数字化时代的可视化医学_智...的新发展与真实世界的新希望_杨军.pdf

书书书DOI:103969/j issn1672-7770 2023 02001述评人工智能数字化时代的可视化医学:智能神经外科的新发展与真实世界的新希望杨军，杨辰龙杨军，二级教授、主任医师、博士生导师。北京大学临床科学家、王忠诚医学成就奖获得者，国家重点专科负责人。师从于我国神经外科创始人王忠诚院士，美国凤凰城 BNI 和德国汉诺威 INI 等世界神经外科中心访问学者。北京大学医学部精准神经外科与肿瘤研究中心主任、北京大学第三医院神经外科主任、北京市兼全国神经外科住院医师规范培训基地(北京大学)主任、中国老年医学学会神经外科分会会长，中关村肿瘤微创治疗产业技术创新战略联盟头颈外科委员会候任主任委员、中华医学会北京神经外科分会副主任委员兼智能神经外科开发与应用学组组长、中国装备协会神经外科分会副会长。发表论著近 200 篇，SCI 收录 30 余篇。主编及参编著作13 部，主持及参与专利技术开发10 余项。主持国家自然科学基金3 项及其它各级课题20 余项。获北京医学科技二等奖等各级科技奖12 项。【摘要】现代医学经历了循证医学、转化医学、精准医学时代的发展，已经取得了诸多革命性突破，在不断优化疾病预防、早期诊断、合理治疗和预后判断的基础上，更是不断地深化疾病的精准分型分期，但较多研究成果的临床转化在真实世界中的应用却未达到预期效果。随着数字化医学技术的快速发展，智能可视化技术为神经外科提供了所见即所得、有图有真相的新手段，也成为改善真实世界中患者临床预后的重要突破口。本文重点评述了数字化时代可视化医学的发展及其对神经外科发展的历史性意义，尤其指出未来智能神经外科发展中可视化技术的发展趋势。【关键词】数字化医学;可视化;神经外科;智能技术;发展趋势【中图分类号】R651【文献标志码】A【文章编号】1672-7770(2023)02-0121-04Visualized medicine in the digital era:new development of intelligent neurosurgery and newhope for the real world YANG Jun，YANG Chen-longDepartment of Neurosurgery，PekingUniversity Third Hospital，Beijing 100191，ChinaAbstract:Modern medicine has experienced the development stages of evidence-basedmedicine，translational medicine and precision medicine，and has made many revolutionarybreakthroughs Except for the optimization of disease prevention，early diagnosis，appropriatetreatment and prognostic prediction，accurate classification and staging of diseases have beenachieved However，applications of clinical transformation from basic research have not reached theexpected efficacyWith the rapid development of digital medicine，intelligent visualizationtechnology provides a new intuitional method for neurosurgery，and also becomes an importantbreakthrough to improve the clinical prognosis of patients in the real world Herein，we focus on thedevelopment of visualization medicine in the digital era and discuss its historical significance to thedevelopment of neurosurgery，especially the trends of