数字技术让医生拥有“透视眼”!开刀前就先把手术过程模拟出来

受访专家:

方驰华,南方医科大学珠江医院肝胆一科主任,中华医学会数字医学分会主任委员。

南方医科大学珠江医院肝胆一科方驰华教授数字医学团队采用3D打印技术成功打印巨大复杂肝癌患者的肝脏仿真立体模型。南方医科大学珠江医院供图

3D打印、虚拟手术仿真、吲哚菁绿分子荧光影像技术,这些由计算机技术与医学结合而形成的数字医学技术,让医生和患者对疾病的认识更为深入,让复杂手术更加精准安全,也让更多的医学奇迹在现实中不断上演。

2002年,已从事肝胆胰外科工作多年的方驰华,师从著名临床解剖学家、数字人研究倡导者钟世镇院士,在钟院士的指导下在我国率先开展了“肝脏管道系统数字化及虚拟肝脏的研究”,一做就是16年。

16年里,我国具有自主知识产权的腹部医学图像三维可视化系统(软件著作权105977)和虚拟手术器械仿真系统(软件著作权105978)相继问世,这些数字医学的新技术就像让医生拥有了“透视眼”,让他们在CT看到脏器的基础上,看得更真更清更准。

如今,作为中华医学会数字医学主任委员,南方医科大学珠江医院肝胆一科主任方驰华,每天都在各种复杂肝胆手术中间穿梭,然而被问到当初为何从医时,他的回答却颇具传奇色彩。

1975年的湖北汉川,还在上高中的方驰华带着同学们正在进行一场篮球比赛,少年意气风发,殊不知一场危机正向他袭来。比赛最后以胜利结束,当时方驰华也并没有受伤。可是第二天,他却发现自己的右腿动不了了,被送到医院进行检查,医生依据X光片显示,判断是“骨肉瘤。”

对于一位17岁的少年来说,这样的消息无异于晴天霹雳,在父亲的陪同下,方驰华开始了辗转求医的道路,可惜结果并没有改变。“如果不截肢,只能多活半年。”医生的审判言犹在耳,方驰华只觉得人生都没有了希望,没有了一条腿,未来在农村要如何生活,方驰华陷入了苦闷和焦虑中。

“我记得很清楚,7月份的武汉,骄阳似火,鞋子在路上走着都能被地面粘着。我爸当时都快50岁了,背着我眼泪却在眼里打转,他问我要不要治,我不认命地说我没事,我不截肢。”不认命的方驰华最终抱着试一试的想法,找到了父亲的一个旧相识,在那位乡村医生的救治下,方驰华看着医生用酒精消毒后的刀片,配合蘸了白酒的火罐,一划一吸,将自己腿上的瘀血散掉。放血后再辅以中药调理,方驰华最终恢复了健康,并完成了学业。

2002年,方驰华师从我国著名临床解剖学家、数字人研究倡导者钟世镇院士,在博士研究课题上,他选择了数字虚拟人,由此,在我国率先开展了“肝脏管道系统数字化及虚拟肝脏的研究”。

“我的老师是中国数字人之父,一开始数字虚拟人是基于尸体的研究,这还不能直接应用于临床的诊断。”方驰华介绍道,而如何将它便捷地应用于外科手术中,成为了方驰华的研究方向。

从2004年起,一个多达70人,汇集了人体解剖学、医学影像学及计算机科学等多学科的团队在钟世镇院士的倡导下开始了腹部医学图像三维可视化系统的研究。

经过和华南师范大学计算机系的合作,7年后这一系统正式问世。腹部医学图像三维可视化系统利用三维重建系统,将人体的肝胆胰腺等脏器在电脑上精确地进行重建,以往CT只有一张图片,而三维可视化系统利用64排螺旋CT,在半分钟内就可以拍摄出几百张CT,将他们层层罗列,在二维的基础上创造出三维的画面,这种容积扫描的数据,跟常规的CT比起来,让人一目了然。

不仅如此,这一技术还具有医学仿真功能,肝胆胰腺组织复杂,血管众多,在这一系统上,器官可以任意的组合,甚至可以透明化。隐藏掉本来存在的器官,医生们就会发现,许多曾经误以为肿瘤压迫了血管而做不了的手术,在三维可视化系统的面前都有了可操作性,而这对于患者来说,无异于生的希望。

