隨著數(shù)字人技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應用普及，數(shù)字醫(yī)學（digitalmedicine）作為一個嶄新的、多學科交*的研究領(lǐng)域，正受到越來越多的關(guān)注和重視。國內(nèi)許多科研單位在短期內(nèi)相繼成立了數(shù)字醫(yī)學研究機構(gòu)，如南方醫(yī)科大學數(shù)字人和數(shù)字醫(yī)學研究所、第三軍醫(yī)大學數(shù)字醫(yī)學研究所、上海交通大學數(shù)字醫(yī)學研究院、復旦大學數(shù)字醫(yī)學研究中心、浙江大學數(shù)字醫(yī)療工程研究中心等。

　　生物醫(yī)學工程學、基礎(chǔ)醫(yī)學、臨床醫(yī)學和計算機科學的許多專家學者，先后在北京、上海、重慶、鄭州、煙臺、廈門等地就有關(guān)數(shù)字醫(yī)學的研究和應用召開了多場專門研討會，從各自的學科角度論述了數(shù)字醫(yī)學的應用現(xiàn)狀、前景和進展。眾多的研究目的已將數(shù)字醫(yī)學的應用范圍擴展到數(shù)字醫(yī)院、數(shù)字醫(yī)學工程、數(shù)字醫(yī)療技術(shù)、數(shù)字化基礎(chǔ)醫(yī)學研究等各個方面。那么數(shù)字醫(yī)學究竟是什么，它將給我們帶來什么？

　　數(shù)字醫(yī)學的提出

　　1997年，美國威斯康星大學斯萊克（W.V.Slack）教授撰寫了Cybermedicine:howcomputingempowersdoctorsandpatientsforbetterhealthcare一書。1999年，我國首都醫(yī)科大學秦篤烈教授將其譯成中文版《賽博醫(yī)學——計算機如何幫助醫(yī)生和病人提高醫(yī)療質(zhì)量》（江西教育出版社出版）。斯萊克教授和秦篤烈教授都從事計算機在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用研究工作，斯萊克教授人稱賽博博士（Dr.Cyber），曾擔任美國醫(yī)學信息學會（AMIA）的刊物《醫(yī)師計算》（M.D.Computing）的主編；秦篤烈教授一向關(guān)注全球最新的科技動態(tài)，是最早倡導中國數(shù)字人研究項目的科學家。cyber一詞源自希臘語Kubernetes，意思是舵手或控制，現(xiàn)多作為前綴，表示經(jīng)由計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)或互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)調(diào)控的事物，賽博醫(yī)學（cybermedicine）就是指將計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應用于醫(yī)療領(lǐng)域的數(shù)字醫(yī)學。

　　2001年，174次香山科學會議提出在我國開展數(shù)字人研究；2003年，208次香山科學會議又提出在我國開展數(shù)字人應用技術(shù)的研究。2003年，鐘世鎮(zhèn)院士主編的《數(shù)字人與數(shù)字解剖學》一書出版，在我國首次提出“數(shù)字醫(yī)學”一詞，稱“數(shù)字人和數(shù)字解剖學是數(shù)字醫(yī)學的基礎(chǔ)，將為現(xiàn)代醫(yī)學研究提供新的方法和手段”。

　　2008年，在中國工程院主辦的第十一次工程前沿“數(shù)字醫(yī)學的現(xiàn)狀及未來”研討會上，戴尅戎院士給出了數(shù)字醫(yī)學的定義：“數(shù)字醫(yī)學是應用數(shù)字化技術(shù)，解釋醫(yī)學現(xiàn)象、解決醫(yī)學問題、探討醫(yī)學機理、提高生命質(zhì)量的一門科學。”這個定義獲得與會鐘世鎮(zhèn)、王正國、阮雪榆等院士的贊同。

　　數(shù)字化人體研究

　　數(shù)字化人體研究是數(shù)字醫(yī)學在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應用的基礎(chǔ)，已從最初單純的人體數(shù)據(jù)集的構(gòu)建逐步向數(shù)字解剖學及其實際應用方向發(fā)展。研究重點大致集中在特殊人體組織如神經(jīng)、淋巴與微小器官信息的獲取，圖像分割和重建技術(shù)，網(wǎng)格計算存儲與數(shù)據(jù)同步共享，醫(yī)學及其相關(guān)領(lǐng)域的應用等。

