西南醫院利用醫學“3D打印”技術為患者重建胸壁
2016年2月23日，60多歲的手術患者殷道榮回到第三軍醫大學西南醫院復查，結果顯示身體恢復良好。這正是第三軍醫大學生物工程學院數字醫學研究所與西南醫院心胸外科合作，借助3D數字化導航、3D打印技術和3D輔助設計，完成的一例胸腔巨大腫瘤切除加胸壁重建手術。
人體胸腔部分數字化圖像
據悉，患者的左側胸腔內有一個巨大的腫瘤，初步顯示為低度惡性腫瘤，且腫瘤已經嚴重壓迫肺葉，大肆侵犯胸壁，侵蝕左胸5—10肋骨、肋軟骨和肋間內外肌，而且腫瘤與肺動靜脈關系較為復雜。不僅腫瘤切除有一定難度，巨大腫瘤切除后胸壁將出現嚴重的骨缺損，影響患者術后的呼吸功能，且患者心肺難以得到較好的胸壁保護。
胸腔巨大腫瘤和胸腔臟器的術前三維重建圖像
數字醫學研究所將患者的CT數據導入專業醫學圖像處理系統，對患者肺血管、肋骨、肋軟骨、胸骨、肺和胸腔巨大腫瘤進行了數據半自動分割和三維重建，在計算機上進行了巨大腫瘤切除術手術方案的設計，并根據對側胸骨的性狀和腫瘤侵蝕范圍，設計出突出胸壁的腫瘤和擬重建胸壁的3D模型，將打印出的3D模型進行了手術預演，并以3D設計打印的胸壁為模子，制作出了三維的弧形適形鈦板。在“數字醫學”的協助下，手術進行得非常順利，3D打印輔助制作的三維弧形鈦板與缺損胸壁斷端完全吻合。
裝置3D適形鈦板的胸壁重建手術術中照片
“鈦板通常是平面的，難與胸壁弧形相貼合，隨著患者呼吸運動，常規鈦板容易出現移位等情況，治療效果有限。而3D打印則相當于對患者所需手術材料的一種私人定制，打印物的大小、尺寸完全可以自行設計。3D打印技術將成為未來精準醫療的重要手段。”數字醫學研究所吳毅副教授介紹。
裝置3D適形鈦板胸壁成形術后的CT三維重建圖像
數字醫學，一個來自于傳統學科“解剖”的新型研究方向，用計算機數字化的手段來解決診斷和治療的種種問題。它的發展，生動詮釋了醫學“3D打印”的前世今生。
可視化人體數據集——讓“解剖”活起來
時間倒退到本世紀初。山城重慶的酷暑，戶外近40攝氏度，實驗室卻是零下25攝氏度的“嚴寒”。第三軍醫大學數字醫學研究所所長、我國數字醫學學科開拓者張紹祥教授，帶著團隊成員，大衣、毛帽、厚手套全副武裝，正在緊張地進行人體冰凍切片。這可不是普通的“切片”，他們把整個人體上千的切片圖像輸入計算機，經過一系列復雜的處理，獲取數字化人體包括大腦、心臟、肝臟的全身數據集。
張紹祥教授工作照
這是當時世界上繼美國、韓國之后的第三例可視化人體數據集，無論在切片層厚和圖像分辨率上都優于前述。由于美國數字化人體切片是在常溫下進行，人體標本會因“解凍”出現較大的誤差。因此，張紹祥教授堅持在零下25度的極寒條件下開展切片，最大可能減小誤差。人在“極寒”實驗室連續工作不能超過2個小時，而室內外溫差最高可以達到60攝氏度。研究人員往往在外面抽上一根煙，休息一會兒，又返回實驗室，工作到凌晨。
張紹祥教授帶領團隊在低溫實驗室里工作
解剖是一門古老的學科，數字化的引入讓它重新煥發活力。從2001年起的15年，在實驗平臺的建設中，研究所已具備高精度斷層切片機、低溫冰凍實驗室、高精度數控銑床、精細薄層斷面標本鋸切實驗室、Detrobeam人機交互虛擬手術展示平臺、圖像圖形工作站等，在數字化解剖、數字人輔助影像診斷、數字化醫學教學、醫學圖像處理包括圖像融合、配準、分割方面取得了較大發展。從2001年至今，研究所已獲取了8例可視化人體數據集，并構建了男性、女性全身臟器的分割數據集和三維重建模型，完成了人體局部復雜、抽象器官的斷層解剖學與三維可視化研究，發表了37篇高質量論文，在數字化可視人體研究的基礎上相繼開展了數字解剖學、數字化醫學圖像處理、數字化診療方面和數字化醫院管理系統的研究，并在數字化解剖教學、臨床輔助診斷與治療方面取得了多項研究成果，開創了我國數字醫學研究領域。
張紹祥教授在重慶市數字醫學學會年會上主持工作
“3D打印很‘時髦’，但它的根基在數字醫學，沒有精確的數字化設計，就沒有‘漂亮’的3D打印。也可以說，從2001年起，我們勇敢跟蹤前沿，預見了精準醫學、個性醫學時代的到來。”研究所博士方彬吉說。
張紹祥教授主持第三屆全國數字醫學學術年會
三維可視化——全新認識人體結構
隨著薄層、高精度數字化人體圖像和三維可視化模型的廣泛應用，傳統解剖中“肉眼”所不理解的微小隱蔽結構也不斷被發現。例如，在原來的解剖認知中，公認肛提肌分為三個部分，主要運動路徑是“向上”，肌纖維與陰道或前列腺相連，而通過數字解剖學研究發現肛提肌分為四個部分，運動路徑實際是“向前移動”，而且肛提肌纖維與陰道或前列腺不相連。傳統的解剖學認為胸部與腹部并無多少交流，而通過數字解剖學卻發現胸部與腹部之間實際上有10個“異常通道”，這就解釋了為什么胰腺炎患者的腹腔積液可以進入胸腔。《PLOS one》、《Journal of anatomy》等解剖類頂級雜志刊登了數字醫學研究所的一系列重大發現。
數字醫學研究所團隊
“目前，我們與臨床的結合，主要體現在兩個方面：一個方面是數字化診斷，比如巨大肝癌與周圍血管的毗鄰關系、盆腔臟器脫垂的盆底結構損傷分析；另一個方面是數字化治療，它主要包括術前預演、手術導航和3D定制，主要為3D重建和3D打印技術的應用。”研究所計算機工程師李穎說。
據悉，研究所和國家工業與信息化部聯合開發了一套基于中國數字化人體的男性與女性全身輻射劑量吸收計算模型，能通過計算機模擬計算人體各臟器所能吸收的輻射劑量。
虛擬解剖，悄然改變醫學生的課堂
第三軍醫大學西南醫院超聲診斷科，科室主任郭燕麗正教實習生用數字醫學圖像與超聲影像進行比對學習。在第三軍醫大學的解剖實驗室，也由人體標本解剖教室延伸到數字解剖教室，在那里，醫學生正熟練應用數字研究所研發的“虛擬解剖教學平臺”，在電腦上對“三維人體”開展各種手術操作，作為實踐教學的重要補充，不用受到標本稀缺、動手機會少的制約。
為了進一步增進學術交流，數字醫學研究所主辦了《數字醫學》雜志，作為世界上第一本數字醫學英文期刊，在國際上進入檢索序列。
(責任編輯：admin)
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