如果怀疑肝脏有肿瘤,“过去外科医生看病,是利用B超发现肝脏上的肿瘤,然后去查甲胎蛋白,如果甲胎蛋白过高就认为是恶性的,需要开刀做手术。普通的CT也是一张片子,医生来判断能不能手术,如果开刀后发现不行,只能放弃,这都是摸着石头过河,对医生的临床经验要求很高。”方驰华讲解道,“有了三维可视化系统,医生就不再凭借经验,而是可清楚地看到患者的肿瘤长在什么地方,能不能做手术、是不是良性等等情况可以说一目了然,对于医生来说相当于看着石头过河,看着石头过河医生更有把握,手术自然也做得更好。”

方驰华教授展示3D打印器官模型。南方医科大学珠江医院供图

33岁的小杰(化名)就是这一技术的直接受益人,正当壮年的他患上了肝癌,多家医院的诊断结果显示,肿瘤已经侵蚀了肝脏两侧的主要血管,无法再进行手术。小杰不甘心就这样认命,听说南方医科大学珠江医院有一套三维可视化系统,他辗转找到了方驰华教授,在三维可视化系统下,方驰华将小杰的肿瘤隐藏掉之后惊喜地发现,患者肝脏左侧的血管已经被破坏掉了,但是巨大的肿瘤没有破坏掉右边的血管,而仅仅只是压迫,这个手术可以做!血管和肿瘤间的这一条缝成为了小杰的“一线生机”。

“并不是说我们比其他医生医术高明很多,而是新的技术让我们对患者的病情有更清晰的认识,能帮助我们更全面地了解病情,判断能不能做手术时也更为大胆一些。”方驰华教授将这一改变类比为人们找路,以前人们出门不认识路只能问人看地图,一旦走过了、走错了就要重新来过,费时费力,而三维可视化系统就像一个导航系统,在出发前你往哪条路走,走多远都已经做好了规划,最短最优的线路已经成竹在胸,自然不需要再去走弯路。

目前腹部医学图像三维可视化系统不仅应用于肝癌、胆管癌,在被称为“癌中之王”胰腺癌中也发挥了巨大的作用。

胰腺位于人体的后腹膜,脏器的位置比较隐蔽,早期不易被发现,一旦出现了症状,肿瘤往往比较大了,而胰腺周围有很多复杂的血管,肿瘤较大破坏了周围的血管,手术肿瘤切除的机会比较小。判断能不能做手术的一个关键条件,就是肿瘤到底是压迫还是侵犯了血管。

40岁的刘勇强(化名)身体一直很好,一次单位体检被发现是胰腺癌晚期,肿瘤太大,几家医院都拒绝了手术。可是对于刘勇强自己来说,除了医生说自己患了绝症,自身并没有感受到特别不适。

“我第一次见到他时也觉得他不像一个癌症晚期的病人。”带着这样的疑问,方驰华对刘勇强进行了全面的检查,三维可视化系统显示,这位患者的肿瘤只是压迫而不是侵犯了血管,这就说明手术可以进行,而这一关键信息是其他CT和核磁共振检查都不能发现的。

随后医生们在手术前用与三维可视化系统相匹配的虚拟手术器械仿真系统做了仿真手术,在为患者开刀前做了多次演练,开刀后肿瘤怎么切,从哪儿切,哪些血管需要控制出血都有了详细而周密的计划。

手术中,方驰华利用吲哚菁绿分子荧光影像技术,用荧光标记出肿瘤的边界,将周围的大小血管一一控制,然后他看着术前三维可视化系统打印出的模型,和术中病人的真实情况做对照。结果显示,三维可视化系统打印出来的器官模型和病人的真实情况一致,手术按照原先的方案有条不紊地进行,最终这场本可能需要10多个小时的大手术,仅仅用了5个多小时就结束了,手术非常成功。

“我们的手术过程非常‘干净’”,方驰华所说的干净指的是出血少。“外科手术最怕的就是病人出血,不仅是因为现在血源紧张,更是因为对病人的伤害较大。”人体内的血液量大约是体重的7%~8%,如体重60公斤,则血液量约4200~4800毫升。如果做一场手术失血达到1000毫升,那么即使肿瘤能被成功切除,对于病人来说创伤无疑也是巨大的。

