在過去的幾十年中，醫(yī)學和技術的進步極大地改變了手術領域，最突出的轉變是引入微創(chuàng)手術，大幅減少了患者創(chuàng)傷和并發(fā)癥的發(fā)生，從而促進了康復，減少了住院和整體醫(yī)療費用。通過將機器人技術和現(xiàn)代成像技術納入微創(chuàng)手術，在手術精準度、可視化和靈活性方面都得到增強，改善了手術結果。因此，在將來的手術中將不可避免地實施數(shù)字技術。
計算機輔助手術可以準確地計劃、指導和執(zhí)行手術，在現(xiàn)代醫(yī)學中變得越來越重要，并在未來的手術中發(fā)揮重要作用，因為它能夠虛擬復制針對特定患者的干預措施，同時為臨床醫(yī)生提供實時更新。近期英國思克萊德大學學者發(fā)表在NPJ Digital Medicine的一篇文章，介紹了“數(shù)字孿生輔助手術”并討論了其提高手術精度和手術效果的潛力，以及成功臨床轉化所面臨的挑戰(zhàn)。
計算機輔助手術（CAS）的興起
計算機輔助手術（Computer Assisted Surgery, CAS），也稱為“數(shù)字手術”，是指使用數(shù)字或計算機技術來計劃和執(zhí)行高精度手術程序，以改善結果并減少傷害。這已經在多個手術?？浦袕V泛實施，例如計算機輔助植入物手術、骨科手術、圖像指導性手術或神經外科手術等，這預示著使用尖端的數(shù)字技術工具，例如機器人技術，人工智能（AI）以及虛擬、增強和混合現(xiàn)實，在外科發(fā)揮重要作用，包括外科術前計劃、手術、治療支持或醫(yī)生手術培訓等， 盡管此類技術在手術環(huán)境中取得了重大進步，但在臨床廣泛使用之前仍存在有待解決的挑戰(zhàn)和局限性。例如，眾所周知，機器人輔助手術缺乏觸覺反饋，這是手術期間外科醫(yī)生的關鍵感覺指標，而機器人依賴于視覺和間接/阻力反饋，而不是真正的觸覺。將觸覺傳感器整合到機器人輔助手術中正在研究中，并處于起步階段。由于當前技術提供了非常有限的動態(tài)實時術中信息，因此CAS的最新研究開發(fā)主要集中在提高輔助水平上。此外，在為手術團隊提供預測方面缺乏，因此為現(xiàn)場決策提供了有限的貢獻。新興的數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術可能會克服這些挑戰(zhàn)，該技術可以協(xié)同結合物理和數(shù)字世界，并有望成為數(shù)字手術的新領域。 2 數(shù)字孿生輔助手術 “數(shù)字孿生輔助手術（Digital Twin-Assisted Surgery，DTAS）”可以在圍手術期協(xié)助以增強手術培訓、計劃、精度、安全性和患者護理。DTA的新穎性在于實時虛擬模型展示“對象”之間相互作用，例如患者、正在手術的器官（如腎臟，大腦，眼睛等）及其生理參數(shù)（例如，血壓，心率，血氧水平）和“手術干預過程”（如切割，縫合，消融）。 DTAS包含與其他DT應用相似的元素，如數(shù)據。因此，DTA的第一階段是從物理孿生（即組織，器官，手術儀器或干預措施）中獲取數(shù)據，可以從醫(yī)學圖像（來自CT，MRI，X射線，超聲波）、電子傳感器（可穿戴，生理，光學，機械和位置）、醫(yī)療設備（葡萄糖和血壓監(jiān)測器）中獲取健康記錄、分子和遺傳生物標志物以及實驗室結果（血液測試）?？