賽納數(shù)字醫(yī)療夏神

A-

A+

三維技術(shù)，醫(yī)療3D打印，是從工科領(lǐng)域走進臨床，有效幫助醫(yī)師“重建”患者的心臟健康，其中的轉(zhuǎn)化工作是醫(yī)療和技術(shù)工作者通力合作的結(jié)果。

人物專訪：

廣東省人民醫(yī)院心血管人工智能與三維技術(shù)實驗室 莊建教授

人物小傳

莊建，醫(yī)學博士，主任醫(yī)師，教授，博士生導師，國家百千萬人才工程國家級人選，國家有突出貢獻中青年專家?，F(xiàn)任WHO心血管病研究與培訓合作中心主任，廣東省心血管中心主任，廣東省人民醫(yī)院心外科首席專家，廣東省華南結(jié)構(gòu)性心臟病重點實驗室主任，廣東省人民醫(yī)院心血管人工智能與三維技術(shù)實驗室主任。曾任華南理工大學醫(yī)學院院長，廣東省人民醫(yī)院院長，中華醫(yī)學會胸心血管外科學分會前任主任委員，廣東省醫(yī)師協(xié)會心血管外科醫(yī)師分會主任委員，亞洲心血管和胸外科學會理事，美國《The Annals of Thoracic Surgery》雜志編委，《中華胸心血管外科雜志》副總編輯。

長期從事重癥復雜先心病的外科治療和系統(tǒng)防治研究，在國內(nèi)率先開展多項新術(shù)式并成功應用于復雜先心病的外科治療，率先將3D打印、虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實等三維技術(shù)綜合應用于先心病外科輔助診療中，負責建立國內(nèi)首個省級先心病綜合防治網(wǎng)絡，領(lǐng)導臨床和科研團隊將廣東省人民醫(yī)院廣東省心血管病研究所復雜先心病外科矯治水平提高到國際先進行列。

2018年獲廣東省科技進步一等獎1項，2019年獲第十一屆宋慶齡兒科醫(yī)學獎1項，近10年主持包括“十一五”、“十二五”等10項國家和省部級科技攻關(guān)課題，共發(fā)表論文300余篇，其中以通訊或第一作者身份發(fā)表SCI論文60余篇，發(fā)表期刊包括《European Heart Journal》、《Circulation》等學科高水平期刊，獲得專利10余項，牽頭制定了我國首個胎兒心臟起聲檢查和先心病產(chǎn)前咨詢規(guī)范。

復雜先天性心臟病(先心病)具有非常強的異質(zhì)性，診治難度非常大。復雜先心病的病種數(shù)量繁多，每個大類可以分為若干個小類，而每個小類的同一個結(jié)構(gòu)的形狀走行以及不同結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系也可以完全不同，這就導致了其解剖結(jié)構(gòu)、病理生理以及血流動力學變化等比簡單先心病更為復雜。

在外科臨床診療過程中，常用的輔助診療的檢查手段包括心臟超聲、電子計算機斷層掃描(Computed tomography，CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、造影、胸片、心電圖和心導管等，它們可以顯示的信息包括直接的二維影像資料、部分重建的三維影像資料和部分直接或間接測量的血流動力學參數(shù)等，術(shù)者需要通過一定的想象力和過往的經(jīng)驗在自己的腦海里對其解剖結(jié)構(gòu)進行重建，再進一步去理解其病理生理和血流動力學變化情況，目前這些手段用于個體差異性極大的復雜先心病診治時，一方面極度考驗術(shù)者的空間想象能力、力學知識掌握能力和記憶力等，另一方面則是增加了診治過程中的主觀因素，從而增加了診治策略和效果的不確切性，也不利于定量評估分析診治策略與效果之間的關(guān)系。

