数字化技术在临床诊断与治疗中的应用*

孙从雨，宋艺萱，蔡晨需，张勤河△

(1.山东大学机械工程学院，济南 250061；2.山东大学机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室 机械工程国家级实验教学示范中心，济南 250061)

1 引 言

近年来，国内各大医院都在积极推进数字信息化建设，主要体现在医疗工作逐步结合先进的网络和数字技术，将患者的各类信息同医院管理有效地整合起来，进行各种医疗信息的数字化收集、存储、传输及整合分析[1]，使医院的各类业务流程得到优化，提高信息资源的综合利用能力。将数字化医疗技术广泛应用于医疗机构，可以提高医院的医疗服务水平，实现医院的科学管理。

本文基于数字化技术在临床诊疗方面的应用，对其在临床诊断、术前规划、术中导航以及术后评估等方面进行分析阐述。

2 数字化技术在临床诊断中的应用

在诊疗过程中，医生不但要检查患者的病征，还要对发病的机制进行分类鉴别，并以此制定治疗方案。目前，临床诊断方式主要包括经验医学诊断和实验医学诊断两类。随着时代发展，二者渐呈相互融合借鉴，协调发展的趋势，均向着数字化的方向迈进。

2.1 经验医学诊断

中医与西医不同，在其诊断发展过程中没有完成从经验医学到实验医学的转变，现代中医的诊疗方法仍以经验为主。中医的经验特性给其数字化过程带来了严峻的挑战，然而矩阵分析方法以及模糊数学方法的应用使计算机数理模型适应中医的非线性特征成为可能[2]。对于中医的数字化来说，较为容易实现的方向是中医文献的数字化管理[3-5]和数字化教学[6-7]。在诊断过程中，中医强调“望、闻、问、切”四诊合参的辨证施治[8]，在这四诊所包含的诊断方式之中，舌诊和脉诊数字化是相对比较容易实现，且又非常重要的技术。

在舌诊方面，李敏[9]选择II型糖尿病气阴两虚兼血疲证作为诊断对象，运用数字化的方法进行了舌体分割、苔质分离、舌象特征提取与识别等工作，实现了通过量化指标对舌色进行分析研究的目的，见图1。谢晟洁等[10]利用其自行研制的DKF-Ⅱ型中医舌、面诊数字化检测仪采集了大量糖尿病患者的图像信息，探索了舌、面诊参数对糖尿病发病机理的影响。

图1 舌象特征提取与识别框架图

作为中医四诊的诊断方式之一，脉诊的客观化研究是消除医生诊断差异性，提高诊断可靠性的重要途径。孙中傲等[11]设计了一种基于单片机和互联网技术的脉象测量仪，为临床诊断以及科研教学等提供了可靠的客观指标。除脉诊信息的数字化提取之外，脉诊的可视化、网络化[12]研究也是目前研究的热点问题。

除上述两种诊断方式外，一些学者也开展了目诊的数字化研究，其主要是对患者眼睛的色泽、形态以及白睛脉络等特征信息进行提取，通过图像处理和比对得到“望目辩症”的数字化诊疗方法[13]。单一的诊疗方法无法全面了解患者的病征，将四种诊疗方法结合起来进行疾病诊断仍是中医数字化诊疗的关键。目前四诊合参的数字化方法也取得了长足的进步[14-15],其研究方向涉及肝癌、肾病、糖尿病以及神经系统等方面疾病的诊疗，具有广阔的发展前景。

经验诊断在西医与中医的诊断方法类似，是根据已有的经验以及患者的临床症状对病情进行初断。相比中医，西医的诊断方法更为直观，是将患者具体的临床症状与患者的体检资料结合起来，再根据病征或病因总结概括所观察的临床表征[16]。随着现代科学的发展，西医的诊断手段也日趋丰富，CT断层扫描[17-18]、核磁共振[19-20]以及超声波[21-23]等技术的应用显著提高了临床诊断的准确度。