visualization technology in the development ofintelligent neurosurgery in the futureKey words:Digital medicine;Visualization;Neurosurgery;Intelligent technology;Developmenttrend基金项目:国家自然科学基金项目(82272675，82072774，81901202);北京市自然科学基金项目(7222217);首都卫生发展科研专项(2022440918);北京大学第三医院临床重点项目(BYSY2018060，BYSYZD2021023);海淀创新转化专项科创研发(HDCXZHKC2022215)作者单位:100191 北京，北京大学第三医院神经外科，北京大学医学部精准神经外科与肿瘤研究中心121临床神经外科杂志 2023 年第 20 卷第 2 期20 世纪末，加拿大皇家科学院院士、流行病学和统计学家戈登盖亚特(Gordon Henry Guyatt)教授在 JAMA 杂志上首次提出“循证医学”概念1，标志着临床医学成为依赖大量临床证据不断优化疾病的预防、早期诊断、合理治疗及预后判断的实证科学。循证医学虽然推动了医学的重大发展，但它仅仅为临床医师提供了总结实践经验、科学求证、谨慎用证的方法学，却也同时暴露了新的医学发展瓶颈:一是立足于既有实践方法的证据积累，如何实现医学的守正创新，探索新的颠覆性技术手段;二是面对急剧增加的大数据流，如何去伪存真、去粗存精，挖掘真正有利于临床诊疗的证据链条。针对这两个历史性问题，21 世纪初，医学领域即诞生了两大革命性理念，转化医学和精准医学。转化 医 学 于 2003 年 由 美 国 国 立 卫 生 研 究 院(National Institutes of Health，NIH)正式提出2，随即受到全世界的广泛关注，强调将基础研究的成果转化成服务于临床患者的真实有效诊疗手段，为基础医学及理工学科的理论与技术研究同临床医学的应用实践之间搭建了一条连续、双向、开放的桥梁3 5。精准医学概念是 2015 年奥巴马在国情咨文报告中提出的6，旨在利用人类基因组及分子生物学技术挖掘疾病的基础研究数据，同时整合个体患者的临床及影像学资料，将疾病重新精细分类，以驱动因子为靶标，探索并验证创新治疗手段，在精准诊断的基础上实现对疾病的精准评估、精准分期和精准治疗7。在这两大革命理念的推动下，生物医药行业经历了二十余载蓬勃的发展。然而，尽管基础医学专家、临床医生、科研院所及医药企业夜以继日地密切合作，不断将研究成果向临床应用转化，但是以药品及医疗器械注册为目的的转化医学与精准医学全球运动并未达到理想效果8，多数获得食品药品监督管理局(Food andDrug Administration，FDA)批准的药品在真实世界的临床疗效也不超过 50%，许多成果除却为企业产生经济效益以外，并未给患者改善预后，同时为社会及医保体系增加了沉重的负担9 11。追本溯源是因为在庞大的证据量面前，人类的算力及对疾病的认知有限，并不能高效地抽丝剥茧般揭示疾病发生发展的本质环节，也难以在短时间内模拟诊疗过程、还原病程真相。近年来，随着信息科学与计算机技术的迅速发展，及其在医学领域的不断渗透，数字化技术已将医学逻辑与实践手段推进到前所未有的新高度，尤其依托于数字医学的可视化技术更是针对“眼见为实”的朴素诉求，不断延伸人类的感官 12，使神经外科的诊疗过程越来越全面化、多维化、标准化、规范化、集约化，呈现出“所见即所得、有图有真相”的实践优势特点。总结来说，可视化智能技术有如下几个主要发展趋势，也指明了神经外科未来的新发展。1可视化技术的多模态融合以医学影像为代表的可视化技术快速发展，极大地优化了临床医师对神经系统疾病进行诊断、手术规划、治疗及预后评估的效率和准确性。随着不同影像学技术在各自赛道的更新迭代，其优劣势也愈发突出，未来可视化医学将更加注重不同模态图像的融合，包括 CT、MRI、PET、超声、电生理等光、磁、声、电信号图像及各自技术框架下的不同参数序列，以实现优势互补，获得更全面、更准确的诊断结果。电生理手段(如脑电图 EEG 或事件诱发电位ERP)虽然提供了非常高的时间分辨率，但空间分辨率较低，且传统波形的判读较为晦涩，对阅片者的专业技术要求高;而 MRI 则具备较高的空间分辨率，且图像定位较为直观易读，但脑功能表现则有一定延时。此外，CT 对于颅骨及脑内血肿的识别较为敏感，而 MRI 则在呈现肿瘤或脑组织结构方面更具优势13。