智能与数字技术，如何与外科翩翩起舞？

发布时间：2021-06-03 21:43:31来源：健康报医生频道

20世纪90年代，数字化进入到人类生活的方方面面，数字化医学也成为现代医学发展的热门与核心方向。创伤骨科专家裴国献教授，在其导师“中国虚拟人之父”钟世镇院士的影响下，敏锐发现引入数字技术可为传统骨科带来蝶变生长。在2006年,他提出了“数字骨科学”的概念，开拓了新兴交叉学科“数字骨科学”。

2019年，担任南方科技大学医院院长后，裴国献着手建立研究转化平台，成立了南方科技大学粤港澳智能与数字外科创新中心，立足临床实际，理工医融汇交叉，开展系列创新性临床转化研究，致力打通“智能与数字技术通往临床最后一公里”。

学科带头人说

南方科技大学医院智能与数字外科团队学科带头人裴国献院长向参观者展示3D打印骨科模型。

搭建平台为融合创新创造条件

现代社会，数字技术发展日新月异，各领域学科交叉范围越来越广，学科发展也应势而变。个性化、精准化、远程化、智能化是现代外科的发展方向，人工智能可以为患者带来实实在在的好处，已经得到证实。

做了多年的骨科医生，我深知“看不见、摸不着，手术需要凭经验，还要让手稳不颤……”这些传统外科手术，尤其是骨科手术中医生难以绕开的“痛点”，而智能与数字技术在术前规划、术中视野拓展、手术精准定位、植入物个性化定制、手术标准化等诸多方面具有明确优势。

因此，我提出了“数字骨科学”的概念，开拓了新兴交叉学科“数字骨科学”，正是意识到交叉学科的重要性和智能与数字技术在临床运用的广阔前景。经过十多年的摸索实践，已经积累了较为丰富的经验。

国内相关企业拥有高端技术设备，但是不知晓临床需求。一线医护深知待改进的临床“痛点”，但是不懂技术设备。这中间需要一个转化的平台，才可实现医工的顺畅衔接。

由此，南方科技大学粤港澳智能与数字外科创新中心孕育而生，这是国内首个设置在医院的智能与数字外科创新中心。中心下设四大部，既囊括了当前大部分智能与数字领域的前沿技术和设备，也充分考虑了临床运用的可能性。

除了临床和科研，创新中心未来发展将往医学教育培训、医学科普等多维度建设着力。这是一个开放的平台，我们欢迎更多相关的高新技术企业来这里落地，让智能与数字外科技术服务于南方科技大学医院乃至更多医院，让这里成为医生、医学生智能与数字技术医学运用的培训基地，让市民能在这里了解数字技术医学科普。

打通转化“最后一公里”

走进南方科技大学粤港澳智能与数字外科创新中心，600多平方米宽敞明亮的模型展示大厅，形态各异的3D打印模型展示墙、手术机器人、各种虚拟现实设备……这是国内首家设在医院的智能与数字外科创新中心。创新中心下设3D打印外科部、虚拟现实临床部、手术机器人部和外科植入物研发部四个创新平台，立足临床实际，理医工融汇交叉，开展系列创新性临床转化研究。

粤港澳智能与数字外科创新中心

虚拟现实临床部：面向临床实际应用，创建虚拟外科教室，拓展虚拟外科手术，力促虚拟现实与外科手术完美融合。在传统技术中，通过CT、MRI扫描后获取的影像，只停留在二维层面，而虚拟现实技术可以在空间中精确显示正常或病变骨骼复杂的三维结构，并可进行任意旋转、剖切等操作。可以对重建的三维结构进行测量，获得长度、面积、体积和角度等解剖参数。这对临床上辅助诊断、辅助手术设计和术前模拟等方面都大有裨益。

通过混合现实设备中的全息三维影像技术可获得清晰立体的手术视野，医生在手术时极大扩展了裸眼可见范围。同时，通过5G技术突破空间和时间的限制，异地专家可以远程观摩手术，参与指导及会诊，甚至可以遥控操作，实施远程手术。

手术机器人部：衔接医工融合渠道，探究解决临床应用难题与标准路径。机器人和智能技术将成为医生“脑”“手”与“眼”的延伸，在引入机器人技术后，能够有效消除人手操作时的颤抖，完成很多传统骨科手术无法完成的精细动作。

