数字医学与数字电子技术基础课件

1、数字医学与数字电子（Digital Medicine & Digital Electronics）数字医学概述及其与数字电子的关系1 何为数字医学？源于美国威斯康星大学斯莱克（W.V.Slack）所著Cybermedicine:how computing empowers doctors and patients for better health care（计算机如何帮助医生和病人提高医疗质量）一书；前缀Cyber，表示经由计算机技术、信息处理技术或互联网技术调控的事物，赛博医学（Cybermedicine）就是将计算机技术、信息处理技术或互联网技术广泛应用于医疗领域的数字医学。2 数字医学

2、的定义2003年，钟世镇院士所编数字人与数字解剖学中称“数字人和数字解剖学是数字医学的基础，将为现代医学研究提供新的方法和手段”；2008年，戴尅戎院士给出“数字医学是应用数字化技术，解释医学现象、解决医学问题、探讨医学机理、提高生命质量的一门科学”的定义，获得国内众多院士的赞同。3 数字化人体研究数字医学应用的基础数字化人体研究已从最初单纯的人体数据集的构建逐步向数字解剖学及其实际应用方向发展；研究重点大致集中在特殊人体组织如神经、淋巴与微小器官信息的获取，图像分割和重建技术，网格计算存储与数据同步共享，医学及其相关领域的应用等。3.1 国内的相关研究机构复旦大学数字医学研究中心；上海交通大

3、学数字医学研究院；第三军医大学数字医学研究所；浙江大学数字医疗工程研究中心；南方医科大学数字人和数字医学研究所；众多的研究目的已将数字医学的应用范围扩展到数字医院、数字医学工程、数字医疗技术、数字化基础医学研究等各个方面。3.2.1 人体特殊组织信息的获取和数字化微观人体数据集的构建人体特殊组织如血管、神经和淋巴等的信息标识和分割是数字化人体数据集构建的难点，国内采用人体管道灌注技术，已基本完成血管的标识，最小直径为0.02毫米，但神经和淋巴等的信息标识任未解决；数字化人体数据集的构建分为宏观建模和微观建模两部分，前者侧重于形态结构，后者侧重于生理功能，可分为局部器官建模、显微建模等。3.2.

4、2 数字化微观人体数据集构建的研究进展南方医科大学采用肝脏数据集进行了肝脏肿瘤的术式和治疗研究；厦门大学采用显微建模技术构建了数字眼球数据集，并开发了基于数字化眼球技术的裂隙灯等应用医疗检测设备；中国医科大学采用显微建模技术构建了小鼠的肾小管，并对其进行了相应的生理研究。3.2.4 国内采用中国数字人数据集构建解剖模型的高等院校香港中文大学、香港理工大学、北京大学、清华大学、复旦大学、浙江大学、上海交通大学、中科技大学、东南大学、中国科技大学、第三军医大学、首都医科大学、厦门大学、南方医科大学、同济大学、深圳大学、上海中医药大学等；随着力反馈器械的研制成功和完善，外科医生和医学生可以通过数字解

5、剖模型软件和力反馈器械随时进行人体或手术部位的虚拟解剖和演练，而不受到伦理约束和标本匮缺的影响。3.2.5 用于临床的个性化解剖模型的构建和数据融合数字解剖的最终目的是通过虚拟现实技术，建立用于临床的解剖人体结构模型；临床解剖人体结构模型的构建显然不能采用构建数字化人体数据集的人体切削和图像分割的方法，需要运用数据融合技术，将采集到的具有患者特性的医学图像与已有的数字模拟人融合，构建出患者的个性化模型；这项融合工作是有限标本数据与大规模统计数据的结合。3.2.6 数字化人体二次数据库的构建和数据共享数字化人体数据库可分成基本数据库（原始数据库）、二次数据库（分割数据库）和功能数据库（赋值数据库

6、）；基本数据库的目的是按需对数据集进行分割并赋值以产生能够直接使用的二次数据库，如分割出人体骨骼；二次数据库的目的是将数据用于各自不同用途的研究，如将人体骨骼用于构建关于人体骨骼的解剖学教学软件，它将通过对数据的一级分割（按器官）、二级分割（按系统）、三级分割（按功能）、四级分割（按结构）而逐步完善，二次数据库的构建和人体标准坐标系的建立是实现数字化人体应用的关键之处；在二次数据库的基础上，通过对数据的赋值建立起数字人功能数据库，它是数据库的最高形式，内容除数字人数据外，还包括人体生物力学、生理、组织工程等参数。4.1 传统外科手术的局限性（一）主刀医生根据患者病情及其经验形成大致手术方案，在

7、实施中不断修正至手术完成；手术方案依赖于医生个人的临床经验与技能，参与的合作者只能以之前形成的默契配合手术，对手术方案则不甚理解；考虑到手术中可能会发生一些解剖结构改变或其他突发事件，使手术效果较易受到随机因素干扰。4.1 传统外科手术的局限性（二）在现实中，为追求手术的彻底性和理想效果，往往不惜以大创伤和生物学环境的破坏为代价，常常出现患者在实施手术后生命发生危险、其重要组织结构受到损伤失去功能或修复能力障碍不能恢复、并发感染甚至复发；医生为了免责，以书面形式告知患者，要求患者确认并承担术中或术后发生的种种风险，而患者往往不得不担负几乎所有风险，违愿签字，违心治疗。4.3 破除传统外科手术局

