擁抱科學、不懈進步， 用數字化技術為患者帶來更好地康復

車翀

?【受訪專家】王黎明 南京醫科大學外科學教授，博、碩士生導師，骨科主任醫師，享受國務院政府特殊津貼。曾任南京醫科大學附屬南京第一醫院副院長、骨科主任，現為南京醫科大學數字醫學重點實驗室主任、南京市第一醫院骨科骨科主任導師兼骨科實驗室主任。是江蘇省“333工程”、南京市“213培養人才”。在關節疾病的診治方面具有豐富的臨床經驗，尤其是人工全髖、全膝關節置換治療骨性關節炎、股骨頭無菌性壞死、髖臼發育不良及先天性髖關節脫位等、人工肩、肘、腕關節置換術及關節鏡下手術，多發、復雜創傷的救治。

這是個數字化的時代。人類根本離不開數字──這個用來認識世界、解釋世界的偉大發明，使人類認為自己擺脫蒙昧的標志之一便是“結繩計數”，很可能是已知人類最早對數字的應用，用來弄清那個年代身邊最重要的事物——部落狩獵回的獵物。探索、發現、分析，人類對于數字的應用越來越嫻熟，永不停歇地用數字衡量已知，預測未知，自然中的那些神秘一件件地在人類面前揭開了面紗，我們已經可以用數字和公式去衡量最渺小的“須臾”，也在用數字詮釋宇宙間那些宏偉的結構和最極端的天體，我們用數字表述我們每天的收入、購買、囤積，也在用數字度量一個國家、民族甚至整個人類的生產和繁衍。當然，我們從未忘記用數字去分析我們的生命，在這個神奇的時代，得益于數字化、信息化的技術，醫學一直在向著精準、清晰的方向發展，也無怪乎王教授在面對我們時感慨：“醫學，總是在全面地擁抱數字化技術，一刻不停地努力進步。”

數字醫學，其實就是數字化技術與醫學的有機結合。“這并不是一個全新的概念，畢竟中華醫學會數字醫學分會的年會都已經開了8屆了。”當然，現在已經沒有醫院可以徹底脫離廣義的數字技術而存在，醫保結算系統，電子處方，醫院病房、后勤的管理系統，“所有醫院都在不同程度地數字化，這就是這個時代。數字醫學并不只是包括臨床治療，還有很多方方面面的內容，現在已經沒有哪個醫院能完全脫離數字技術而存在了。”

“而我們臨床醫生談的，涉及具體臨床治療的數字化應用，便是一種狹義的數字醫學，”即：利用數字化技術革新傳統治療方式，讓不可能變為可能，讓困難變為簡單，讓能做到的做得更好。王教授告訴我們，骨科學中的數字化應用是相對有特點而直觀的，“數字化與精準醫學其實在骨科中有著非常好的應用實例和前景。而在南京市第一醫院骨科，數字化與精準化的道路已經走了許多年。”

嚴于術前，3D技術助力打開人體的黑箱

一直以來，手術治療都是在與“黑箱”的斗爭中不斷摸索，這個黑箱便是我們的人體。在劃破皮膚、肌層之前，我們只能通過一些檢查手段間接地去考察體內的情況。比如骨折發生在體內，在很長的一段時間內我們只能通過手法觸摸去判斷骨折的情況，比如羅馬角斗士的醫生們，往往需要一雙能夠“摸出”骨折、甚至能手法復位的巧手。感謝威廉·康拉德·倫琴，X射線的發現讓人類具備了觀察骨骼的能力，我們能夠初步看清楚“黑箱”內的一些情況。X射線技術是從幾個角度去進行平面成型，醫生見到的是不同角度拍出的骨骼的平面圖，必須在腦中構建起患者體內立體的骨折的情況和形態，并和解剖圖譜進行比對，研究手術方案。在很多人印象中，骨骼圖就像骷髏架子一樣，但醫生打開人體組織后見到的卻是大量鮮紅并在滲血的肌肉包裹著骨骼。血管、神經、軟組織，醫生必須憑借豐富的經驗在骨骼影像檢查上根本不會出現的結構、組織中找到創傷部位進行治療。困難很大，風險很多，如果有一個技術能夠直接看到患者的骨骼立體圖，醫生勢必能更好地研究骨骼情況，設計手術方案，做到心中有數，打開人體后更加精準地解決問題。然而，這樣的方式仍然沒有跳脫出“腦補”的范疇。