3D打印外科部：可以增强医工融合的设计能力，促进3D打印技术在临床应用的精确化、微创化。全力辅助各临床科室，为解决临床实际问题探索新思路、创建新方法。

外科植入物研发部：研究智能化植入物特性，创新骨植入物个性化设计，研发符合国人解剖特征的骨植入物。数字技术让“个性化”成为可能。

例如传统的嵌入人体内假体由工厂标准化生产，只能应用于长骨等结构简单的部位。用在骨盆、肩胛骨等形状不规则、结构复杂的部位，往往贴合不牢，导致积液、感染、松动，甚至发生功能障碍。数字技术的应用，再加上3D打印成精准的假体。真正做到每位病人匹配专属假体，保证了手术的个性化与精准化，大大改善了手术治疗效果。

“创新中心将为科技公司与临床医学打造一个无障碍交流合作平台，将科技公司研发设计的前线推进到了医疗一线，让研发人员零距离了解临床需求，真正打破以往花费大量财力物力‘闭门造车’的瓶颈。”裴国献院长说。而这里，将打造医工衔接的平台，开展科研攻关，让人工智能产品更安全有效服务于临床，打造智能与数字外科领域内产学研深度融合的国家级创新平台。

复杂骨折、三叉神经痛、机器人手术……看看这些数字医学的应用实例↓↓↓

●骨头碎成十几块，一次成功复位

深圳的杨先生骑车摔倒了，还摔成了肱骨髁骨折最复杂的骨折类型——“鸡蛋”大小的关节处，骨折块分离为10余块。由于肘关节结构复杂，且术后极易出现关节僵硬，对骨折复位精准度要求极高。加上骨折块的脆性特征，留给医生的复位机会只有一次。

为实现手术过程中骨折精准复位，创伤骨科赵东升主任、郑木平主任医师带领的创伤骨科团队，与粤港澳智能与数字外科创新中心合作。

中心3D打印部副部长裴延军很快就提出了解决方案：利用数字化模拟复位技术，在软件里还原骨折块的解剖复位。使用3D打印技术，重建制作出与患者肘关节1∶1大小的骨骼三维物理模型。术前利用3D模型进行骨折模拟复位，精确选择内固定器械并提前预弯塑形。

患者关节复位后的3D打印模型

患者粉碎骨折块三维重建图

软件模拟复位骨折碎块

手术过程中，主刀医生郑木平根据模拟复位的模型，对骨折进行了精准复位，大大减少了术中无效的复位、透视，避免了多次调换内固定器械，缩短了手术时间，减少了患者及术者的射线暴露。术后第三天，杨先生就开始进行肘关节屈伸功能锻炼了。

●让疼痛介入手术精准高效

智能与数字技术不仅运用于骨科，在神经内科也一样“受用”。依托南方科技大学粤港澳智能与数字外科创新中心的技术，南方科技大学医院神经内科杨红军主任将机器人和3D打印导航技术应用于疼痛介入手术，在机器人导航和3D打印三叉神经穿刺导板导航下完成治疗靶点的穿刺，可以精准地穿刺到治疗靶点。

例如，治疗“疼痛之王”三叉神经痛时，开展三叉神经半月节射频消融术。先利用3D影像数据，术前进行穿刺通道精准设计。在手术中，机器人可根据设计的穿刺通道，自动选择穿刺部位、角度和深度，指引医生精准到达目标区。

为治疗三叉神经痛时，医生利用3D打印技术制作的三叉神经穿刺导板。

这样的人工智能导航辅助技术不仅可以提高穿刺成功率、缩短手术时间、减少患者损伤，还能够降低并发症发生率、提高手术安全性，为疼痛治疗带来更好疗效。

●机器人导航辅助高难度手术

深圳的黄先生在工地上搭建临时楼梯时，楼梯突然散架，黄先生从三米高的平台上摔下去造成骨盆骨折。

由于骨盆结构复杂，手术区域又与盆腔内脏器、神经、血管靠得很近，致残率和致畸率非常高，手术风险极大。而黄先生更担心术后能否快速康复，让他顺利返回工作岗位。

生命体征平稳后第一时间，南方科技大学第三附属医院骨科团队为他进行了O形臂+“天玑”机器人导航辅助下骨盆骨折闭合复位空心钉内固定术。

在机器人辅助下，医生为黄先生成功置入了骨盆骶髂螺钉。手术误差控制在“一根头发丝”范围内，出血量仅1毫升，手术切口不到1厘米，而且螺钉植入的手术仅用了不到30分钟。