梢允褂没谠频拇鎯ο到y(tǒng)來編譯并存儲在電子數(shù)據庫中，臨床醫(yī)生和醫(yī)院人員的團隊可以訪問，用于3D模型構建。 數(shù)據通過AI分析，用于構建虛擬模型。例如，可以實施深度學習（DL）方法以對臨床CT或MRI掃描自動分段，從而促進DT 3D幾何形狀的重建。在臨床時間內運行可靠模擬的其他數(shù)據可能基于文獻中的信息，例如體內和實體研究，涉及人體組織機械表征和血流動態(tài)測量，例如心臟輸出，而生物力學，數(shù)學和統(tǒng)計模型是實施以模擬生理條件。對于高保真計算模擬，還必須考慮年齡，性別，心率和器官/組織病理等因素。 一旦建立了虛擬模型，手術團隊就可以使用eXtended Reality（XR）技術來更好地可視化并與模型相互作用，并具有提供觸覺反饋的額外功能。通過實時數(shù)據獲取和分析，促進了手術團隊的術中決策。在實時DTA中，DT扮演導航器的角色，該導航器將不同的手術路線和可能的結果映射到手術團隊中，正如我們手機中的地圖應用程序。在這種情況下，DT將提供有關切割途徑的信息和預測，以避免意外損傷、血流改變和失血。術前，DTA允許手術團隊嘗試新技術或在對患者進行實際干預之前探索不同的路線。術后，DT可以促進患者和病例特定文檔的生成，這有助于發(fā)展虛擬手術數(shù)據庫。鑒于這種技術的預測性，DT也可以用于手術后患者的長期治療，這可能涉及異常預測和早期疾病檢測，允許及時改變藥物和手術再干預計劃。最終，DTA將有助于提高手術準確性，因此，并發(fā)癥最少，并縮短了患者恢復時間。 3 DTAS在各種專業(yè)手術中的應用 DT技術已用于多種專業(yè)外科手術流程。除調查研究外，針對特定器官的DT框架的綜述文章，例如大腦和手術程序，強調了DT的好處，而不僅僅是作為手術助手的好處，而且還可以作為藥理干預措施的預測工具，并更好地了解器官功能（健康）和功能障礙（病理）。此外，DT提供觸覺和視覺反饋也顯示出在MIS和機器人手術中的潛力。在骨科中，Digioia和Jaramaz提出了“閉環(huán)”的概念，這意味著CAS不僅有助于術中調整，還有助于術后監(jiān)測、實現(xiàn)實時數(shù)據驅動的調整，從而提供更多個性化的治療策略和更好的患者護理。 此外，DTAS可以改善復雜的腫瘤學手術結果。例如，在結直腸手術中，DT可以集成從CT和MRI成像數(shù)據以創(chuàng)建結腸和周圍組織的虛擬模型，繪制腫瘤和臨界結構（如血管）的確切位置，外科醫(yī)生可以使用它來計劃最佳切除策略，從而最大程度地減少對健康組織的損害；同樣的方法可以用于肝膽胰手術中，外科醫(yī)生可以模擬不同的切除策略，以最大程度地去除腫瘤，預測切除后將保留多少功能性肝組織，有助于避免肝切除術后肝衰竭；在腎臟手術中，通過創(chuàng)建腎臟、腫瘤和脈管系統(tǒng)的詳細3D模型，外科醫(yī)生可以模擬最好的切割平面，確保清除腫瘤的同時，保留盡可能多的健康腎臟。成像數(shù)據的實時更新，可以通過顯示精確的腫瘤邊界和熱損傷區(qū)域來幫助指導消融程序，例如射頻或冷凍效果。將DTA納入手術中可以促進患者的結局，減少手術時間，最大程度地降低風險并允許使用新的人體工程學范式增強手術性能，從而提供更多個性化和不斷發(fā)展的治療方法。 4 DT在手術教學和培訓中的潛力 DT技術有望徹底改變手術教學和培訓，特別是通過整合先進的機器人輔助設備，使多個操作員能夠在受限的手術領域有效合作。傳統(tǒng)上，手術訓練一直基于“見一個，做一個，教一種方法”以及重復的方法。