　　人體特殊組織信息的獲取和數(shù)字化微觀人體數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

　　人體特殊組織如血管、神經(jīng)和淋巴等的信息標識和分割是數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集構(gòu)建的難點。中國數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集采用人體管道灌注技術(shù)，已基本完成血管的標識，最小直徑為0.02毫米，但神經(jīng)和淋巴等的信息標識仍未解決。

　　由于受數(shù)字化圖像采集設(shè)備分辨率和存儲運算設(shè)備的限制，數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集的構(gòu)建分為宏觀建模和微觀建模兩部分。通常宏觀建模側(cè)重于形態(tài)結(jié)構(gòu)；微觀建模側(cè)重于生理功能，可分為局部器官建模、顯微建模等。南方醫(yī)科大學和第三軍醫(yī)大學采用宏觀建模手段構(gòu)建了十余個人體整體數(shù)據(jù)集，國內(nèi)其他數(shù)字人研究機構(gòu)還構(gòu)建了一些人體局部器官數(shù)據(jù)集：南方醫(yī)科大學附屬珠江醫(yī)院方馳華教授采用肝臟數(shù)據(jù)集進行了肝臟腫瘤的術(shù)式和治療研究；廈門大學王博亮教授采用顯微建模技術(shù)構(gòu)建了數(shù)字眼球數(shù)據(jù)集，并開發(fā)了基于數(shù)字化眼球技術(shù)的裂隙燈等應用醫(yī)療檢測設(shè)備；中國醫(yī)科大學的翟效月教授采用顯微建模技術(shù)構(gòu)建了小鼠的腎小管，并對其進行了相應的生理研究，等等。

　　手術(shù)演練和教學的解剖模型軟件的開發(fā)

　　數(shù)字解剖模型是數(shù)字解剖學用于醫(yī)學基礎(chǔ)學科研究的基本內(nèi)容。無論是進行數(shù)字化人體數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)集構(gòu)建單位，還是使用這些數(shù)據(jù)集的應用單位，無一不將數(shù)字解剖模型的構(gòu)建作為數(shù)字人研究的第一步。通過對數(shù)據(jù)的辨識和分割，可構(gòu)建出各類滿足特定研究需要的模型。目前，國內(nèi)采用中國數(shù)字人數(shù)據(jù)集構(gòu)建解剖模型的單位有南方醫(yī)科大學、第三軍醫(yī)大學、華中科技大學、首都醫(yī)科大學、北京大學、清華大學、浙江大學、中國科技大學、廈門大學、中科院計算所、中科院自動化所、同濟大學、復旦大學、上海交通大學、東南大學、香港中文大學、香港理工大學、深圳大學、上海中醫(yī)藥大學等近百家單位，已構(gòu)建許多整體或局部的數(shù)字解剖模型。

　　現(xiàn)階段數(shù)字解剖模型軟件的研發(fā)有如下特點：由單一的結(jié)構(gòu)器官辨識向系統(tǒng)解剖方向發(fā)展，由平面顯示向三維方向發(fā)展，由“只能看”向“還能動”的虛擬解剖方向發(fā)展。隨著力反饋器械的研制成功和完善，外科醫(yī)生和醫(yī)學生可以通過數(shù)字解剖模型軟件和力反饋器械隨時進行人體或手術(shù)部位的虛擬解剖和演練，而不受到倫理約束和標本匱缺的影響。

　　用于臨床的個性化解剖模型的構(gòu)建和數(shù)據(jù)融合

　　數(shù)字解剖的最終目的是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立用于臨床的解剖人體結(jié)構(gòu)模型。臨床解剖人體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建顯然不能采用構(gòu)建數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集的人體切削和圖像分割的方法，需要運用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將采集到的具有患者特性的醫(yī)學圖像與已有的數(shù)字人模型融合，構(gòu)建出患者的個性化模型。這項工作是有限標本數(shù)據(jù)與大規(guī)模統(tǒng)計數(shù)據(jù)的結(jié)合。

　　數(shù)字化人體二次數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和數(shù)據(jù)共享

　　從便于管理和推廣使用數(shù)字化人體數(shù)據(jù)庫角度，數(shù)字化人體數(shù)據(jù)庫可分成基本數(shù)據(jù)庫（原始數(shù)據(jù)庫）、二次數(shù)據(jù)庫（分割數(shù)據(jù)庫）和功能數(shù)據(jù)庫（賦值數(shù)據(jù)庫）。

