智慧科技与创新外科——智慧医疗助推头颈外科发展*

孙荣昊，李超

610041 成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 头颈肿瘤外科

进入21世纪以来，以通信技术发展为代表的新一轮科技革命正迅速地改变着人们工作与生活的方方面面。医学领域里一系列诸如数字化外科(digital surgery,DS)技术，手术机器人(surgical robot,SR)，人工智能(artificial intelligence,AI)和大数据等新技术应运而生，并迅速改变了传统的医疗手段与行为。与之伴随而来的是一系列诸如数字医学、精准医学、远程诊疗、移动医疗和健康云平台等新名词的不断涌现，深刻地影响了传统的医疗思维与模式。这些智慧科技与创新技术共同孕育了一个全新的概念——智慧医疗(smart medicine,SM)。

SM[1]是现代医学与通信技术的融合与碰撞中产生的新兴医疗技术概念，是新时期涵盖了互联网医院、物联网技术、数字医疗及精准医疗等相关技术的新概念、新名词。SM以信息化为基础，利用物联网相关技术的支持，构建起覆盖一定区域的信息化医疗网络。

头颈外科所涉及的病种繁多、局部解剖复杂、手术切除难度大、修复重建精度要求高……等技术性问题一直是头颈外科医师培养过程中和临床工作中经常面临的棘手问题。加之患者术后外形和功能保全难度大与患者自身要求和期望高形成鲜明对比，使头颈外科医师对更为精确化、个体化的治疗模式更为渴求，SM及其相关技术的初现端倪也许会为头颈外科带来革命性的改变。本文就SM在头颈外科中的应用进行综述。

1 第五代移动通信技术对头颈外科诊疗和随访模式的影响

若谈及智慧外科，首先需要重点提出第五代移动通信技术(the fifth generation mobile communication technology,5G)。5G运用了云基础架构、边缘智能服务和虚拟化网络等核心技术，实现人机高速联络，促进多种媒介的进一步融合[2]。其重点影响的是医疗模式的改变，由过去单一的医患之间面诊与直接诊疗，转变为以面对面直接诊疗为主、远程间接诊疗为辅、多种诊疗方式相结合的复合型诊疗模式(图1)。但既往受网络传输速率限制，远程诊疗在头颈外科的应用处于长期停滞的概念性阶段。5G以其高速率、大容量、低延时的特点，真正拉开了远程医疗的新篇章。

图1 四川省肿瘤医院与中国移动四川公司、北京连心医疗科技公司共同研发的“四川省肿瘤医院5G云放疗系统”

通过搭建5G远程会诊平台，可以将大型医院头颈外科、基层医院相关科室以及头颈肿瘤患者三方之间联动起来，进行实时会诊，实现头颈外科疑难病例远程诊断。通过5G网络实时传输高清画面，头颈外科专家可以对基层医院的医生进行远程手术指导，甚至直接远程操控手术器械，实施基层医院本不能独立完成的头颈外科复杂手术。使优质医疗资源得到最大化的利用，且精湛的医疗技术能够真正下沉。通过远程医疗网络、平台、硬件设备的一体化建设，开启远程会议与教学，通过线上直播，实现基层医生与头颈外科专家同台交流学习。依托5G和AI，推进远程诊断、远程监护、远程手术、远程教学等能力的下沉和基层SM能力的提升。

除对诊疗模式产生影响外，5G还可改进术后随访模式，实现医生对特定随访患者的健康管理。通过对头颈外科术后患者投放配备有自助监测终端的穿戴设备，借助可穿戴设备构成的物联网，头颈外科医生可实时采集术后患者数据，监测患者身体状况，实施线上监测和管理，并根据远程随访数据为患者作出最适合的随诊建议和诊疗服务。真正实现“全天候健康监测、全过程异常报警、全时段远程诊断”的术后随访服务[3]。尤其减轻了需密切随访的头颈肿瘤患者的时间和经济负担，随访从过去的线下面诊改为如今的网上会诊，所有咨询、复诊以及药品配送都在线上完成。