廣東省人民醫(yī)院小兒心臟外科的發(fā)展起步于上個世紀八十年代，在那時，我國的先天性心臟病(先心病)治療也才正式起步。為了攻克手術(shù)難關(guān)，莊建教授做了許多嘗試一一他率先在國內(nèi)將多項新術(shù)式應用于復雜先天性心臟病外科治療，例如首創(chuàng)了“大動脈調(diào)轉(zhuǎn)室間隔留孔修補手術(shù)” 等手術(shù)方式，讓很多以前只能在漫漫等待中死去的孩子獲得新生。

經(jīng)過以莊建醫(yī)生為代表的小兒先心病外科醫(yī)生的多年努力，中國在小兒先心病外科治療領(lǐng)域也逐步與國際接軌，甚至達到國際領(lǐng)先水平。

然而，縱觀全球的先心病外科發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，雖然傳統(tǒng)的檢查手段和手術(shù)方式的熟練運用使得復雜先心病的治療效果獲得了較大提升，但是對于很多復雜病種的復雜手術(shù)，依然存在著明顯的診治難題。第一是手術(shù)難度大，很多手術(shù)只有國內(nèi)外的少數(shù)頂級專家才能夠較好地完成，面臨著難以推廣、年輕醫(yī)生學習曲線長、手術(shù)代價慘重等普遍問題。第二是治療效果仍較大的進步空間，很多復雜手術(shù)雖然能夠順利完成，但是依然不同程度地存在手術(shù)時間長、切口多或大、術(shù)后并發(fā)癥多等問題。如何針對復雜先心病的強異質(zhì)性進行個體化診療，進一步提高手術(shù)效果，降低手術(shù)難度，增加手術(shù)可推廣性，成了當今時代先心病外科的追求目標。

醫(yī)工結(jié)合，尋求突破

根據(jù)多年的臨床經(jīng)驗，莊建教授意識到，新型的影像輔助診療手段，是實現(xiàn)上述目標的關(guān)鍵。于是，2014年，莊建團隊與西安電子科技大學合作申報了國自然重點項目

《基于多模態(tài)影像融合與可視化的復雜先心病手術(shù)輔助關(guān)鍵技術(shù)研究》并獲得了資助，開始進行虛擬現(xiàn)實(Virtual reality，VR)的臨床應用研究。最終，該項目研發(fā)出多項新成果，包括可用于術(shù)前診斷和規(guī)劃的笫一代虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)；發(fā)明了一項心臟多模態(tài)影像融合的技術(shù)，獲得了相關(guān)專利《基于瓣膜對齊及概率圖的心臟CT-TEE配準方法》；研究了部分病種的血流動力學預測新方法，獲得了相關(guān)專利《由CT影像確定主動脈縮窄處壓力差的裝置與方法》。2017年初，通過資料的進一步調(diào)研，莊建教授把目光投向了3D打印技術(shù)，并馬上聯(lián)系了進行技術(shù)溝通和合作，開始積極探索3D打印技術(shù)在先天性心臟病中的應用。

經(jīng)過反復調(diào)研和溝通后，莊建教授決定從最復雜的幾種先心病開始探索，包括肺動脈閉鎖合并室間隔缺損和粗大主肺側(cè)支血管(PA/VSD/MAPCAs)、大動脈轉(zhuǎn)位和右室雙出口等。拿到了部分病例的打印模型后，莊建教授直觀地感受到了，相比于傳統(tǒng)的影像手段，這種打印模型具有可以直觀顯示的天然優(yōu)勢，在手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)師培訓、醫(yī)患溝通等方面有很大的發(fā)展?jié)摿Γ@可能可以有效地幫助我們更好地面對復雜先心病的強異質(zhì)性的問題，以PA/VSD/MAPCAs為例，3D打印模型可以直觀地顯示大血管、側(cè)支血管、氣管等關(guān)鍵部位的相互空間結(jié)構(gòu)，使得主刀醫(yī)師在開胸前就通過3D打印心臟模型探查清楚各種心血管結(jié)構(gòu)，對手術(shù)規(guī)劃、術(shù)中導航和醫(yī)師培訓都有著積極作用。 