　　基本數(shù)據(jù)庫是研發(fā)庫，采用權(quán)限等級登陸訪問，其開放的主要對象是具有人體結(jié)構(gòu)辨識能力的研究機構(gòu)，目的是按需對數(shù)據(jù)集進行分割并賦值以產(chǎn)生能夠直接使用的二次數(shù)據(jù)庫，如分割出人體骨骼。二次數(shù)據(jù)庫是應用庫，采用相對低于基本數(shù)據(jù)庫的權(quán)限等級登陸訪問并提供下載，其開放的主要對象是采用數(shù)據(jù)集用于不同目的的用戶，目的是將數(shù)據(jù)用于各自不同用途的研究，如將人體骨骼用于構(gòu)建關(guān)于人體骨骼的解剖學教學軟件。二次數(shù)據(jù)庫將通過對數(shù)據(jù)的一級分割（按器官）、二級分割（按系統(tǒng)）、三級分割（按功能）、四級分割（按結(jié)構(gòu)）而逐步完善。二次數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和人體標準坐標系的建立是實現(xiàn)數(shù)字化人體應用的關(guān)鍵之處。在二次數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過對數(shù)據(jù)的賦值建立起數(shù)字人功能數(shù)據(jù)庫，它是數(shù)據(jù)庫的最高形式，內(nèi)容除數(shù)字人數(shù)據(jù)外，還包括人體生物力學、生理、組織工程等參數(shù)。

　　外科精準手術(shù)

　　在傳統(tǒng)的外科手術(shù)中，主刀醫(yī)生根據(jù)不同的病情依據(jù)其經(jīng)驗形成大致的手術(shù)方案，然后在實際手術(shù)中進行不斷修正，直至手術(shù)完成。這種手術(shù)方案依賴于醫(yī)生個人的臨床經(jīng)驗與技能，參與整個手術(shù)的每一位成員只能憑借以往合作形成的默契配合手術(shù)，對該手術(shù)方案則不甚理解。另外，考慮到術(shù)中可能會發(fā)生一些解剖結(jié)構(gòu)改變或其他突發(fā)事件，因此手術(shù)效果具有較大的隨機因素。

　　同時在現(xiàn)實中，為了追求手術(shù)的徹底性和理想效果，往往不惜以大創(chuàng)傷和生物學環(huán)境的破壞為代價，常常出現(xiàn)患者在實施手術(shù)后生命發(fā)生危險、其重要組織結(jié)構(gòu)受到損傷失去功能或修復能力障礙不能恢復、并發(fā)感染甚至復發(fā)。醫(yī)生為了免責，以書面形式告知患者，要求患者確認并承擔術(shù)中或術(shù)后發(fā)生的種種風險。而患者面對免責告知書時，除承擔病痛外，還需擔負幾乎所有的風險，不得不違愿簽字，違心醫(yī)治。

　　那么究竟是冒大創(chuàng)傷、大破壞的風險以提高治療效果，還是冒不根治疾病且可能復發(fā)的風險以減少手術(shù)的危險？如何進行顱腦深層、椎管內(nèi)、腹膜后這些開口再大也難完全顯露的手術(shù)？可否盡可能通過微創(chuàng)或無創(chuàng)達到治愈疾病的目的，且治療效果反而由于安全性增加獲得最佳？為了手術(shù)的順利進行，避免任何意外情況的發(fā)生，是否先對手術(shù)過程進行演練，排除經(jīng)驗積累、術(shù)式手法等人為的風險因素？

　　隨著數(shù)字醫(yī)學技術(shù)在醫(yī)學應用領(lǐng)域的延伸以及醫(yī)用X射線、計算機斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）和正電子發(fā)射X射線層析攝影（PET）等醫(yī)學圖像獲取設(shè)備的應用，催生了一個全新的手術(shù)模式——外科精準手術(shù)。在外科精準手術(shù)模式下，通過現(xiàn)代計算機技術(shù)（主要是虛擬現(xiàn)實技術(shù)），可建立用于解剖的人體結(jié)構(gòu)模型、用于恢復評估的治療效果模型、用于術(shù)式評估的入路模型、用于手術(shù)練習的現(xiàn)場模型。外科精準手術(shù)具有精細的術(shù)前決策、精密的手術(shù)方案、精確的手術(shù)模擬、精準的手術(shù)作業(yè)等特點，在降低治療費用、減少住院時間的同時，可安全、準確、徹底地實現(xiàn)手術(shù)目的，達到完美的手術(shù)效果。