通過構建手術DT，可以產生手術知識的存儲庫以及對手術團隊或外科機器人的觸覺反饋。外科團隊也可以使用擴展現(xiàn)實（XR）來更好地可視化和與DT的互動。通過以前手術表現(xiàn)的數(shù)據，可以促進某些手術程序的標準化，同時還可以使該信息讓更廣泛的手術社區(qū)甚至全球的專家訪問。 DT為外科醫(yī)生提供了一個平臺，幫助臨床醫(yī)生安全、可控地實施復雜的手術，而無論他們的專業(yè)水平如何。例如，可以進行在現(xiàn)實中基本不可能進行的手術，例如妊娠和胎兒手術。 就像當前的圖像指導手術向外科醫(yī)生解剖學上的指導外科手術一樣，DT能夠向外科醫(yī)生提供其他反饋，實時更新信息，從而使手術更加精確。這將使高風險手術更加安全。 鑒于以上，這種現(xiàn)代技術的引入要求對手術培訓課程的設計方式進行根本性變化。外科培訓必須努力引入現(xiàn)代技術，納入計算、工程知識，采取多學科方法，提高數(shù)據素養(yǎng)。這不僅對于新手外科學員，經驗豐富的外科醫(yī)生也必須跟上新的新興技術和手術技術。 5 DT在遠程外科中的應用潛力 鑒于該技術依賴于快速，實時的通信，網絡通信的快速進步，例如最新的5G和6G通信技術，對功能性DTS的發(fā)展至關重要。5G通信的使用也已在遠程手術領域取得了重大改進，主要是在最大程度地減少延遲。盡管如此，遠程手術仍然面臨重大挑戰(zhàn)，主要與諸如延遲和不穩(wěn)定等通信網絡有關，尤其是在偏遠，欠發(fā)達國家。由基于AI的智能系統(tǒng)組成的DT框架的實施可以解決此類局限性，因為它的能力是根據虛擬模型模擬和物理傳感器觀察自動更新的能力，而不是完全依靠外科手術站點的臨床醫(yī)生以及遠程協(xié)助的臨床醫(yī)生，因此，在網絡上需要更少的數(shù)據互換。 6 DT臨床轉化面臨的挑戰(zhàn) 1. 與數(shù)據有關的挑戰(zhàn) 數(shù)據收集來源廣泛，沒有數(shù)字化的健康記錄增加了數(shù)據獲取、存儲和分析的復雜性。改善這種情況的一種方法是在機構之間創(chuàng)建數(shù)據共享平臺，例如，從診所和醫(yī)院中，收集和交換患者健康記錄，必要時對其進行匿名。在實施臨床決策和預測之前，還需要對DT模型進行驗證，基于年齡、地理位置、性別和種族進行匹配，以確保精確度。 2. 高級傳感器技術挑戰(zhàn) 實現(xiàn)功能正常的手術DT，還要求開發(fā)高級傳感器技術，這將涉及新型材料的研究開發(fā)、用于制造柔性傳感器的微電動機電系統(tǒng)，納米技術的研究以及基于微流體的傳感器技術的進步。 3. 基礎架構和資源挑戰(zhàn) 在實時的DT中，考慮到DT模型積極更新的數(shù)據不斷饋送到系統(tǒng)中，生成了大量數(shù)據，需要有效地分析和存儲，需要最先進的計算能力和支持此類“大數(shù)據”的基礎架構。此外，需要來自包括外科醫(yī)生和臨床醫(yī)生、工程師和數(shù)據分析師等不同背景專家的投入。因此，整個過程耗時、能源和資源密集，在醫(yī)療系統(tǒng)中擴展使用時將是昂貴且具有挑戰(zhàn)性的。因此，需要得到對這項技術投資的公司以及政府、監(jiān)管機構和保險公司的支持。最終達到DTA目標：（1）改善患者的結果，（2）通過個性化計劃（協(xié)助手術團隊）提高手術精度。 4. 