我們人類在對自然的不斷認識中建立了科學研究的范式，觀察、分析、建立模型、實驗驗證，我們在這樣的過程中征服了一個又一個難題，也將世界改造成我們需要的樣子，但是，這個方式在人體上卻遇到了困難。建造橋梁需要先搭建等比模型，建造船舶也要建立模型研究浮力、適航性，而打開人體對一塊骨頭進行修補，卻無法現行做一個模型來研究，這是人類作為自然界最復雜、最精致造物的復雜性使然，更是因為人類并不存在一個“標準化、統一化的模板”，每個人的機體情況都有細微的差別，疾病的情況也千差萬別。有沒有可能能夠精準地識別發現每個患者的特性，仔細了解他們的病變特征？有沒有可能提前做出一些人體內病變部位的“模型”，讓醫生們能夠在體外模擬、練習手術？至少對于骨科來說，數字化3D技術提供了這種可能。

● 三維重建與3D打印

一個骨骼的畸形，我們以往只能通過非常抽象的辦法去認知，比如畸形的脊柱我們可以在體表摸到明顯的曲線、形狀變化，或是在X射線下看到一個個側面的成像，但是，真正直觀的樣子，在打開人體之前誰也沒見過。“畸形到什么程度呢？如果我們把患處打印出來，那就會非常清楚了。”以往手術，結構、畸形、損傷越復雜，手術的難度就越大，這主要是因為過于復雜的骨關節情況，在影像學檢查中有太多的重疊、遮掩，打開人體后見到的情況就可能與術前的考量相差甚遠。如果我們將患者體內的情況，通過多維的影像學技術呈現，在體外復原出來，那就能讓醫生直觀地看見患者體內的情況，甚至能構建1︰1的模型，術中可以直接放在手術臺上進行比對！

近十年時間，隨著CT技術與軟件算法的進步，我們已經具備了將一張又一張不同角度的平面圖像進行數字化處理，形成3D復原的立體圖像技術，這便是3D重建技術，也叫三維重建。這項技術的成熟讓我們第一次實現了在屏幕上看見體內的實際結構，將每個患者的病變情況直觀地立體呈現，這讓許多手術更加精準，也更加安全。

而3D打印技術的成熟使我們的醫生具備了另一種大幅度提高手術安全性、降低手術難度的能力——把患者體內的情況做成模型。骨骼是堅硬的，不像質地柔軟的臟器存在那么多變化，骨科手術的目標——骨骼本身具備直接通過模型比對的可能。將患者病變的骨骼用CT三維重建變成圖像，再根據圖像通過3D打印技術制作出1∶1的模型，醫生終于實現了打開人體的“黑箱”，第一次將患者真實的骨骼病變情況從體內搬到了體外，“醫生開始手術后，見到患者的骨骼終于不再是‘初次見面了。”

● 手術預演與方案設計

有了個性化的模型，手術演習就成為可能，“我們甚至可以在體外拿著模型模擬手術，用這個方式進行教學”。這在3D打印和數字醫學成熟之前是無法想象的。三維重建后用3D打印模型，這種技術能為骨折的診斷、分類、手術入路、固定方法的選擇提供充分、直觀的依據。它能模擬手術術前明確骨折復位方法及復位順序，設計、選擇內固定，術前預彎鋼板、預制螺釘方向模板、預先選擇螺釘種類及長度，提高固定的準確性，減少損傷及出血，縮短手術時間，并有效提高內固定力學性能，避免盲目置釘在薄弱位置達不到堅強固定。“我們在術前，鋼板需要多長，弧度是多少，需要多少螺絲釘，距離多長打釘子比較好，不光得提前計劃好，還要模擬手術，這樣準備就非常充分了。”王教授告訴我們，在術前可以拿著打印的患者自己的模型，向患者介紹患者的病情、手術準備怎么做、為什么要這么做，這樣可以讓患者感到更加放心。充分的了解，才能帶來充分的信任。

“在體外做一次甚至多次手術演習，實際手術的時候就能做到‘快、準、好，這對患者的意義是非常重大的。”王教授坦言，很多患者存在多重損傷、基礎疾病，不能夠經受很長時間的手術（麻醉風險、手術損傷等），在保證手術效果的情況下大幅度縮短時間，患者的安全能夠得到更好地保障，“將更多時間花在術前準備上，這也是對患者的負責”。

精于術中，數字化技術為手術提供實時指導

● 術中比對與導板路徑

除了將3D打印用于術前準備，3D打印出的設備更是可以直接被帶入術中，而有著穩定性質、良好親和性的3D打印模型，更是可以接受嚴格地消毒，直接用于手術臺上甚至是放入人體，輔助醫生的操作。

