韓文卿*林力*馬建華張艷柴崗

·述 評(píng)·

數(shù)字化整形外科

韓文卿*1林力*1馬建華2張艷1柴崗1

數(shù)字化醫(yī)學(xué)是一門將醫(yī)學(xué)影像處理、三維重建與可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人輔助技術(shù)等相關(guān)數(shù)字化技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)緊密連接起來的綜合科學(xué)，其臨床應(yīng)用日益廣泛。在整形外科領(lǐng)域，數(shù)字化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展及應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)數(shù)字化醫(yī)學(xué)的基本概念及其在整形外科中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜合評(píng)述。

數(shù)字化醫(yī)學(xué)；三維打印技術(shù)；三維掃描技術(shù)；整形外科

數(shù)字化醫(yī)學(xué)是一門將醫(yī)學(xué)影像處理、三維重建與可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人輔助技術(shù)等相關(guān)數(shù)字化技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)緊密連接起來的綜合科學(xué)，其臨床應(yīng)用日益廣泛。尤其在外科手術(shù)中，通過數(shù)字化技術(shù)可以將二維圖像或結(jié)構(gòu)光測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體圖形，通過人機(jī)交互的形式，在計(jì)算機(jī)程序控制下進(jìn)行指定組織和部位的建模、設(shè)計(jì)和執(zhí)行，從而精確地輔助、模擬、實(shí)行、評(píng)估手術(shù)治療。影像處理系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、配準(zhǔn)處理系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、機(jī)器輔助系統(tǒng)等已成為數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)的重要組成部分。目前，數(shù)字化整形外科是數(shù)字化醫(yī)學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，已取得了較多的研究和應(yīng)用成果，并展示出廣闊的應(yīng)用前景。

1 數(shù)字化導(dǎo)航技術(shù)

1873年，F(xiàn) Dittmar第1次使用立體定向手術(shù)從延髓組織中獲得樣本。1908年，V Horsley和RH Clarke發(fā)明了一種神經(jīng)外科的導(dǎo)航手術(shù)方法，即通過使用一個(gè)與框架相結(jié)合的立體定向?qū)Ш郊夹g(shù)定位顱內(nèi)結(jié)構(gòu)。1947年，EA Spiegel首次使用頭部框架進(jìn)行手術(shù)定位，并在人身上進(jìn)行了臨床試驗(yàn)。20世紀(jì)70年代后期，計(jì)算機(jī)體層攝影技術(shù)（computed tomography，CT）和三維影像技術(shù)的發(fā)展為計(jì)算機(jī)輔助外科奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1976年，M Bergstram等首先發(fā)明了將CT掃描坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換至立體定向頭架中的導(dǎo)航裝置。作為導(dǎo)航定位技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，立體框架的作用是為了牢固的固定患者的頭部，在手術(shù)期間，可以確?；颊呖臻g位置的相對(duì)固定，以利于后續(xù)的導(dǎo)航手術(shù)。而在框架外側(cè)，通過標(biāo)志物的標(biāo)定，所有與手術(shù)相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置都可以準(zhǔn)確地反映出來。從20世紀(jì)七八十年代開始，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，這是手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)階段。但這種方法必須在患者身上安裝固定臂，給患者造成了痛苦，且影響一定區(qū)域的外科手術(shù)執(zhí)行，另外，在操作上繁瑣費(fèi)時(shí)，精度有限。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)階段是使用無立體框架的導(dǎo)航系統(tǒng)。1987年，E Watanabe最早在神經(jīng)外科領(lǐng)域應(yīng)用該技術(shù)，其在手術(shù)之前便可以選擇性地通過CT或MRI將患者解剖學(xué)結(jié)構(gòu)標(biāo)記出來。導(dǎo)航儀器包括關(guān)節(jié)的機(jī)械臂與計(jì)算機(jī)相關(guān)工作站，探測(cè)器在手臂的關(guān)節(jié)測(cè)量角變形量，這使根據(jù)跟蹤傳感器來計(jì)算術(shù)中位置成為可能。目前，在臨床上應(yīng)用廣泛的便是此階段的導(dǎo)航系統(tǒng)。