2 DS技术在头颈外科领域的应用价值

DS技术是将三维重建、计算机辅助设计(computer-aided design, CAD)，计算机辅助制造(computer-aided made, CAM)、图像引导的手术导航、虚拟现实技术(virtual reality, VR)，增强现实技术(augmented reality, AR)，混合现实技术(mixed reality, MR)[4-6]等多种先进数字化技术与传统外科学相融合的交叉学科，是基于信息技术不断发展进步的背景下诞生的一种新型技术手段。随着近年来的高速发展，许多研究[7-9]已经证明上述技术的运用可以有效辅助头颈部肿瘤手术切除后的修复重建。

基于三维重建后的数字信息通过CAD/CAM技术不仅能提供头颈部可视化立体结构，真实清晰地再现病灶部位和周围三维解剖结构及相互关系，辅助头颈外科医师进行头颈部手术治疗方案的术前设计，为患者制定个性化的手术方案和修复策略；同时充分利用3D打印技术，快速、准确地制作复杂的解剖头颈部实物模型，从而提升导航/导板辅助手术的精度，提高颌面部修复的准确性，增强操作精度，节省手术时间，提升手术疗效等(图2)。因而其在头颈肿瘤外科的应用具有巨大潜在价值。充分发挥精准外科循证化、定量化、可视化、可控化的特点，将三维重建图像与3D打印模型相结合向患者沟通，有利于患方对手术方案的理解，可以有效提高患者的术后满意度。

图2 利用数字化设计、辅助结合3D打印技术精准修复下颌骨肉瘤术后颌骨节段性缺损(右图为术后一年形态照片)

尤其针对颌面部骨性组织缺损的病例，CAD/CAM技术的临床应用价值更大，首先在打印好的骨骼模型上定位肿瘤，能够在三维空间上确定截骨范围、截骨标志点和标志线，最终确定骨性组织切除的安全边界。其次利用镜像技术采集正常侧颌骨数据，以翻转、模拟匹配的方法对病灶区域进行设计。建立镜像模型可对重建钛板塑形和预设最佳钛钉固定位置，术中再以塑形后钛板为模板进行精确游离骨瓣塑形，并引导游离骨瓣准确植入和固定。不仅能显著缩短手术时间，而且重建颌骨的形态更自然，术后患者面形更完美。另外，通过保持髁突三维空间位置，进一步改善术后颞下颌关节功能，从而显著提高颌骨的重建效果。最后，随着材料科学的发展，直接采用无降解性和生物相容性高的材料进行重要组织结构的精确成型，实现从传统的自体组织修复向人工假体精确修复的转变也指日可待，个体化的功能喉、人工耳廓以及定制鼻假体等将会逐渐走进临床[6]。

随着DS技术的迅速发展，近年来VR、AR以及MR技术也相继用于头颈外科手术。之前我科率先在手术前应用VR技术进行评估与模拟，获得一定效果[10-11]。最近我们在重建手术中增加应用MR技术，在手上中利用导航技术将患者的虚拟病变和解剖模型匹配定位在手术区域，通过特制的MR眼镜在手术中对术区进行观察，并在图像引导下实时操作手术，应用MR技术可以使外科医生在手术过程中随着手术进程对重要的结构进行实时精准定位，保证手术安全进行，并且这种实时定位不以患者术中体位的移动而改变(图3)。经过我们的探索发现，这类技术的主要优势在于：1)这些新型成像技术可以提供沉浸式的用户体验，将涉及软组织的一些重要解剖结果和受累情况更直观地呈现给手术医师；2)不依赖医生的主观印象，避免因视觉漏洞造成的手术风险；3)能将术前规划的截骨角度和截骨线体现在手术中。

除此之外，更多的新兴技术被用于头颈肿瘤精确修复与个性化重建。手术导航技术是另一种将虚拟设计转化为手术实际的有效途径。其优势在于，可以在立体空间上进行不间断的实时准确指导，为手术医生在术中根据具体情况进行实时调整创造了条件[12]。三维测量与评价技术能对重建前后的情况进行三维定向匹配并进行重建误差分析。通过对主要标志性位点和理想解剖角度、弧度差异的比较，对手术重建后头颈部的形态与功能进行精确评估[13]。