出血少,患者体内的内环境更加稳定,手术精细,肿瘤周围的血管创伤也小,患者术后恢复得也更加快。手术过程平稳,对于麻醉的要求也更低。

过去这种复杂手术患者最少要住院1个月的时间,而现在只要3~4天,患者就可以进食下地了,恢复得非常快。“科技的进步让更多的病人获益”,方驰华欣慰地说道。

从2003年,方驰华在第二届中国外科周厦门2003年学术会议上首次进行肝脏管道系统数字化及虚拟肝脏的研究的 告,到如今全国500多家单位推广应用这一技术成果,这一路浸染了许多人的努力和探索。

中国工程院院士、著名肝胆外科专家黄志强更是对这一研究给予了高度评价,他曾说“数字医学技术带来了外科3D技术的新时代,是实现转化医学的最好典范。”

而让方驰华记忆犹新的是黄院士在病榻上还关切地询问方驰华,最近在做什么新的研究。临行前他更是坚持让人扶他坐在轮椅上,将方驰华送到电梯口。“在电梯关闭瞬间我心里充满无限感激,深感自身责任重大。更没想到这是我与黄院士的最后一次见面。”方驰华动情地说。

方驰华教授手术中。南方医科大学珠江医院供图

带着前辈的重托和对病人的责任,方驰华一直创造着各种奇迹。2010年1月,南方医科大学珠江医院急诊室来了一位已经昏迷了16个小时的年轻女孩,女孩的血糖低到测不到,但做完了所有检查却都找不到病灶。“血糖低那就是胰腺出了问题,可是病人的胰腺上找不到肿瘤,那么这就可能是细胞水平的问题。”方驰华解释道,“对于外科医生来说,肿瘤不怕大,只要找到就可以想办法切掉,可是现在找不到,实在无从下手。”

讨论会开了一次又一次,手术做不做谁也定不了。做,谁也拿不出成功率高的方案,可是不做,女孩每天靠注射葡萄糖维持生命,高浓度的葡萄糖会破坏血管,不到半年血管可能会全部坏死,这无异于是在等死。

方驰华于心不忍,和女孩的父母沟通后,顶着压力答应做这场手术。术前讨论时同事问他,“你说做手术,可是你切哪里呢?”彼时方驰华的想法是,想办法把胰腺分段,分别测胰头、胰尾的胰岛素情况,判断哪里是出了问题的地方。如果这样还是找不到,那最坏的打算是整个胰腺都出了问题,只能将胰腺全部切掉。

尽管已经做好了打算,但手术中方驰华脑袋里全是问 。摒弃了传统常规的方法,方驰华用数字化微创技术把女孩的二级脾静脉解剖出来,然后插管,对胰腺的各个区域进行血液胰岛素检查。忐忑的一个半小时后,方驰华终于找到了病灶,就在胰腺体尾交界处!

“当时一测胰尾的血糖立刻升上来了,我那个高兴啊!”提起当时的情况,至今方驰华的欣喜仍然溢于言表。随后方驰华将患者的整个胰体尾切掉,胰头保留了下来,成功保留了患者胰腺的部分功能。“切完胰尾,看着血糖浓度一点一点的上升,我知道自己眼前的这一仗打赢了。”尽管血糖恢复了正常,可是女孩仍然昏迷着。

一般情况下,低血糖昏迷6个小时就是不可逆的,而此时女孩已经昏迷了46个小时。

什么时候醒?能不能醒?方驰华无法回答。“患者没醒这就不算是治好了。”尽管遗憾犹在,可作为医生能做的事儿已经都做了,女孩不用再每天注射高浓度的葡萄糖,可以回家养着了。

好在这场冒险最终有了完美的回 ,出院回家疗养4个月后女孩奇迹般苏醒,身体也逐渐康复。事后女孩被确诊为罕见的弥漫性胰岛细胞增生。

2012年,英国《经济学人》杂志刊登文章,将3D打印技术视为“第三次工业革命”的重大标志之一。“那个时候我们说肝胆外科手术慢则5年,快则两年都会用到三维可视化技术,结果不到两年就实现了。”方驰华表示,“科技的进步最终获益的都是患者。”带着为患者排忧解难的信念,方驰华始终如一,不断努力奋斗着。

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