　　外科精準手術(shù)的大致步驟是：主刀醫(yī)生先將其構(gòu)思的手術(shù)方案輸入計算機，結(jié)合采集到的術(shù)前醫(yī)學影像信息，經(jīng)專家系統(tǒng)等處理后形成三維圖像，醫(yī)生隨后據(jù)此與患者和手術(shù)成員進行交流，即可形成精細的術(shù)前決策。接著，可利用醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)和虛擬手術(shù)系統(tǒng)合理定量地制定個性化、精密的手術(shù)方案，這對選擇最佳手術(shù)入路、減小手術(shù)損傷、避免對臨近組織的損害、提高病灶定位精度、執(zhí)行復雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率等十分有益。虛擬手術(shù)系統(tǒng)為操作者提供了一個極具真實感和沉浸感的訓練環(huán)境，操作者可在其中重復練習或模仿觀察專家手術(shù)過程，設(shè)計、預演和修正手術(shù)的整個過程，以便事先發(fā)現(xiàn)術(shù)中問題，避免由人為因素引起的手術(shù)失誤。

　　要完美實施外科精準手術(shù)，除需有獲得相關(guān)醫(yī)學影像的設(shè)備、能進行虛擬現(xiàn)實人機交互的計算機系統(tǒng)外，還需配備術(shù)中導航與術(shù)中監(jiān)護等設(shè)備，以便將計算機處理的三維模型與實際手術(shù)進行定位匹配。如果手術(shù)使用了其他成像手段（如內(nèi)窺鏡、B超或床邊CT等），則需將實時觀測的圖像與術(shù)前的醫(yī)學圖像進行匹配融合定位，引導術(shù)者進行手術(shù)。

　　為肝膽手術(shù)精確制導方馳華教授聯(lián)合影像學專家、解剖學專家和計算機專家等組成團隊，開發(fā)完成了腹部醫(yī)學圖像三維可視化系統(tǒng)（MI-3DVS），可對患者肝膽胰等器官的斷層CT個體化數(shù)據(jù)進行快速自動分割和三維重建為實時圖像，從前、后、左、右、上、下等任意角度對臟器、病灶進行觀察，并通過設(shè)置臟器的透明化來觀察患者病灶、腫瘤與內(nèi)部動脈、靜脈、膽管等管道系統(tǒng)的詳細位置關(guān)系與周圍臟器的粘連程度。對可手術(shù)切除的病灶或腫瘤，通過三維重建模型進行仿真手術(shù)，在可視化虛擬環(huán)境下，進行術(shù)前手術(shù)預設(shè)、手術(shù)可切性、術(shù)中指導手術(shù)等評估和論證。

　　為骨科手術(shù)保駕護航廣州軍區(qū)總醫(yī)院尹慶水教授領(lǐng)導的研究團隊，將計算機輔助快速成型（CAD－RP）技術(shù)應用于高難度、復雜的骨科手術(shù)以提高手術(shù)的成功率，使手術(shù)更精確、更安全。以寰樞椎的置釘固定為例，先將獲取的脫位的寰樞椎CT重建，再采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)矯正，然后依據(jù)固定后的模型確定置釘?shù)奈恢?、尺寸和方位，最后用反求手段設(shè)計出具有患者個性化特性的置釘工裝，由快速成型設(shè)備成型后，用作手術(shù)時引導置釘固定的模板，置釘可準確地在預先設(shè)定的位置和方位進釘并固定。

　　為婦科手術(shù)厘清彼此南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院陳春林教授帶領(lǐng)課題組進行數(shù)字化女性盆腔的數(shù)字化，并將相關(guān)技術(shù)應用于子宮頸癌、子宮肌瘤、子宮腺肌病、復雜盆腔包塊等疾病的診斷、術(shù)前風險評估、手術(shù)效果預測等，以及相關(guān)病例的微創(chuàng)治療和其他婦產(chǎn)科疾病的介入治療等。先后成功構(gòu)建了國際上首例基于血管鑄型技術(shù)的子宮動脈血管網(wǎng)模型和首例人離體宮頸癌子宮動脈血管網(wǎng)模型，清晰完整地顯示子宮動脈及其各級分支的走行，并揭示子宮動脈血管網(wǎng)的形態(tài)及血供特點，包括顯示子宮動脈與膀胱、輸尿管之間、卵巢血供之間、卵巢與輸卵管之間血循環(huán)的關(guān)系,為子宮動脈栓塞術(shù)（UAE）治療中避免損傷泌尿系統(tǒng)和卵巢提供了直觀的模型。