倫理考量 DTS中由于獲得了大量的個人和敏感數(shù)據，如果處理不當，可能威脅到患者的隱私。因此，必須始終提供患者的知情同意和完全透明度，即為什么要收集數(shù)據以及如何管理和共享。根據共識數(shù)據獲取，應采取強大的網絡安全度量，以防止基于云的存儲系統(tǒng)的數(shù)據泄露和數(shù)據濫用，還必須對敏感的患者數(shù)據進行加密和配備訪問限制。從患者的角度來看，人們會擔心DTS的引入可能會導致外科醫(yī)生被機器和計算機模型取代。因此，所有參與DTS開發(fā)的各方都必須了解，該技術絕不應取代外科醫(yī)生及其專業(yè)知識，而是協(xié)助外科團隊為患者提供更好的護理。 5. 監(jiān)管和法律挑戰(zhàn) 鑒于手術DT本質上是一種醫(yī)療設備，因此監(jiān)管依從性是關鍵。該領域數(shù)字技術的新穎性激發(fā)了監(jiān)管機構的幾種不確定性，以及需要大量資源來評估相關風險的必要性?，F(xiàn)有的少數(shù)法規(guī)中包括2022年9月獲得批準通過的歐洲藥品協(xié)會（EMA）（www.unlearn.ai）對AI驅動的臨床試驗，以及美國食品和藥物管理局（FDA）于2024年3月對inHeart批準的AI驅動軟件創(chuàng)建3D心臟模型（www.inheartmedical.com）。盡管取得了這些進步，但還有很長的路要走，因此對于主要監(jiān)管機構（EMA，F(xiàn)DA以及藥品和醫(yī)療保健產品監(jiān)管機構（MHRA））至關重要。DT開發(fā)反過來又可以促進監(jiān)管。可以預見，與DTS在臨床環(huán)境中使用有關的倫理和法律問題已正確解決和標準化。另外，網絡安全措施是最大的考慮因素，以避免手術期間遭受網絡攻擊。 6. 外科醫(yī)生的接受 在實施DTA方面要克服的重大障礙之一是外科醫(yī)生的接受。醫(yī)療領域通常對新技術具有一定的抗拒力。很多時候，外科醫(yī)生對傳統(tǒng)方法更加滿意，并且在他們認為復雜、耗時或難以掌握的系統(tǒng)上可能有些不愿意。在高風險手術中尤其如此，因為對技術的信任可能難以建立。為了使DTA獲得更廣泛的接受，對外科醫(yī)生培訓和同行宣傳將是至關重要的，證明DTA是為了技術的互補以改善患者結局和提高手術精度而不是取代外科醫(yī)生將有助于克服這些障礙。逐漸接觸技術，動手培訓，以同行為主導的示范和以患者為中心的共同創(chuàng)造將增加外科醫(yī)生的信心，并有助于增強基于DT系統(tǒng)的總體接受。 結 語 手術中的DT技術有可能在手術的各個階段協(xié)助外科團隊，以提高精度、安全性和患者護理，并為新手和經驗豐富的從業(yè)者提供先進的外科培訓實踐。然而，由于該領域的DT剛剛起步，在成功的臨床轉化中，仍面臨技術、倫理和監(jiān)管挑戰(zhàn)。在即將到來的十年中，在合作、多學科的學術努力以及在機器人、DT和AI技術發(fā)展的驅動下，DTA將變得有用并隨著我們步入數(shù)字手術時代。
特別聲明：智慧醫(yī)療網轉載其他網站內容，出于傳遞更多信息而非盈利之目的，同時并不代表贊成其觀點或證實其描述，內容僅供參考。版權歸原作者所有，若有侵權，請聯(lián)系我們刪除。
凡來源注明智慧醫(yī)療網的內容為智慧醫(yī)療網原創(chuàng)，轉載需獲授權。
智慧醫(yī)療網 ? 2022 版權所有 ICP備案號：滬ICP備17004559號-5
