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数字化人体:从“传统解剖”到“3D打印”精准医疗

2016-04-07 10:04
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  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。

  借助3D打印做手术

  不久前,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,且肿瘤已经严重压迫肺叶。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。第三军医大学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,在计算机上进行了巨大肿瘤切除术手术方案的设计,并将打印出的3D模型进行了手术预演。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。

  让解剖重新焕发活力

  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。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。

  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。

  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。

  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。

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