但是，莊建教授也發(fā)現(xiàn)，想要全面且有效地實現(xiàn)3D打印的臨床應用，面臨著不少問題。第一，國內(nèi)外缺乏臨床應用規(guī)范和指南，哪些病種要用，每個病種應該怎么用等等，還需要摸索；第二，影像三維重建的時間太長，而且過于依賴經(jīng)驗豐富的影像醫(yī)生，缺乏臨床應用的高效性；第三，材料的仿真程度遠遠不夠，難以滿足手術(shù)模擬和醫(yī)師培訓的要求。其他的還有，醫(yī)療系統(tǒng)中缺乏現(xiàn)行的收費標準，欠缺既懂醫(yī)學又了解工科知識的復合型人才，等等。

搭建平臺，落地臨床

而且在實驗室成立不久，莊建教授還積極引進了混合現(xiàn)實(Mixed reality，MR)技術(shù)，至此，加上不斷迭代升級的結(jié)構(gòu)性心臟病虛擬現(xiàn)實輔助診療系統(tǒng)，實驗室具備了3D打印、虛擬現(xiàn)實和混合現(xiàn)實技術(shù)研究與服務能力。經(jīng)過快速而周密的技術(shù)整合，在2018年3月，作為一個輔助診療系統(tǒng)，正式全面地推向臨床應用。在2018年底，莊建團隊聯(lián)合成功申報了“廣東省重點研發(fā)計劃”并獲得了支持，重點研究內(nèi)容是改進打印技術(shù)和材料，大力推動3D打印的臨床應用。

落地臨床后，三維技術(shù)為臨床診療帶來了很多益處，同時，臨床應用規(guī)范也在逐步形成。第一，在實驗室搭建后的一周內(nèi)，這三種三維技術(shù)同時應用在了10例復雜先心病、心臟腫瘤的診治環(huán)節(jié)中。這些病例包括了冠狀動脈瘺、兒童左心室腫瘤等等，取得了較好的治療效果，其中最典型的病種是PA/VSDMAPCAs，針對這種病的單源化手術(shù)，在三維技術(shù)的輔助下，手術(shù)切口從過去的“正中+側(cè)胸切口”減少為單一正中切口，且手術(shù)時間得到了有效縮短。隨后，莊建團隊在很多復雜先心病上都應用了三維技術(shù)，同時，逐步擴大應用病例，除了先心病外，還應用于肥厚型心肌病、心臟大血管病變、瓣膜病變等結(jié)構(gòu)性心臟病中。 

截至2021年年底，心外科三維技術(shù)臨床應用案例已經(jīng)超過2000例。第二，積累了一定的病例應用經(jīng)驗后，通過嚴謹?shù)某杀竞怂悖贫诉m用于廣東省的三項心臟三維技術(shù)應用醫(yī)療收費標準，為臨床應用的合規(guī)性掃清了障礙，也為技術(shù)的可持續(xù)應用打下了現(xiàn)實基礎。第三，通過不斷的經(jīng)驗積累，逐步形成了對于多個病種的三維技術(shù)重建與應用基本規(guī)范，總體規(guī)范包括不同部位的顏色標準、適用的病種范圍、3D打印/虛擬混合現(xiàn)實技術(shù)的應用選擇等，針對每個病種的規(guī)范包括圖像數(shù)據(jù)要求、重建的部位選擇、打印部位的選擇與分割、不同部位打印材料選擇等。以PA/VSD/MAPCAs為例，除了形成了重建要求外，還形成了選擇性打印方案，即只打印肺動脈/側(cè)支血管、主動脈和氣管/支氣管，這同時滿足了臨床實用性和時效性，還節(jié)省了打印成本。第四，經(jīng)過長時間、多病例的臨床應用，培養(yǎng)了很多醫(yī)工結(jié)合領(lǐng)域的復合型人才，包括更懂三維技術(shù)的外科醫(yī)師，以及更懂臨床需求的工程師，推動醫(yī)、工領(lǐng)域的共同發(fā)展。