隨后，1995年美國卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）研制了HipNav導(dǎo)航系統(tǒng)，采用CT圖像進(jìn)行術(shù)前三維規(guī)劃，引導(dǎo)全髖置換手術(shù)，為臨床診治拓寬了思路。近年來，三維影像顯示、新型手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、專科醫(yī)學(xué)智能機(jī)器人等新技術(shù)在國內(nèi)外外科領(lǐng)域開始廣泛的臨床應(yīng)用[1]?，F(xiàn)在的導(dǎo)航系統(tǒng)一般可以分為機(jī)械、電磁、超聲、光學(xué)等方式。技術(shù)上也實(shí)現(xiàn)了通過追蹤設(shè)備對(duì)事先預(yù)定好的參考點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航。值得一提的是，基于光學(xué)的系統(tǒng)主要用于術(shù)中導(dǎo)航，這是目前最為精確的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。2013年，Morrison等[2]利用三維術(shù)中導(dǎo)航輔助延遲重建復(fù)雜眶顴骨折，結(jié)合術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中導(dǎo)航規(guī)劃，使手術(shù)精確度提高、手術(shù)時(shí)間縮短。Cheng等[3]在頭頸重建領(lǐng)域中，借助三維導(dǎo)航系統(tǒng)建立三維鏡像模板對(duì)嚴(yán)重下頜骨缺損畸形的患者實(shí)施顯微外科手術(shù)，手術(shù)的準(zhǔn)確性得以提高。

2 三維打印在整形外科的應(yīng)用

三維打?。╰hree-dimensional printing）技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印技術(shù)的一種新興應(yīng)用技術(shù)。內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品生命周期的“快速成型技術(shù)”（rapid prototyping）和全生產(chǎn)周期的“快速制造”（rapid manufacturing）相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別及應(yīng)用。已商品化的三維打印機(jī)以光固化打印、選擇性激光燒結(jié)打印、熔融沉積打印、三維打印為主要工藝。三維打印技術(shù)可用于制造實(shí)體模型、指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計(jì)、打印制作組織工程、定向藥物輸送骨架等。因其能將復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)數(shù)字化，并精確地打印成實(shí)物,有望解決一系列工程學(xué)和構(gòu)建科學(xué)的問題,被譽(yù)為新的工業(yè)革命[4]。

1992年，NG Stroker等首次將該技術(shù)引入整形外科領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用于隆鼻、隆頦的假體個(gè)性化定制、顱骨缺損的個(gè)性化修復(fù)、下頜骨重建術(shù)及截骨手術(shù)等。利用三維打印技術(shù)快速精確地制造三維結(jié)構(gòu)完全仿真的生物模型，可用于臨床輔助診斷、復(fù)雜手術(shù)方案定制、個(gè)性化假體制作，也可用于醫(yī)用教學(xué)。Chrzan等[5]利用CT技術(shù)和三維打印技術(shù)為19例顱骨部分缺損患者制造出個(gè)性化假體，置入后效果良好。D′Urso等[6]驗(yàn)證了三維打印技術(shù)的精確性。Levine等[7]利用該技術(shù)制作術(shù)中引導(dǎo)裝置，可以在術(shù)中實(shí)時(shí)提示截骨線等，起到了指導(dǎo)手術(shù)的作用。利用三維打印技術(shù)對(duì)腓骨瓣準(zhǔn)確塑形和置入是恢復(fù)下頜骨自然弧度和牙種植術(shù)的基礎(chǔ)。三維打印技術(shù)也應(yīng)用于可控緩釋藥物，Rowe等[8]以乳糖為粉末、熒光素鈉為模型藥物，利用三維技術(shù)打印了緩釋藥物制劑。隨著材料學(xué)的發(fā)展，Saijo等[9]采用磷酸三鈣粉末等生物材料制備個(gè)性化假體，無需術(shù)中雕刻，直接置入人體。Boland等[10]將三維打印技術(shù)與生物材料學(xué)等多領(lǐng)域結(jié)合，成功打印出具有活性的微脈管系統(tǒng)?？梢姡锘钚源蛴【哂袕V闊的應(yīng)用前景。

3 數(shù)字化技術(shù)在皮瓣和顯微外科導(dǎo)航中的實(shí)際應(yīng)用

利用數(shù)字化虛擬技術(shù)對(duì)臨床常用皮瓣進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)與重建，并成功重建出背闊肌肌皮瓣、股前外側(cè)皮瓣、足背皮瓣、小腿外側(cè)皮瓣及其毗鄰結(jié)構(gòu)的三維可視模型，顯示清晰，實(shí)體感強(qiáng)，為顯微外科教學(xué)提供了新的理論和技術(shù)方法,并為數(shù)字虛擬教室的建立打下了基礎(chǔ)。