王教授介紹，在南京市第一醫院的骨科手術臺上，很多復雜手術都能在操作器械附近看到白色的3D打印骨骼模型，這便是被嚴格消毒后帶上臺的患者骨骼模型。手術時為了減少創傷，往往追求盡可能小的創口，這就使得醫生們不會大范圍切開患者的肢體，只暴露足夠的操作空間，必要時再擴大切口。切口中的所見并不一定是患者患處骨骼的全部展示，這時手邊有一個直觀的患者骨骼全尺寸模型用于隨時比對，手術的難度和風險都會降低。“同時，骨科手術對于對位、復位的準確要求很高，髖臼等部位復位稍有偏差直接意味著大概率的并發癥甚至手術失敗，現在我們可以將根據患者情況復位好的‘完美模型帶上臺，醫生可以直接看見理想中的復位狀態，手術也就能更好地實現目標，也就意味著患者更好的預后。”

為操作難度較大的部位設計一個量身定做的“輔助定位設備”也有著重要的意義。比如在進行脊柱手術時，脊柱的結構可能發生了不小的病變，使得定位標志和結構不再清晰直觀，或是畸形導致的結構改變，而脊柱周圍重要的血管、神經非常多，椎管內更是有著極為重要和脆弱的脊髓，如果在術中直接定位進行穿刺、打入鋼釘等操作，難度較大，風險也非常高，即使是最高明的醫生也無法保證永遠零失誤。“但是，三維重建和3D打印卻可以幫助我們將失誤的可能降到最低。我們可以先將患者的脊椎情況重建出來，然后先把模型做好，結合檢查確定好穿刺、打鋼釘的位置、深度，再設計一個嚴絲合縫的‘導板，導板上直接固定了穿刺、打鋼釘的路徑，術中直接將導板固定在患者相應的脊椎上，然后沿著路徑操作。然后再驗證一下操作的效果，往往都非常好。”王教授告訴我們，從理論上來說，甚至每個熟練的醫生都可以根據導板操作出一樣的效果，手術難度大大降低。難度的降低，意味著風險的降低，患者也更加安全。

▲ 在3D 打印模型上嘗試

▲ 實際術中導板輔助穿刺定位

彩色半透明圖像為虛擬圖像，在術中與患者實際部位重疊

● 透視眼與瞄準鏡：混合現實技術與數字化定位系統

另一種神奇的數字化技術——混合現實也開始在手術中發揮作用。混合現實技術其實離我們并不遙遠，在電子游戲中早已十分普及的VR技術，讓人可以在頭盔中沉浸體驗另一個世界，而以往的淘寶過年活動（掃五福等），都用到了增強現實技術。通過這樣的技術，醫生可以在雙眼看到正常的手術視野的同時，在此之上看到另一層虛擬的圖像，用于顯示患者的骨骼結構，甚至能呈現被手術器械遮擋住的患者生理病理結構，或是被醫生操作手遮擋的器械也會呈現在眼前，當涉及精細操作時，這就像是有了一雙“透視眼”，“患者的情況，手術中需要看到的那些結構，清晰、干凈地呈現在醫生眼前。”

在傳統的骨科手術中，骨科醫生的手術視野往往會被血液或軟組織所阻礙，手術是否順利高度依賴于醫生的經驗和技術。而將人體骨骼3D建模，以彩色三維可透明的立體結構展現，可以輔助臨床醫生解決目前所遇到的各種復雜病癥。“這也可以看做是將3D模型放在手術臺上隨時比對的更進一步，”王教授介紹道。MR混合現實技術服務是基于三維可視化技術之上的，能夠將3D重建后的全息影像與人體精準重合，從而提高手術精準度，增加年輕醫生的手術參與率，最重要的是降低手術風險。醫生不再完全依賴于想象力做手術，真正做到邊看邊做，心中有數。“隨著技術的進步，可能這一技術也將被用于遠程會診或是遙控手術，等等。”王教授說道。

很多時候，骨關節的病變造成患者活動受限，原本能夠支撐人體正常運動的力學結構發生了改變，而手術治療的目的便是將患者的肢體力學結構盡量復原，那么定位、對位的準確極為重要。如果患者因為某些問題，需要進行膝關節的置換，能不能保證膝關節置換后患者下肢力線的正常，是手術成功與否的要點。膝關節置換手術的要求是毫米級的，有文獻顯示置換后下肢力線如果出現了3°以上的偏差，可能會導致24%的早期（關節）松動，術后的并發癥、二次手術翻修給醫生和患者都帶來了極大的麻煩和痛苦，以及不可忽視的經濟壓力。而問題的難點在于，這3°偏差根本不可能用肉眼識別。如果用于定位的患者體表標志不明顯（患者超重、下肢肥胖等），或是存在其他遠端病變造成了結構改變，依靠眼睛和經驗去解決這個問題極為困難。

相對早期的膝關節手術中定位一度依賴特制的尺規或是模具，后來的技術進步讓醫生可以對著電腦屏幕，通過一些傳感器、采集設備依據定位點、形態或是非圖像信息，通過電腦圖像輔助定位，“這種計算機導航手術技術在很多醫院中已經在應用了。”

