术,但根本进展为影像医学的数字化,后者使得医学影像学进入了迅猛发展的时期。

徐文坚说,医学影像学的发展进步大大提高了医生的诊断水平,而根据影像进行初步诊断直接影响手术方案设计、关乎预后。而目前常用的不同成像数据只能反应不同层次的信息,不同影像学检查各有优缺点,单一模态成像精确诊断困难。以分子化影像学等为代表的数字化影像医学则是影像学的未来,将能做到早期精准检出、定位、定性、分期、分级,可将现有信息进行再挖掘,实现高度敏感、特异、准确的影像,助推精准医学时代到来。

筷子从鼻插进脑数字医学救幼童

姜彦——青大附院耳鼻咽喉头颈外科主任

2月19日晚,莱西一两岁男童在吃饭玩闹时不慎摔倒,手中的两根筷子插入鼻腔,一根从鼻腔刺入眼窝,另一个刺入颅内,被送往青大附院。青大附院耳鼻喉科主任姜彦连夜接诊,发现右侧的筷子顶端靠近颅脑的前额叶和血管,左侧筷子离眼球有两到三毫米的距离,微创取筷子一旦刺破血管将万分凶险。

此时,三维重建影像和3D打印派上了用场,医院最新引进了半岛地区第一台电磁导航先进设备,刚刚投入使用,与颅脑三维重建技术相配合,在手术中可以精准定位筷子的位置,为这次医生能顺利完成手术立了大功。首先利用三维重建影像立体显示筷子插入大脑中的位置,小到一根血管与筷子位置的分布都清清楚楚,随后使用3D打印技术打印的患者头部模式,让医生更加清晰地观察手术部位,并按照显示导航,顺利取出了两根筷子。随后医生清除了碎骨片,使用人工组织和鼻腔粘膜瓣给患者修补了颅底缺损的骨质,孩子最终脱离危险。

在姜彦看来,数字三维重建给颅底外科带来重大突破,可以帮助初学者克服二维瓶颈、构建三维立体空间构像;医生术前分层次模拟,多角度观察,便于手术方案设计和与患者交流;缩短内镜下颅底手术训练曲线;3D打印技术还将实现颅底重建。

没了肋骨,3D打印能重建

矫文捷——青岛大学附属医院胸外科主任博士生导师

“3D打印技术将传统医疗带入了个性化、精准化、微创化、快速化的时代。 ”矫文捷说。

2016年4月,唐都医院胸外科成功开展首例 3D打印钛合金肋骨假体植入胸壁重建术。患者入院后检查确诊为右肺上叶鳞癌侵犯局部胸壁,传统手术方法要切除肺肿瘤组织、被侵犯的肋骨等,术后胸壁缺损过大会造成胸廓塌陷、反常呼吸等并发症。如何量身定做肋骨假体并重建胸壁是亟需解决的问题。后来,医院使用3D打印钛合金肋骨假体进行了胸壁重建。术前首先根据患者三维CT重建数据及肿瘤的位置,确定手术切除的范围,并且以树脂材料打印出胸廓模型及肋骨假体,进行了手术模拟,确认可行后打印出钛合金肋骨假体,在详细制定了精确、有针对性的手术方案后, 2016年4月成功进行了手术,由于术前已进行了3D打印树脂模型的手术模拟,手术方案量身定制,手术过程中出血量仅50毫升。

目前,青大附院胸外科3D打印实践也收获颇丰,在胸腔镜右肺上叶双袖式切除术、达芬奇机器人右肺上叶袖式切除术、达芬奇机器人左全肺切除及隆凸成型术中都已应用。自2015年1月,矫文捷团队完成国内首例经典式机器人单袖式肺叶切除手术,至今在气管支气管重建领域积累了较为丰富的经验,2016年3月再次成功完成一例高难度的达芬奇机器人双袖式肺癌根治术。手术团队给予机器人左肺上叶支气管肺动脉双袖式切除术,在最大限度根治肿瘤的同时,成功保全左肺下叶,术后第六天患者顺利康复出院。据悉,这是继上海市胸科医院之后的全国/世界第二例机器人双袖式肺癌根治术。

脊柱手术,刀尖上跳舞

马学晓——青岛大学附属医院脊柱外科主任山东省创伤骨科研究所所长

脊柱牵连着骨髓,手术稍有偏差,就可能导致患者出现偏瘫等重大危险。因此,每一次脊柱外科手术,医生都要反复研究和模拟手术过程,CAS计算机辅助系统和3D打印的应用,为脊柱外科手术提供有力的武器。马学晓曾应用该技术为一位脊柱骨折患者成功进行手术。该患者车祸伤后胸背部疼痛5天,查体时脊柱前屈后伸活动受限,受损严重。手术稍有不慎就可能导致高位截瘫,因此对手术精准度要求非常高,很多医院不建议手术,但马学晓不能容忍一个畸形的脊柱留在患者的体内。为了360度全方位观察脊柱受损情况,医生建立了患者的3D打印模型,“手术时将模型往旁边一摆,我们心里就更清楚了。 ”马学晓说,参考打印的脊柱模型,最后手术十分成功。