拓展研究，推廣應用

為了有效提升三維重建的時效性，自2018年起，莊建教授跟人工智能（AI）醫(yī)學圖像專家團隊開始展開深度合作，并在2019年全職引進了AI技術(shù)的青年博后人才，形成更為龐大的醫(yī)工結(jié)合研究團隊，將實驗室整合升級為“心血管人工智能與三維技術(shù)實驗室”，并相應擴大了研究范圍。其中，實驗室的重點研究工作一一先心病CT圖像的智能建模和診斷，一方面推動了AI在降噪和圖像識別的技術(shù)升級，在降低圖像噪點的同時，縮小了圖像體積，更有利于后續(xù)圖像分割。截至目前，可以基本實現(xiàn)了17種常見先心病的智能建模和診斷，其中，圖像分割的平均DICE系數(shù)達到73%，診斷正確率大約達到86%，達到了可以媲美青年心血管影像醫(yī)師水平。另一個方面，基于AI的三維技術(shù)也在對傳統(tǒng)診療模式進行改良與創(chuàng)新。例如，莊建團隊在2018年進行了一次基于AI+5G技術(shù)的胸腔鏡下房間隔缺損手術(shù)遠程指導。術(shù)前先應用降噪和重建技術(shù)對患者的CT圖像進行精準的三維重建，再利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，錄制了詳細的手術(shù)規(guī)劃視頻，包括胸腔鏡開孔位置明確，同時打印出實體模型用于實時的手術(shù)指導，最終手術(shù)圓滿成功。 

莊建團隊目前正在部署相關(guān)的AI算法到建模軟件中，代替部分人工建模，從而提升建模效率，同時也在研究如何進一步提升AI建模和診斷的準確性，為以后大規(guī)模臨床應用及推廣做準備，同時，莊建團隊還利用AI技術(shù)，建立了基于CT原始圖像和臨床參數(shù)的完全性肺靜脈異位引流術(shù)后肺靜脈梗阻的預測模型，其預測效能明顯高于普通預測模型，這是結(jié)構(gòu)性心臟病數(shù)據(jù)挖掘的全新嘗試。

AI和三維技術(shù)的可及性，是臨床應用的重要條件，也是醫(yī)工結(jié)企研究走向良性和可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。建立了實驗室以來，AI和三維技術(shù)對于廣東省人民醫(yī)院所有?？频目杉靶源蟠笤黾恿耍虼耍诵耐饪浦?，肺科、骨科、肝膽外科、整形科等其他學科的醫(yī)師也紛紛通過實驗室獲得了技術(shù)支持，積極地開展了創(chuàng)新性的臨床應用研究。

例如，肺科基于三維技術(shù)的更直觀的肺結(jié)節(jié)定位新方法，包括基于三維重建的流域分析定位法、基于3D打印的骨導板以及基于混合現(xiàn)實的透視定位，可以幫助楔形切除術(shù)精確到到亞肺段，同時減少患者術(shù)前接受的輻射量。一方面，他們同樣也在一定程度上解決了應用規(guī)范、復合型人才培養(yǎng)和收費標準制訂等問題，推動了新技術(shù)落地臨床，造福了更多的患者；另一方面，技術(shù)的有效應用和及時且充分的臨床反饋，也推動了技術(shù)的不斷發(fā)展，據(jù)了解，目前肺血管的智能重建準確率已經(jīng)達到了非常高的水平。這充分證明了新技術(shù)與臨床應用之間，是可以相互推動，良性發(fā)展的。

三維技術(shù)，從工科領(lǐng)域走進臨床，有效幫助醫(yī)師“重建”患者的心臟健康，其中的轉(zhuǎn)化工作是醫(yī)療和技術(shù)工作者通力合作的結(jié)果。未來，希望工科和醫(yī)學領(lǐng)域中都有越來越多的人才投身到醫(yī)工結(jié)合研究中，帶動更多的新技術(shù)切切實實地走進臨床，解決臨床問題，為實現(xiàn)醫(yī)療同質(zhì)化以及進一步提升治療效果做出創(chuàng)新性甚至是革命性的改變，為中國和全球的健康事業(yè)做出更大的貢獻。