在很多時候，先進的數字化往往意味著高昂的成本，這樣的計算機導航系統可能需要數百萬的價格，而更加先進復雜的手術機器人（達芬奇機器人等）更是動輒上千萬，這是很多醫院都難以承受的，大量患者最終無法得到惠及。

王教授一再向我們強調，數字醫學并不是一味地增加成本、追求“黑科技”，讓醫生和患者共同去承擔極其高昂的代價。有時候，數字化技術也能夠為臨床難題帶來“更好、更實惠”的解決方案，iASSIST技術就是其中一種。

iASSIST系統就一個特制的iPad（平板電腦）和數個藍色的感應塊，每個感應模塊融合了加速器、陀螺儀和溫度傳感技術，跟微型計算機工作站一樣，可通過安全的無線局域網（Wi-Fi）交換信息。手術中，在做好定位以后，將這些感應塊以一定的角度安裝在需要定位角度的骨骼或是置換的膝關節上，獲取必要的數據后，計算機軟件處理信息并通過無線局域網（Wi-Fi）把定位角度直接顯示在術中視野的電子模塊上，引導術者在冠狀面和矢狀面上以適當的角度進行切除。

▲ 術中接入的iASSIST 數據

這個系統最大的優點就是操作簡單，相比于動輒數百萬的計算機導航系統，上千萬的智能手術機器人系統，iASSIST技術應用的門檻更低，可以在更多的醫院進行推廣，而一旦熟練使用，大部分醫生都能夠更好地完成膝關節置換手術。“我們實際手術中的感覺，iASSIST技術效果很好，能夠很便捷地達到我們的需求，也能很好地縮短手術時間。”這個技術的有效性也經過了研究驗證，論文數據顯示其與計算機導航的手術相比，兩者在臨床效果上無差異，但iASSIST技術手術的時間更短。

勤于術外，數字化骨科將為患者帶來福音

在微觀的層面，醫生眼中會見到一個個嶄新的技術，讓手術與其他治療變得簡單方便，患者會感到治療更安全、康復更快速、并發癥更少，而數字化技術可能會在很多手術以外的地方以一種潛移默化卻又無法抗拒的方式讓醫學的面貌發生變化。

“沒有三維重建與3D打印之前，傳統的手術醫生學習就是師父帶徒弟，從小手術一點一點跟，直到技術進步經驗積累到可以獨立上臺，然后再用很多年時間一點一滴積累手上功夫，而現在情況不一樣了。”王教授的團隊中，中青年醫生的學習中模擬手術的分量正在提高，以往必須到手術室跟臺才能完成的學習，“現在可以直接拿著模型討論學習手術方案設計，然后直接在模型上面動手做手術，這可以認識疾病，也可以學習手術。”這樣的培養模式能夠讓中青年醫生更快地積累經驗是不爭的事實。“我們的醫生只要能夠掌握這樣的技術，付出比以往更少的學習成本，就能做到很好的手術效果，哪怕是復雜手術，也可以很好地完成。”王教授說道。每年中國大約進行90萬例的膝關節置換手術，而能夠熟練進行膝關節置換手術的患者，也許只有數萬名，如果數字化技術能夠讓更多醫院的醫生用更少的時間得到更好的手術技術、效果，那直接意味著更多有需要的患者解除了病痛。

進步的趨勢源于人類靈魂中的探索，以及永不會消弭的需求，永遠不會在某一刻自發終止。現在已經能用3D打印技術制作“量身定做”的模具，也能夠直接打印出金屬的植入物，做出最合適患者本身的人工關節或是代替骨。當前3D打印機分辨率是微米水平，而骨骼的超微結構是納米水平，未來可能隨著打印精度的進步，會制作出更加合適甚至具備一定生理功能的骨骼、關節，這會大大改善患者的預后。手術本身可以在更先進、更普適的定位系統的輔助下越做越好，如果有一日手術機器人的精細度、智能程度再上一個臺階，而價格不再成為推廣的阻礙，勢必也能更好地解決目前的困難。

“未來的骨科發展將趨向個性化、精確化、可替代化。利用3D打印、數字醫學等技術，可以實現、領跑未來骨科的發展。這也能給我國的醫學事業發展帶來巨大的助力。”改變的手術方式，改變的教學培養模式，正在被改變的醫學未來，面對技術的人卻總有一些無法改變、無法割舍的：“無論技術怎么發展，我們永遠是希望解決臨床的困難，一切的核心就是解除患者的病痛，更好、更快、更安全，還要更便宜，讓更多患者受益。”所以醫生總是在刻苦學習，總是在追求進步，從不抵觸任何一個能治好病的新技術，“只有這樣，才可能讓更多的患者不再被冠上‘患者之名。”想必，這也是每一個醫者的所愿。

（編輯? ? 王崠、王幸）