通过对数字影像进行分析[24-26]可以得到正常组织与非正常组织之间的区别，根据其规律进行数字化的智能诊断可快速地确诊疾病。沈宇清等[27]比较了不同的阈值分割方法对CT数字化牙模型重建精度的影响，证明了可以通过阈值对CT图像中的不同组织进行分割。唐仲平等[28]分析比较了数字化阅片与显微镜诊断在临床诊断中的诊断效果，结果表明，数字化阅片方法具有更高的可重复性和正确率，进一步验证了数字化诊疗的可靠性。

2.2 实验医学诊断

实验诊断学是一门从基础医学学习进入到临床医学学习的过渡课程，它可以为临床提供数据或结果[29]。运用实验的方法对疾病进行诊断，结合了生物医学基础知识以及临床需求，其本身就是运用数据的方式表征患者各方面的体征参数，因此，在临床诊断中实验医学诊断最容易实现数字化，并被广泛应用。

现代实验医学诊断主要是提取患者的血液、组织以及分泌物等样本，分析相应的细胞特性、核酸种类和生物标志物(病毒、抗体等)的数字特征，从而为疾病的确诊提供支持。在早期的医学实验中，多运用细胞计数板、测试试纸等方式，不仅操作复杂，而且易受不确定因素影响，很难得到准确数值。近年来，全自动血液分析仪与核酸定量化等技术的应用，使得检测过程更为直观和准确。由于生物标志物在肿瘤、肝炎以及肾病等[30]多种疾病的诊断中具有显著的特异性作用，基于此，实验医学诊断可以准确地诊断出疾病的类型。目前临床上常见的肿瘤标志物见表1。

表1 临床上常见的肿瘤标志物

目前利用生物标志物的检测并非只停留在试纸以及抗原-抗体检测方面，更多的是通过各种物理化学方法结合计算机信息技术，将生物标志物定量地表达出来。Amouzadeh等[31]制备了一种可靠的生物传感器，该传感器用来检测阿尔兹海默氏病的生物标志物Aβ寡聚体，可通过电荷耦合检测器检测到的光强度来确定Aβ寡聚体的含量，Aβ寡聚体含量在0.5～50 μg·mL-1范围内响应良好。程华等[32]研发了GPC3 (磷脂酰肌醇蛋白聚糖3)和AFP酶联免疫(ELISA)检测试剂盒和胶体金试纸条，同时研发了配套的胶体金免疫层析试纸条定量分析仪，物化方法结合数字化设备的分析手段，实现了在有限时间及条件下快速检测定型肝癌，创造了巨大的经济效益。

3 临床手术治疗

在传统临床治疗特别是手术过程中，执刀医生的经验对于治疗效果有着决定性的影响。但是只根据术前有限的诊断信息，无法实现对整个手术过程的把控，且疾病的发生原因具有很高的不确定性，很难根据以往的经验应对各种病征。而数字化技术为解决上述问题提供了良好的思路。总体来说，目前数字化技术在临床治疗中的应用，贯穿了手术的术前规划、术中导航以及术后评估三个过程。因此，数字化技术应用于手术过程，对提高手术成功率，减轻患者痛苦具有重要意义。

3.1 术前规划

术前规划是手术前利用诊断的信息如CT影像等对患病部位进行分析处理，包括三维重建模、生成手术导板等。通过三维方式，医生可以更直观地了解分析病灶，为下一步的实际操作提供经验，提高手术成功率。

利用CT图像进行患病部位三维的重建，并在此基础上模拟规划手术过程，是术前规划的重要内容。对手术过程进行虚拟的模拟，评估手术风险，有利于后续手术操作更可靠有效地进行。目前该方法在骨科手术、口腔修复的术前规划等方面均有应用。