O形臂在手术中采集到的3D影像，为医生提供了一张更加精准的3D“地图”，天玑机器人就是引导医生按照“地图”准确“行驶”的“GPS导航”，两者结合使手术更加微创、安全、精准，双剑合璧、完美配合。

智能数字技术助力医生成长

智能化、精准化、微创化是现代外科的重要发展方向。那么，医学人工智能可为医生和患者带来什么好处呢？

南方科技大学医院依托粤港澳智能与数字外科创新中心，开展科研攻关，举行了“虚拟现实临床运用”系列讲座，让临床医生掌握智能与数字技术“利器”，在临床中实现转化。如今，智能与数字技术已经在该院骨科、神经内科等多科室进行多维度运用，让多位患者从中受惠。

2019年12月，团队开创性地完成了一例混合现实（MR）导航脊柱手术。手术中采用中国电信的5G网络承载，多位医生在手术全程实现了高清互动。

手术室中，脊柱外科主任王林副教授戴着虚拟现实眼镜，带领团队进行手术，裴国献作为场外专家通过投影、5G手机、平板等多种媒介对MR导航手术进行全程指导，并和手术医生进行交流互动。手术中充分利用了5G网络高带宽、低时延、高速编码和边缘计算等技术优势，实现了MR全息立体影像的高通量计算分析和清晰度达到4K以上的云视频直播，使场外专家与手术医生能够共用MR“透视眼”，实时交互，共同为手术的高质量完成保驾护航。

2019年10月，南方科技大学医院引进O形臂辅助天玑骨科机器人医生“小玑”。O形臂可在15秒内获取手术区域的三维影像数据，图像清晰且辐射量低，相当于为天玑机器人配备了高精度的人体“北斗”定位。借助O形臂系统辅助天玑机器人实施精准手术，可将操作误差控制在1毫米以内。目前，骨科团队利用它已顺利完成O型臂辅助天玑机器人脊柱手术、O型臂辅助天玑机器人腰椎椎体后凸成形术等100余台骨科手术。

“人工智能可以为患者带来实实在在的好处。”中心副主任苏秀云说。如今，南方科技大学医院已建立了一支脊柱、骨盆、四肢“全覆盖”的专业机器人手术团队。机器人的加盟，为外科医生赋能，让手术更安全、更精准、更高效。

除此之外，中心还在医学教育、科普等方面发挥作用。在中心的培训基地，外科医生可以在跟手术室完全一样的环境下，进行手术机器人操作训练，加快了医生的学习速度，提高了学习效率。

裴国献教授认为，数字技术让手术过程变得更透明、更标准，对医生的诊疗行为起到了很好的规范作用，减少了“经验型手术”带来的隐患。标准化有效推广，将在年轻医生培养过程中发挥重要作用。

南方科技大学医院还在国内率先全职引进国际骨科团队，全面参与医院骨科建设，将开展“南方科技大学粤港澳国际医学教育学院”项目，建设“一带一路”国际骨科教育中心、国际骨科科研转化平台。在这些项目当中，中心将发挥举足轻重的作用。

数字医学的应用，不仅让医生可精准模拟手术路径，也可让患者对自身的病情“一目了然”。一直以来，术前的病情沟通和健康宣教普遍采用口头、书面宣教，受限于患者的接受程度，效果并不理想。

为此，医院骨科医学部曾云霞护理团队尝试利用混合现实技术，将患者病例影像通过高效智能化处理，并进行3D重建渲染。在宣教中，患者配戴混合现实头盔后，可立体直观地了解病情的详细状况，更容易理解治疗、护理这些临床过程，也缓解了术前焦虑。

本文刊于2021年6月2日

《健康报》“医视野·学科”版

文/图：南方科技大学医院黄贤君余园陈子亮

编辑制作：夏海波郑颖璠

审核：方彤

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