　　為無創(chuàng)手術(shù)提供保障重慶醫(yī)科大學王智彪教授多年來致力于高強度聚焦超聲（highintensityfocusedultrasound，HIFU）治療系統(tǒng)的研究，其原理是將低能量的超聲波聚焦于生物體內(nèi)靶區(qū)，利用其在焦點處產(chǎn)生的高溫殺死靶區(qū)組織，從而達到無創(chuàng)“切除”腫瘤的目的。目前，高強度聚焦超聲的焦點直徑已達微米級。采用數(shù)字醫(yī)學技術(shù)可直觀顯示腫瘤的形態(tài)、大小及其在體內(nèi)的空間位置、與其他組織的關(guān)系及分布等，從而確定高強度聚焦超聲焦點的能量、直徑和工作路徑，以盡可能地保全正常組織并縮短治療時間。

　　醫(yī)用機器人

　　隨著社會的進步和生活水平的不斷提高，高端醫(yī)療裝備的研發(fā)受到越來越多的關(guān)注。作為當今高端醫(yī)療裝備研究領(lǐng)域最熱門的課題之一，醫(yī)用機器人是數(shù)字醫(yī)學不可或缺的組成部分，已在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微創(chuàng)、精確定位操作、無損傷診斷與檢查、新型手術(shù)醫(yī)學治療方法等方面得到廣泛應用。醫(yī)用機器人主要分為手術(shù)機器人、護理機器人、康復機器人等。目前國際上，已獲得重大突破且產(chǎn)品化的有宙斯機器人手術(shù)系統(tǒng)、達芬奇手術(shù)系統(tǒng)、RoboDoc手術(shù)系統(tǒng)、阿凡達手術(shù)系統(tǒng)等。

　　2010年，中國工程院啟動了“高端醫(yī)療裝備發(fā)展戰(zhàn)略咨詢項目”研究。南方醫(yī)科大學附屬北滘醫(yī)院成立了鐘世鎮(zhèn)院士工作站，專門研究單孔柔性手術(shù)機器人的前端；上海交通大學成立數(shù)字醫(yī)學教育部工程研究中心，戴尅戎院士已將機械臂用于臨床骨科輔助手術(shù)；在上海交通大學Med-X學院，阮雪榆院士的康復機器人研究已成系列和規(guī)模。此外，哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、天津大學、蘇州大學、浙江大學、華中科技大學、國防科技大學、華南理工大學等高校的機器人研究所，以及閔行醫(yī)學信息技術(shù)有限公司、博實機器人技術(shù)有限公司也都開展了醫(yī)用機器人的研究，已開發(fā)“妙手”、“神刀”、“助行”、“天使”等一系列手術(shù)、康復和護理機器人。

　　數(shù)字醫(yī)學是醫(yī)學、生物力學、材料力學、計算機信息處理、數(shù)學、機械制造、機器人、自動化控制等交*協(xié)作的一門新興學科。它作為現(xiàn)代醫(yī)學的重要組成部分，通過運用現(xiàn)代影像設(shè)備與圖像技術(shù)（如X射線、CT、MRI、PET、內(nèi)窺鏡、超聲和C臂的實時監(jiān)測）、介入技術(shù)、導航技術(shù)和機器人技術(shù)，使得傳統(tǒng)的外科手術(shù)理念由“切開來看”（“Cut，thansee…”）轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;看完后再決定是否切”（“See，thancutornot”），即不用暴露病灶，卻能管中窺豹，“看”清病變區(qū)，將高難度的手術(shù)普及化。數(shù)字醫(yī)學將推動現(xiàn)代醫(yī)學向個性化、精確化、微創(chuàng)化和遠程化發(fā)展，醫(yī)學科技工作者能借助數(shù)字技術(shù)改良和創(chuàng)造新的醫(yī)學學科、新的醫(yī)療設(shè)備和新的診療技術(shù)，保障人類的健康，造福人類。

（實習編輯：徐潤蘭）