骨骼的力学性能和微观结构相对于其他人体组织有明显的差异[33]，其数字化参数与其它器官明显不同，可较为容易地将其分割出来，并且手术过程中骨骼的形状不会发生明显改变，因此，骨科手术的术前规划具有很高的可行性。在术前规划过程中，需要先基于断层扫描图像利用数字化软件如张涛[34]等对患处进行重新建模，再以此为基础进行手术设计。Massé等[35]利用标准的X射线图像创建三维数字骨模型，能够有效地预测植入物的大小，提高手术效率和植入精度。Santis等[36]使用定制数字化钛网在水平、垂直或组合缺陷中进行引导骨再生，减少了常见的并发症。李兴军[37]选取了60例踝关节骨折患者，并对这些患者的踝关节进行CT扫描，在软件中进行重建模后打印了一比一的实体模型。通过对比各项指标，证明了3D数字化技术能够大大缩短住院时间，降低失败风险，提高临床治疗效果。除了模拟手术过程，数字化技术还可以用来对骨骼缺损部位进行修复，刘畅等[38]依据受损骨骼的CT图像得到三维模型，基于三维模型进行模型配准和计算缺失部分，该方法依据已有的匹配模型得到受损骨的缺失部分，并生成可打印的模型，对于以后临床中骨骼的修复与替换具有重要意义。

手术导板技术主要利用三维重建模型对手术过程中骨与其他组织的相互空间距离、成角关系、方向和深度精准定位，在骨科手术中起到良好的辅助作用，实现了手术过程从影像学平面图形向立体三维实体的实质性进展,为骨科学提供了一种个性化、精准化治疗的新方法[39]。目前手术导板技术的研究主要集中在口腔种植与修复方面(见图2)，对比常用的种植术，借助数字化导板种植可以精准地按照手术前规划的位置植入种植体。相应的计算机辅助种植允许不翻瓣手术，降低了患者术后发病几率和出血风险。通过增加可预测性，能有效地降低手术过程中对患者身体的损伤。使用计算机规划和数字化导板确定无牙上颌植入物的临床相关准确性时，导板在内侧和颊侧方向的植入误差显著减少。Marinho等[40]研究的不翻瓣种植术在数字化导板辅助下，不仅能够满足患者临床需求，还能减少患者术后短期内的疼痛，提高了患者的就诊满意度。武玉鹏等[41]选取了40例牙列缺损患者分组手术，对比了数字化静态导板和数字化动态导板辅助种植手术对手术精准度的差异。数字化导板辅助的种植手术不仅提高了治疗过程中的可预测性，保证了种植成功率，还取得了更好的美学效果。关于种植体存活，传统种植术和数字化导板辅助的种植术均能达到较高的存活率[42]。

图2 种植牙导板

3.2 术中导航

手术中的导航系统使用三维测量传感装置跟踪定位患者器官、手术器械或植入假体，结合患者的医学影像信息与术中的实际位置数据，引导手术工具到达患病区域，完成相应的手术动作[43]。手术导航由于定位原理不同可分为：基于内窥镜(见图3)系统的导航[44]、基于电磁定位的导航[45]和基于光学定位的导航三种方法。

图3 医疗内窥镜

基于内窥镜的导航技术是以医疗内窥镜为基础，通过实时图像匹配[46]或标定内窥镜端部[47]等方式实时确定内窥镜的位置，以二维或三维的方式为医生下一步操作提供参考。在策略研究方面，Jheng等[48]研究了一种基于机器学习的结肠内窥镜图像的识别与分类算法，该算法基于CAD和AI技术准确的检测和描述了结肠息肉的特点，确定了多个结肠疾病，证明了人工智能分类的方法可以应用到内窥镜导航技术。马智玉等[49]将内窥镜联合影像导航技术运用到视神经减压手术中，该技术的运用显著降低了手术难度，出血量低，且术后视力恢复良好。

基于电磁定位的导航技术利用电脑控制磁场空间的分布,记录空间内磁珠的运动轨迹，从而达到确定手术器械等目标物空间位置的目的。磁导航外科手术可以产生较小的手术切口、患者在手术过程中出血量少、术后并发症发生的概率低以及手术精准度较高。Amin等[50]及Kilian等[51]分别提出了使用磁导航定位系统引导手术机器人完成手术，但电磁定位的定位精度容易受到金属材料的影响，导致追踪和导航的精度明显降低。因此，电磁导航在现实使用过程中需要对手术室进行无磁化处理。目前该条件实施困难，所以该方法的现实应用仍然需要持续探索。