8、限性的方向外科精准手术外科精准手术的大致步骤是：主刀医生先将其构思的手术方案输入计算机，结合采集到的术前医学影像信息，经专家系统等处理后形成三维图像，医生随后据此与患者和手术团队成员进行交流，即可形成精细的术前决策；接着，可利用医学影像数据和虚拟手术系统合理定量地制定个性化、精密的手术方案；这对选择最佳手术入路、减小手术损伤、避免对邻近组织的损害、提高病灶定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等等十分有益。4.4 外科精准手术的必备条件与术前准备要完美实施外科精准手术，除需要有能获得数字医学影像的相关设备、能进行虚拟现实人机交互的计算机系统外，还需配备术中导航与术中监护等设备，以便将今生今

9、世处理的三维模型与实际手术进行定位匹配；如果手术使用了其他数字影像手段（如内窥镜、B超或床边CT等），则需将实时观测到的影像与术前的医学影像进行匹配融合定位，引导术者进行手术；术者要在术前于虚拟手术系统中重复练习或模仿专家手术过程，设计、预演和修正手术的整个过程，以便事先发现术中的问题，避免人为失误。5 外科精准手术应用实例为肝胆手术精确制导；为骨科手术保驾护航；为妇科手术厘清彼此；为无创手术提供保障。5.1 外科精准手术之为肝胆手术精确制导（一）南方医科大学方驰华等临床医学专家、医学影像学专家、解剖学专家和计算机专家组成的团队开发完成了腹部医学图像三维可视化系统；系统可对患者肝胆胰等器官的断

10、层CT个体化数据进行快速自动分割和三维重建为实施图像，从前、后、左、右、上、下等任意角度对脏器、病灶进行观察。5.1 外科精准手术之为肝胆手术精确制导（二）系统通过设置脏器的透明化来观察患者病灶、肿瘤与内部动脉、静脉、胆管等管道系统的详细位置关系与周围脏器的粘连程度；系统可对患者肝胆胰等器官的手术切除病灶或肿瘤，通过三维重建模型进行仿真手术；在系统提供的可视化虚拟环境下，术者可进行术前手术预设、手术可切性、术中指导手术等评估和论证。5.2 外科精准手术之为妇科手术厘清彼此（一）南方医科大学陈春林等进行数字化女性骨盆的研究，并将相关技术应用于子宫颈癌、子宫肌瘤、子宫腺疾病、复杂盆腔包块等疾病的诊

11、断、术前风险评估、手术效果预测等；还将相关技术应用于妇科相关病例的微创治疗和其他妇产科疾病的介入治疗等。5.3 外科精准手术之为无创手术提供保障（一）重庆医科大学王智彪等致力于高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗系统的研究；HIFU的原理是，将低能量的超声波聚焦于生物体内靶区，利用其在焦点处产生的高温杀死靶区组织，从而达到无创“切除”肿瘤的目的。5.3 外科精准手术之为无创手术提供保障（二）目前，HIFU的焦点直径已经达到微米级；采用数字医学技术可直观显示肿瘤的形态、大小及其在体内的空间位置、与其他组织的关系及分布等，从而确定高强度

12、聚焦超声焦点的能量、直径和工作路径，以尽可能地保全正常组织并缩短治疗时间。6.1 医用机器人的应用方向与国外研究进展医用机器人是数字医学不可或缺的组成部分，已在医疗外科手术规划模拟、微创、精确定位操作、无损伤诊断与检查、新型手术医学治疗方法等方面得到广泛应用；医用机器人主要分为手术机器人、护理机器人、康复机器人等；国际上，已获得重大突破且产品化的有宙斯机器人手术系统、达芬奇手术系统、RoboDoc手术系统、阿凡达手术系统等。6.2 医用机器人的国内研究动态2010年，中国工程院启动了“高端医疗装备发展战略咨询项目”研究；上海交通大学成立数字医学教育部工程研究中心，戴尅戎院士已将机械臂用于临床骨

13、科辅助手术，上海交大Med-X学院阮雪榆院士的康复机器人研究已成系列和规模；哈工大、北航、浙大、华科大、国防科大、华南理工大等院所已开发“妙手”、“神刀”、“助行”、“天使”等一系列手术、康复和护理机器人；南方医科大学成立钟世镇院士工作站，专门研究单孔柔性手术机器人的前端。7 数字医学的发展前景（一）数字医学是医学、生物力学、材料力学、计算机信息处理、数学、机械制造、自动化控制等交叉协作的一门新兴学科；数字医学通过运用现代医学影像设备与影像技术（如X射线、CT、MRI、PET、内窥镜、超声和C臂的实时监测）、介入技术、导航技术和机器人技术，使得传统的外科手术理念由“切开来看”（“Cut，than see”）转变为“看完后再决定是否切” ”（“See，than cut or not”）7 数字医学的发展前景（二）数字医学不用暴露病灶，却能管中窥豹，“看”清病变区，将高难度的手术普及化；数字医学将推动现代医学向个性化、精确化、微创化和远程化发展，医学科