3 医工结合创新发展头颈外科SR和多功能手术器械

在受技术革新驱动的时代，机器人辅助手术已逐渐成为一种超越传统腔镜的革命性手术方法[14]。SR能够提供清晰的视觉反馈和准确的触觉反馈，并可以根据术前的数字化模拟和定位，使之与术中的操作相匹配。机器人的手术直接指导，近年已被用于多种头颈手术治疗中，并取得了良好的治疗效果[15]。常见的SR系统有达芬奇机器人、MAKO机器人、TiRobot机器人、TORS系统等。最具代表性的机器人外科手术平台要属达芬奇SR(图4)，它已经发展了数代产品。其结构主要包括外科医生可操作的控制台、手术实施的机械臂系统(有的机械臂系统和操作间构成一体化的手术室)以及用于成像的手术视频反馈系统，它不仅弥补了现有腔镜手术操作器械简单、不灵活等诸多劣势，还具备很多开放手术都无可比拟的优点，譬如：机械臂工作的静态稳定更高，不会产生疲劳，且拥有七个自由度，尖端的旋转甚至能够达到720度这种人手无法实现的维度，使得一些手术操作更能够在一个相对较小的解剖空间内一体化完成，并且更精确、更灵活。另外，高清的4K立体成像效果可放大10至15倍之多，为操作医师提供一个身临其境的操作环境。

图4 四川省肿瘤医院第四代达芬奇机器人手术(达芬奇XI手术系统)通过医院智慧外科数字化手术室系统，实时进行多地实时远程互动交流和学习

正因其具备这些优势，针对一些复杂的头颈外科手术或解剖位置特殊的部位，SR能够发挥常规开放手术无法比拟的可及性和微创性。有学者对机器人手术经口入路治疗口咽癌的安全性及有效性进行初步探讨，认为在掌握好适应证的前提下，该方式安全、有效、损伤小[16]；对于美观要求较高的患者，机器人手术能够实现常规切口的隐藏，有学者对部分经选择的甲状腺肿瘤患者尝试经耳后机器人手术切除，结果显示是可行的，证明其是颈外入路甲状腺手术的选择之一[17]；更有学者对比机器人手术系统和传统开放手术，认为前者治疗良性甲状腺结节安全可行，具有侵入性低、吞咽功能及美容效果好等优势[18]；近年来有研究报道了SR辅助游离腓骨瓣修复下颌骨缺损的模型与动物实验[19]；并有学者运用导航机器人系统对下颌骨进行精确截骨[20]；实验结果显示，运用SR之后的修复精确性明显优于传统手术，证实了SR在下颌骨重建手术中的应用价值与优势。

另外，处于对微创外科和精准外科的不懈追求，多功能SR机械臂也在不断创新和改良。有团队设计出一款模拟人手，是由旋转柔性关节控制的手术臂。手术臂的一端配备医用手术刀，另一端连接至直流伺服电机。手术臂的运动由新设计的非整数顺序控制器控制，已通过体外组织实验证明了其热力消融切割功能，相信不久便能应用于临床[21]。

4 AI在头颈外科学领域的应用

AI技术是以大数据为基础，通过硬编码使计算机能从大数据中学习，对新数据进行预测和处理。目前AI在医学领域中的诊断、治疗及随访等方面已有相关研究和应用。其中模拟人类大脑处理信息的模式的深度神经网络是最新一代AI技术的代表，数据在输入端中被分组处理，进而在隐藏层中通过梯度下降法、反向传播算法等方式获得需要的结果。随着计算机算法模型的改进，AI已经具备深度学习的能力，并且对于一些客观数据的学习、分析和处理能力尤为突出，故AI最早也较多应用于诸如影像评估、病理分析等相关领域，AI在头颈外科的应用和研究目前也集中在与辅助诊疗活动相关的领域。