數(shù)字化技術(shù)非常適合于下頜骨重建患者的個(gè)性化手術(shù)方案制定，并可以進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)板的制作。下頜骨重建術(shù)是重要的術(shù)式，也是最早最成熟的術(shù)式。Ueda等[11]較早使用醫(yī)用機(jī)器人和計(jì)算機(jī)輔助外科技術(shù)進(jìn)行了下頜骨重建術(shù)，其利用計(jì)算機(jī)輔助三維固體模型與肩胛皮瓣進(jìn)行了7例重建術(shù)，除1例死于轉(zhuǎn)移性癌癥外，其余6例患者均達(dá)到了較好的功能與審美效果。Modabber等[12]將髂嵴骨皮瓣用于下頜骨重建術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)，得出在下頜骨重建術(shù)中腓骨游離皮瓣優(yōu)于髂嵴骨皮瓣的結(jié)論[13]。Berrone等[14]利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在術(shù)前制作了患者模型與手術(shù)模板，并進(jìn)行改造，對(duì)4例腫瘤患者進(jìn)行了修復(fù)手術(shù)。Wilde等[15]則在尸體上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，制作了導(dǎo)航鈦板。Kim等[16]為解決腓骨游離皮瓣行下頜骨重建后的移位問題，在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)下使用矢狀截骨術(shù)進(jìn)行下頜骨重建。Zinser等[17]對(duì)比了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)和傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的咬板的使用效果，結(jié)果顯示前者的精度明顯優(yōu)于后者。Matros等[18]對(duì)比了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造輔助皮瓣重建術(shù)與傳統(tǒng)皮瓣重建術(shù)在頭頸部腫瘤修復(fù)術(shù)中的應(yīng)用效果，前者在延遲時(shí)間、前下頜缺陷、試樣變形、創(chuàng)建三維截骨術(shù)和上頜骨重建上都更有優(yōu)勢(shì)。顱骨缺損重建是數(shù)字化醫(yī)學(xué)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造生物相容性自定形植入物最早的臨床應(yīng)用之一。最近，利用計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)進(jìn)行術(shù)前模擬，血管組織轉(zhuǎn)移至顱內(nèi)的區(qū)域規(guī)劃已成為可能[19]。Khechoyan等[20]通過術(shù)前模擬制作個(gè)性化模板，使顱縫早閉的患者也得到更精準(zhǔn)地重建。其結(jié)果表明，通過術(shù)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和置入物的設(shè)計(jì)，手術(shù)的可重復(fù)性和精度已超過傳統(tǒng)的、非基于數(shù)字化模板的外科手術(shù)。

4 三維掃描成像技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用

三維掃描具有三維測(cè)量、輪廓重建及圖像處理等功能，可以快速得到各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，并自動(dòng)生成三維數(shù)字點(diǎn)云圖像，可測(cè)量對(duì)象上兩個(gè)體表標(biāo)志點(diǎn)的曲面距離和截面直線距離，面積和體積等數(shù)據(jù)也可以通過后期計(jì)算獲得。根據(jù)獲取信息的方式可分為接觸式和非接觸式，非接觸式又可分為激光掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)、立體攝影測(cè)量技術(shù)、光柵投影技術(shù)和CT等。

三維掃描儀屬于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是以光學(xué)精密工程為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)測(cè)量研究。激光掃描的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，能準(zhǔn)確反映曲面形狀。三維掃描技術(shù)在整形外科的主要應(yīng)用包括獲取并建立區(qū)域人群形體外貌的標(biāo)準(zhǔn)化三維數(shù)據(jù)庫，輔助計(jì)算機(jī)軟件及逆向工程進(jìn)行三維模型的打印，為手術(shù)提供更加精確的指導(dǎo)；通過術(shù)后與術(shù)前的效果評(píng)價(jià)，并進(jìn)行長(zhǎng)期隨訪而獲取動(dòng)態(tài)三維數(shù)據(jù)資料，可為臨床工作提供更多的科學(xué)依據(jù)。