将电、磁、光、声、核素、电子等多模态的信号进行同步融合分析，则可以克服单一成像手段的局限性，极大地优化疾病的诊疗效率。近年来成功研发的可视化系统已可同时呈现脑组织、病灶、灰质功能区、白质纤维束、脑血管、颅神经的精细结构及毗邻关系14 15，可帮助临床医师更准确地认识个体化病理解剖特征，制定更安全有效的手术方案，通过神经导航系统精准指导术中操作16 18。2应用场景的跨尺度延伸传统的神经外科临床可视化技术多是指宏观肉眼尺度的视觉通信，而随着数字化技术的发展，人类在手术中的物理视野已经得到了极大地延伸。在微米以上的尺度，最为突出的技术发展是光学成像系统的革新，主要体现在更高的清晰度、增强的景深视野、更适宜的人体工效性，此外，创新的荧光激发模块还可以通过吲哚箐绿、-氨基-酮戊酸(5-ALA)或荧光素钠更清晰地显示血管以及脑肿瘤边界19 20，使临床医师可以直观评估实时血流状态及肿瘤切除程度。而作为手术显微镜的补充甚至替代技术，神经内镜及数字化外视镜有效弥补了显微手术的不足:(1)内镜带有侧方视角，可消除术中视野死角，使操作更精细，同时全景化视野可对病变进行全局或局部特写，有利于辨认病变侧方和周围重要221J Clin Neurosurg，April 2023，Vol 20，No 2的神经血管结构，此外有角度的内镜可显示一些手术显微镜视野无法抵达的深部空间，在直视下进行手术操作;(2)外视镜将图像进行数字化编码后再处理，具有更长的焦距、更高的放大倍数、额外的照明、更高分辨率的图像，在复杂神经外科手术中有良好表现，有效克服了二维成像的缺陷，比如成像清晰程度、操作灵活性不足等。术中的可视化技术还体现在微米甚至纳米尺度，近年来研发的术中激光共聚焦显微镜实现了实时的光学活检，在手术切除过程中即可将组织细胞形态、排列特征、异型性进行可视化，所观察到的亚细胞细微结构与病理切片相当，从而对病灶进行即时的组织学诊断，有效推动了病理诊断的前移。除此之外，拉曼光谱技术还可以捕获不同物质分子在光照后所产生的不同波长的光谱，从而鉴别脑肿瘤与正常脑实质，利用该技术研发的术中成像系统可以将拉曼光谱的自发信号扩增到万倍以上，在术中无需对组织进行切片和染色处理即可获得实时的拉曼光谱肿瘤成像21。3无限接近生理极限与不断突破工具限阈神经外科数字可视化技术的发展一方面越来越接近人类的生理感知极限，如术中成像设备的分辨率从 HD 高清晰度逐渐发展到4K 超高清晰度，即便是进行“手眼分离”的神经外科手术，也已经能够提供接近人类视网膜分辨率的沉浸式体验22。而神经导航系统的问世，更是将低年资神经外科医师的操作准确率提高到接近甚至超越世界级专家的水平。例如，传统的标准徒手脊柱置钉(Free Hand)技术高度依赖于术者的解剖理论基础与临床实践经验，即便是经验丰富的专家，其准确率也只 有49 7%91 7%。然而，伴随神经导航技术的发展，目前可以在影像数据可视化的实时引导下指导进钉路径及深度，并可利用多模态影像实现毗邻血管神经的可视化，从而有效规避不必要的医源性损伤，在计算机辅助导航设备的引导下，低年资医师的置钉准确率也可达到 95%97%，而随着手术机器人技术的引入，可以在既定穿刺路径和置钉规划的基础上实现更微量控制的精细操作，避免人为误差，进一步使置钉准确率提高至 98 7%23;同样的技术优势拓展到高血压脑出血的血肿穿刺引流手术、颅内病变活检术及三叉神经半月节球囊压迫术亦是如此24 25。因此，数字可视化技术的发展在无限接近人类生理极限的同时，可实现更多人力难以精细控制或稳定重复的外科操作。另一方面，数字智能可视化的发展还不断突破工具的形态及技术限阈。传统的导航可视化技术主要依赖光学识别，其中最多的技术核心围绕红外定位，而近年来发展出的结构光技术、电磁导航技术将可视化推向更广泛的应用场景，具有显著的优势，如体积精巧、移动灵活、便携性好、设备相容性高、不依赖参考环、影像漂移发生率低、精确性极大提高等。手术机器人也摆脱了传统机械臂与导航设备的巨大体积，新近上市的轻量化、高智能化、高精准度、高便捷性的微型手术机器人，不仅体积小巧，还集成了神经导航系统，可精准指导血肿穿刺抽吸、立体定向活检、脑室分流等手术。未来神经外科的可视化工具也逐渐向着微型轻量化、智能化、移动化、便携式的方向发展26。4多感官互动传统的可视化主要关注视觉信息的传达，然而随着数字化技术的多元化发展，目前虚拟现实、增强现实技术结合智能化 3D 打印技术，不仅强调视觉场景的再现，也对触觉、力觉及听觉的反馈提出越来越高的要求。