光学导航技术(见图4)针对患病区域进行基准定位，通过获取基准坐标并实时采集手术工具的坐标，建立一个可以追踪的手术范围。将手术范围与手术图像的标记结合起来追踪和导航手术工具的坐标移动。

图4 光学导航技术

目前，光学导航技术的发展相对完善，并且已经应用于临床治疗。Chung等[52]开发了一种用于脊柱融合的手术导航机器人系统，该系统由机器人、手术规划系统以及光学跟踪系统组成。牛锦东等[53]以光学导航为基础，结合并联机构学理论，设计了一种手术机器人的快速标定技术。光学导航系统在手术过程中极易出现信号遮挡的问题，赵鹏[54]开发了一种光学定位和惯性定位相结合定位方法，该团队设计的组合定位方法能够在定位光束短时间遮挡时，对缺失的定位信息进行补偿，基本满足了临床导航所需的技术要求。

3.3 术后评估

临床手术的完成并不代表整个治疗过程的结束，无论采用何种手术方式，最终结果都需要更加成熟可靠的手段进行验证。多数情况下，一次手术并不能完全可靠地治愈疾病，了解分析当次手术的效果可以为下次手术方案的制定提供支持，因此，对手术效果的评估很有必要。

术后评估并非只依靠单一的指标，除了对术后能够恢复的功能进行测试外，还需运用其他手段对相应组织器官进行客观评价。客观化评价的过程与临床诊疗相似，其运用CT断层扫描和核磁共振等方式对患病部位进行再次扫描[55]，以分析手术效果。对病灶进行扫描时，不但要观察术后脏器的结构，对于某些病症还要测量特定元素的含量以及周围血管的形态等，是对手术效果的综合考量。钟小梅等[56]运用心脏磁共振(CMR)方法对全腔静脉-肺动脉直接连接手术(DCPC)进行了综合的评估，考量参数包括吻合口是否通畅、吻合口面积、各动静脉的血流量，同时考虑了体表面积和年龄等因素，可满足患者先天性心脏病术后综合评估要求。在功能性测试方面，有许多综合测试系统能够对组织器官术后的功能性进行比较全面的评价，如用于视觉测量的客观视觉质量分析系统，已被用于测试角膜手术[57]、人工晶状体植入术[58]以及甲状腺相关性眼病的术后视觉质量评估中[59]，能够较为全面地对眼科手术效果进行定量评价。

与诊断过程不同，手术过程中可能会在体内植入人造组织器官，这些人造组织器官的材料与人体自身器官性能会有差异，反映在相应的图像上会有伪影等异常现象，这对于术后模型的重建是不利的。吴雯丽等[60]对人工关节置换术后的若干例患者进行研究分析，分别用FBP与T-smart两种方法对置换关节进行重建，对比分析得出T-smart技术在DTS图像中去除伪影具有重要意义。除上述研究以外，去除CT中金属伪影的方法还包括能谱成像技术[61]和单能量成像技术[62-63]等，这些技术对于带有金属植入物的术后评测都具有重要的参考价值。

4 结论

数字化技术除了上述临床中的应用外，在医院的其他方面也有很多的应用，如数字化档案[64]、数字化手术室[65]、远程医疗与教学[66]等。数字化技术的应用不但提高了临床诊断的准确性与治疗的成功率，还使得医院的运行更加高效安全。在未来医院，医疗设备数字化、微型化[67]，医院管理网络化、信息化[68]，医疗服务个体化、精准化[69]将成为基本特征。

数字化技术的应用不仅能让人们更方便地了解自己的健康状态，同时也积累了大量的健康数据。随着大数据时代的到来，智能手机与可穿戴式传感器的配合使用，可以让人们时刻监视自己的健康数据。数字医学平台可以多种方式对患有各类疾病的患者制定个性化的健康方案，为医生临床诊断与治疗提供经验数据。相信随着数字化技术与现代医学的进一步融合，患者的就诊流程将更简单，医生诊断准确率将大幅提高，医疗设备与医疗专家的资源共享将更加便携，数字化技术将在未来医疗中发挥更大的作用。