而在头颈外科领域，AI亦全面应用于头颈肿瘤的诊治和发病机制等研究。首先，在诊断方面，AI在头颈部恶性肿瘤分期、性质判断和鉴别诊断等方面的应用最为普遍，结合彩超、CT、MRI以及PET等影像学检查所获得的海量数据进行加工，对肿瘤的性质进行非侵袭性诊断和精确临床分期，同时通过智能化图像处理与分析，与类似疾病相鉴别[22]。对于术前颈部淋巴结的状态评估，AI也蕴藏着巨大的潜力。AI预测和术前评估甲状腺癌和头颈部鳞状细胞癌的淋巴结转移状态，能够辅助头颈外科医生制订更为合理的手术方案[23]。另外，在判断甲状腺结节性质方面，AI与经验丰富的超声科医师相比，在鉴别甲状腺癌方面显现出相似的敏感性和更高的特异性，并在细化组织病理学亚型方面具有独到优势。当然，即便在甲状腺癌死亡和复发风险评估中，AI评估体系通过整合临床病理和基因等数据可对预后进行精准化评估，但总体来看目前甲状腺预后AI模型仍处于探索阶段[24]。对于以放射治疗为主的疾病，例如鼻咽癌的治疗，精确的靶区勾画是重点。为了能够在最大限度杀伤肿瘤的同时保护正常组织，放疗医师过去常常需要在计算机前进行长时间的靶区勾画，以获得合理的靶区；如今随着AI技术的进步，已有较多学者利用AI技术对靶区勾画进行辅助，医师只用在AI初步勾画好的靶区上进一步修改即可，大大节省了放疗医师的工作量，且研究结果均认为AI能够有效辅助靶区的精准勾画[25]。游离组织皮瓣修复术是头颈肿瘤切除后对缺损进行修复的重要手段，有学者以单一机构的数据作为参考，通过AI机器学习算法有效预测游离组织瓣移植修复后的并发症和影响因素[26]。

然而也须承认，目前AI在头颈外科的应用还非常有限，仍有巨大的潜力可待挖掘，目前限制AI在本领域应用的原因主要有：1)技术上，算法存在局限性，无法准确处理复杂数据集和异源变量；2)观念上，临床医生更愿意相信自己的经验而排斥AI的判断；3)患者隐私数据保护不力；4)临床医师和AI技术人员缺乏有效的跨专业沟通；5)原始数据质量不高。

5 SM在头颈外科应用的展望与思考

科技改变生活，创新铸就未来。智慧科技在医疗领域已经渗透至诊疗的各个环节。高通量的5G通讯技术能够极大地缩短医患之间的距离，头颈部疑难病例的远程会诊已实现，这使优质医疗资源能够得到最大化的利用，有效解决目前国内重大疾病“看病难”的问题。同时以5G技术作为支撑，随着DS技术的不断发展与完善和机器人手术系统的进一步升级，开展远程头颈外科手术指日可待。也许未来的某一天，头颈外科医生能够不进手术室，在异地或办公室里就能远程操控机器人实施手术，并且通过数字化实现沉浸式的真实体验。同时，AI的深度学习方法将不仅仅是一个单一的神经网络，而是一个融合了决策支持、网络可解释性、网络优化和终身学习算法的混合框架，将结合多种深层神经网络以实现更加准确、快速的分割，提高临床诊断能力。着眼长远，通过AI我们能够建立起一套能够实现快速诊治决策、疾病转归预测等目的的系统，这将大大降低相关科室临床医师的工作量，有理由相信在不久的将来，在影像和病理诊断等相关临床任务中，可以看到越来越多AI的身影。

不难看出，SM所涉及的技术革新，其本质是提高了医疗过程中生产力，而生产力的改变必将推动医学领域里的生产关系发生新的革命性变化。我们正站在历史的机遇期，而近10年我国在SM的研发、应用、推广与合作方面与发达国家相比还有明显差距[27]，因此国内头颈外科的同道们应学会合理借鉴，把握前沿与热点，结合自身特点与头颈外科疾病治疗方面的优势，充分利用好多种SM技术，使我国头颈外科的发展进入“快车道”。

当然，尽管SM技术日新月异，潜能巨大。但并不等同于我们可以放弃传统的医疗方式。传统的触诊和叩诊，基本的手术操作技巧，以及医患之间的情感沟通等是SM技术所不能取代的。作为头颈外科医生，应该充分认识这些利弊，不能让训练出来的机器来接管自己的判断和决策。我们需要培养必备的临床思维能力和手术操作基本功，以基本诊疗操作为主，SM技术为辅，提高临床工作的准确性和效率，切实为我国罹患头颈部疾病的同胞牟利。