22岁的患者脊柱锥体及锥旁发现巨大肿物,急需完成胸腰椎巨大肿瘤切除,而传统二维图像影像学资料可提供的信息非常有限。为了全方位立体观察肿瘤与锥体之间的关系,进行手术规划,医护人员利用CAS计算机辅助手术系统对患者脊柱进行了三维重建和术前手术模拟,医生得以准确把握患者病况,顺利完成手术。马学晓说,脊柱解剖结构更为复杂、个体差异大且毗邻重要组织、器官,关系错综复杂。手术操作精准化、个体化要求程度高,因此3D打印和计算机辅助手术系统对推动脊柱外科新技术的发展意义重大。在展望技术发展进步时,马学晓认为3D模型打印将推动骨科手术机器人的应用,进一步提高手术精度。另外,导板打印、体内植入物打印、可吸收材料打印等打印新技术的应用也越来越广泛。

下巴不好看?数字医疗帮你变美

袁荣涛——青岛大学附属医院口腔颌面外科副主任

一名下颌骨发育不完全的女青年,嘴部看起来像“鸟嘴”,非常苦恼。青大附院使用数字医疗技术和3D打印技术,为患者实施口腔颌面手术,让患者变漂亮了。袁荣涛说,这就是数字医学带来的变革。数字三维重建联合3D打印能全方位、直观、精确地显示颌面骨的三维解剖结构以及与病灶的空间关系,清晰显示下牙槽神经、上颌窦底等重要解剖结构,因此在口腔颌面外科中的应用十分广泛。以目前较为广泛的种植牙技术应用为例,数字三维重建可清晰显示患者的下牙槽神经,这样可以有效避免手术过程中种植体破坏该神经导致的下唇麻痹,能做到精准手术。另外,3D技术还可应用于下颌骨钛板打印、上颌骨钛网打印、种植体打印。

数字三维重建联合3D打印在手术实践中也有诸多应用。另一名女患者左侧下颌骨成釉细胞瘤在该技术指导下成功被切除。手术过程中,病人发病部位部分被切除,需要将自体腓骨移植到下颌缺损部位。借助打印的下颌骨模型,医生成功进行了双层腓骨修复下颌骨缺损手术。袁荣涛说,数字三维重建联合3D打印在口腔颌面外科中的应用将愈加广泛。如修复科可用于义齿打印,正畸科可用于个性化托槽及无托槽隐形矫治技术。 “以后还有4D打印、5D打印。 ”他介绍,4D打印比3D打印多了一个时间纬度,通过软件设定模型和时间,变形材料在设定的时间内变形为所需的形状。最关键是记忆合金,5D打印则是将产生生物的材料作为打印材料,比如基因打印,可以长出人体的器官,不但会变形,还会变功能。

微血管超微结构预测疾病

于綦悦——青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院博士

痛风、高血压、糖尿病、外周血管病变…社会老龄化带来各类疾病的急剧增加,致病因素导致微血管超微结构发生病变。那么,能否研发一种测量微血管三维超微结构的设备来进行疾病早期预测?

青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院博士于綦悦介绍了目前微血管三维超微结构测量系统的研发情况。他们致力于研发无创动态微血管三维超微结构测量设备,研究微血管超微结构与疾病的关系,并建立人类微血管超微结构与疾病的大数据库。通过无创便捷地预测疾病、治疗监测、临床评估等,促进数字医疗产业的发展。微血管三维超微结构测量设备未来将广泛应用于疾病早期预测、病情严重程度分析、诊疗过程检测、医学美容领域等。

3D打印精度可达0.05毫米

夏楠——青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院博士

医学三维重建及3D打印优势有三个。第一是更为直观,与传统二维医学影像相比,三维图像可以更直观地展示各组织器官、血管与病变组织之间的空间位置关系,让医生和患者对病情一目了然。第二是更精准,医生可以根据患者的三维图像或者三维打印模型,设计个性化的手术方案、手术导板或者设计特定的手术器具、植入体等。第三是更高效,利用3D打印模型进行术前准备以及手术导板制作可以节省手术时长,降低手术风险。

海信CAS医学影像三维重建软件可进行肝脏、肾脏等组织器官,以及周边动、静脉血管三维重建,肿瘤、异物等病变区域与正常组织分离重建,骨折、骨缺损等骨骼三维重建,也可结合Maya、Autodesk等三维建模软件设计导板、支架等个性化手术辅助器械。

目前3D打印技术有两种成型技术,一个是熔融沉积成型(FDM)3D打印技术,成型实物强度更高,可以彩色成型,材料成本较低。另一种是立体光刻造型技术,该技术精度更高,可以表现准确的表面和平滑的效果,精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米。目前,青岛大学附属医院临床3D打印中心配备的打印机最高达2.7米,可以打印大型人体器官,用于手术辅助治疗。而最精细的打印机则可以将打印精度精确到血管。



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