齊向東[21]采用三維激光全息掃描儀采集當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)人群的三維面部數(shù)據(jù)。Jayaratne等[22]利用立體三維攝影技術(shù)獲取了103例18～35歲中國人的三維照片。中國人面部三維數(shù)據(jù)庫的建立有助于幫助整形美容外科醫(yī)師為患者量身設(shè)計(jì)手術(shù)方案，滿足患者的心理需求，同時(shí)也增進(jìn)了醫(yī)師與患者之間的交流。在瘢痕評(píng)估中，便攜式三維掃描儀的應(yīng)用可以不受瘢痕局部解剖部位和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制,并有效地進(jìn)行定量分析。在口腔醫(yī)學(xué)中，牙模型三維掃描儀作為當(dāng)前主流數(shù)據(jù)采集裝置，其精度等指標(biāo)直接決定最終修復(fù)體的適合性。在乳房測(cè)量中，三維掃描與以往測(cè)量乳房的同類方法（超聲、CT、MR三維重建等）相比，可以在自然體位下獲取乳房形態(tài)數(shù)據(jù)，且其測(cè)量為非接觸性，不引起組織變形。劉春軍等[23]應(yīng)用精確的三維掃描技術(shù)對(duì)術(shù)后的乳房形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤,分析手術(shù)前后的參數(shù)變化,客觀評(píng)價(jià)術(shù)后效果,為精確的個(gè)性化術(shù)前設(shè)計(jì)提供科學(xué)的客觀證據(jù),提高了臨床手術(shù)效果的可控性和可預(yù)測(cè)性。Kunos等[24]討論乳房體積測(cè)量的方法，描述了基于磁共振成像數(shù)字測(cè)量方法的細(xì)節(jié)，認(rèn)為精確測(cè)量乳房體積有助于更好地手術(shù)規(guī)劃和選擇乳房假體。Henseler等[25]利用微軟的Kinect系統(tǒng)開發(fā)了一種新型的低成本的便攜式三維測(cè)量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)客觀地對(duì)乳房評(píng)估方法進(jìn)行了改進(jìn)。

5 大數(shù)據(jù)時(shí)代的整形外科

近十年來，隨著基礎(chǔ)研究積累的不斷進(jìn)步，在實(shí)時(shí)、無創(chuàng)檢測(cè)手段的推動(dòng)下，利用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云交換，由人群的隊(duì)列研究和個(gè)體基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組、環(huán)境數(shù)據(jù)、疾病數(shù)據(jù)組成了大量的生物學(xué)數(shù)據(jù)，利用生物信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的疾病分類和診斷。其中數(shù)字化醫(yī)學(xué)技術(shù)起到了十分重要的作用。在臨床運(yùn)用中，努力實(shí)現(xiàn)疾病診治方案的精準(zhǔn)化研究，做到分子分型、分子預(yù)后和個(gè)體醫(yī)療。我們現(xiàn)階段的任務(wù)是對(duì)高通量組學(xué)研究（基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組）海量數(shù)據(jù)和患者臨床信息的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)臨床采樣、樣本分析、患者臨床信息、診療方案等核心步驟的高效整合；開發(fā)數(shù)據(jù)庫快速檢索和智能化數(shù)據(jù)挖掘工具，還需配套的管理與安全維護(hù)工具，進(jìn)行多角度樣本對(duì)比與聚類，挖掘分子遺傳信息與患者臨床表現(xiàn)及檢測(cè)報(bào)告的相關(guān)性，通過各種交互式、可視化、圖形化操作界面，最終自動(dòng)生成個(gè)體化醫(yī)學(xué)診斷報(bào)告與治療方案，服務(wù)于醫(yī)師和患者。

6 結(jié)語

數(shù)字化醫(yī)學(xué)廣泛應(yīng)用于整形外科的各個(gè)方面，為患者進(jìn)行疾病診斷、醫(yī)患溝通、醫(yī)學(xué)教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬操作、優(yōu)化手術(shù)器械、預(yù)測(cè)評(píng)估手術(shù)效果等提供了一種新的方法，蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用前景。

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2016-12-01）

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.001.

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.001.

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81372097）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14441900800，14441900802）；上海交通大學(xué)“醫(yī)工交叉研究基金”（YG2014MS06）；上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高峰高原計(jì)劃研究型醫(yī)師（20161420）

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 整復(fù)外科，上海 200011；2.泰興市人民醫(yī)院 神經(jīng)外科，江蘇 泰興 225400

柴崗，Email:13918218178@163.com

*共同第一作者

本文引用格式：韓文卿,林力,馬建華,等.數(shù)字化整形外科[J].中國美容整形外科雜志,2017,28(1):1-4.