虽然手术机器人和 5G 网络通信技术的发展已使远程神经外科手术成为可能，但术中缺失触觉反馈是影响操作机器人进行远程手术效果的最重要因素，如何设计力反馈控制系统也成为当前的主要技术挑战之一27。此外，除了直接将操作力反馈给外科医师，采用感觉替代或者增强现实的方法也是一种选择，例如可将器械和组织之间的操作力信息图形化显示，已有实验证明直接力反馈和图形力反馈的手术效果依赖于不同的手术操作和操作者熟练度28。神经外科手术的复杂性及精细化对术中可视化的多感官互动提出了较高要求，触觉力反馈能够帮助外科医师直观快速地识别出病变组织和正常实质，而且力反馈能够避免人为疏忽造成的组织损伤。在力反馈缺失的场景中，外科医师操作手术机器人无法保证器械和组织的接触力，过于机械的运动将造成组织损伤。在进行钝性切割和缝合的时候，力反馈对于避免神经、血管和脑组织损害也极为重要，用力过大将造成局部不可逆的医源性损伤29。在未来神经外科智能可视化技术的发展中，视觉、触觉、听觉等多感官的协调互动将进一步提高手术的准确性和安全性。5软件时代与硬件时代并行，数据接口的开放融通成为大势所趋过去三十余年，神经外科诊疗装备的发展主要集中在硬件领域，诞生了诸如导航系统、外视镜、新一代神经内镜、手术机器人等革命性手术设备，而面321临床神经外科杂志 2023 年第 20 卷第 2 期对数字化时代大数据量的处理需求，智能化软件的研发也成为各国争相进军的研发战略高地。目前，多模态神经影像融合处理系统、智能三维重建可视化系统、人工智能自动诊断系统、虚拟现实及增强现实手术规划系统等软件已极大地弥补了单纯依靠硬件难以实现的技术盲区，形成了当下软件开发与硬件研发并驾齐驱的发展特色。然而，在这种产业背景下，数据共享、数据互通、开放接口、统一标准成为不同平台、不同研发团队、不同专利及数据持有方需要共同克服的壁垒。当前，一些优势企业已经开展了多种积极的尝试，例如将神经外科手术显微镜升级为开放式结构，赋予其与智能化软件和设备集成的能力，包括HIS 信息系统、PACS 影像系统、荧光滤镜及激光器、神经外科导航系统、增强现实可视化系统以及内窥镜等。未来智能神经外科的发展需要来自不同行业的研发团队以更包容的心态、更开放的思路，打通数据和技术壁垒，积极融入到多学科合作的大潮流中。总而言之，随着数字化技术的发展，当前智能医学进入新的发展时期，各种软硬件技术不断推陈出新，为临床诊疗提供更直观、更精细、更高效的信息传达途径，而这种“所见即所得、有图有真相”的诊疗方式较之既往依赖于经验及推理的模式，更为有效地改善了患者的临床预后与生活质量，因此数字化时代的可视化医学为智能神经外科带来新的发展，也为优化真实世界的诊疗服务模式提供了新手段。利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。参考文献 1Guyatt G，Cairns J，Churchill D，et al Evidence-based medicine:anew approach to teaching the practice of medicineJ JAMA，1992，268(17):2420 2425 2田玲，张宏梁，马凌飞 国内外转化医学发展现状与展望J 医学研究杂志，2011，40(1):17 20 3张亚卓 建立转化医学平台、促进神经外科人才培养J 中华神经外科杂志，2010，26(11):961 962 4赵继宗 转化医学理念推动神经外科进步J 北京医学，2011，33(5):367 5韩济生 疼痛医学中的转化医学J 中国疼痛医学杂志，2011，17(1):1 6杨焕明 奥巴马版“精准医学”的“精准”解读J 中国医药生物技术，2015，10(3):193 195 7贺林 新医学是解决人类健康问题的真正钥匙 需“精准”理解奥巴马的“精准医学计划”J 遗传，2015，37(6):613 614 8张亚卓，李储忠 加强转化医学研究推动现代神经外科发展J 中华神经外科杂志，2010，26(7):577 578 9李宛亭，乔佳慧，孟令全，等 真实世界数据存在的问题与质量提升对策研究 J 中国新药杂志，2021，30(13):1160 1163 10 戴亮，季光 基于 FDA 真实世界证据计划框架 论析真实世界研究对中药新药研发的意义 J 中药新药与临床药理，2019，30(11):1403 1408 11 董丽，连桂玉，王闯，等 美国 FDA 真实世界证据计划框架 及对我国的启示 J 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