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計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（CAS）的興起

計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（Computer Assisted Surgery, CAS），也稱為“數(shù)字手術(shù)”，是指使用數(shù)字或計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)計(jì)劃和執(zhí)行高精度手術(shù)程序，以改善結(jié)果并減少傷害。這已經(jīng)在多個(gè)手術(shù)專科中廣泛實(shí)施，例如計(jì)算機(jī)輔助植入物手術(shù)、骨科手術(shù)、圖像指導(dǎo)性手術(shù)或神經(jīng)外科手術(shù)等，這預(yù)示著使用尖端的數(shù)字技術(shù)工具，例如機(jī)器人技術(shù)，人工智能（AI）以及虛擬、增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)，在外科發(fā)揮重要作用，包括外科術(shù)前計(jì)劃、手術(shù)、治療支持或醫(yī)生手術(shù)培訓(xùn)等，

盡管此類(lèi)技術(shù)在手術(shù)環(huán)境中取得了重大進(jìn)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(jī)器人輔助手術(shù)缺乏觸覺(jué)反饋，這是手術(shù)期間外科醫(yī)生的關(guān)鍵感覺(jué)指標(biāo)，而機(jī)器人依賴于視覺(jué)和間接/阻力反饋，而不是真正的觸覺(jué)。將觸覺(jué)傳感器整合到機(jī)器人輔助手術(shù)中正在研究中，并處于起步階段。由于當(dāng)前技術(shù)提供了非常有限的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)術(shù)中信息，因此CAS的最新研究開(kāi)發(fā)主要集中在提高輔助水平上。此外，在為手術(shù)團(tuán)隊(duì)提供預(yù)測(cè)方面缺乏，因此為現(xiàn)場(chǎng)決策提供了有限的貢獻(xiàn)。新興的數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)可能會(huì)克服這些挑戰(zhàn)，該技術(shù)可以協(xié)同結(jié)合物理和數(shù)字世界，并有望成為數(shù)字手術(shù)的新領(lǐng)域。

數(shù)字孿生輔助手術(shù)

“數(shù)字孿生輔助手術(shù)（Digital Twin-Assisted Surgery，DTAS）”可以在圍手術(shù)期協(xié)助以增強(qiáng)手術(shù)培訓(xùn)、計(jì)劃、精度、安全性和患者護(hù)理。DTA的新穎性在于實(shí)時(shí)虛擬模型展示“對(duì)象”之間相互作用，例如患者、正在手術(shù)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(shù)干預(yù)過(guò)程”（如切割，縫合，消融）。

DTAS包含與其他DT應(yīng)用相似的元素，如數(shù)據(jù)。因此，DTA的第一階段是從物理孿生（即組織，器官，手術(shù)儀器或干預(yù)措施）中獲取數(shù)據(jù)，可以從醫(yī)學(xué)圖像（來(lái)自CT，MRI，X射線，超聲波）、電子傳感器（可穿戴，生理，光學(xué)，機(jī)械和位置）、醫(yī)療設(shè)備（葡萄糖和血壓監(jiān)測(cè)器）中獲取健康記錄、分子和遺傳生物標(biāo)志物以及實(shí)驗(yàn)室結(jié)果（血液測(cè)試）?？梢允褂没谠频拇鎯?chǔ)系統(tǒng)來(lái)編譯并存儲(chǔ)在電子數(shù)據(jù)庫(kù)中，臨床醫(yī)生和醫(yī)院人員的團(tuán)隊(duì)可以訪問(wèn)，用于3D模型構(gòu)建。

數(shù)據(jù)通過(guò)AI分析，用于構(gòu)建虛擬模型。例如，可以實(shí)施深度學(xué)習(xí)（DL）方法以對(duì)臨床CT或MRI掃描自動(dòng)分段，從而促進(jìn)DT 3D幾何形狀的重建。在臨床時(shí)間內(nèi)運(yùn)行可靠模擬的其他數(shù)據(jù)可能基于文獻(xiàn)中的信息，例如體內(nèi)和實(shí)體研究，涉及人體組織機(jī)械表征和血流動(dòng)態(tài)測(cè)量，例如心臟輸出，而生物力學(xué)，數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)模型是實(shí)施以模擬生理?xiàng)l件。對(duì)于高保真計(jì)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(shù)團(tuán)隊(duì)就可以使用eXtended Reality（XR）技術(shù)來(lái)更好地可視化并與模型相互作用，并具有提供觸覺(jué)反饋的額外功能。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和分析，促進(jìn)了手術(shù)團(tuán)隊(duì)的術(shù)中決策。在實(shí)時(shí)DTA中，DT扮演導(dǎo)航器的角色，該導(dǎo)航器將不同的手術(shù)路線和可能的結(jié)果映射到手術(shù)團(tuán)隊(duì)中，正如我們手機(jī)中的地圖應(yīng)用程序。在這種情況下，DT將提供有關(guān)切割途徑的信息和預(yù)測(cè)，以避免意外損傷、血流改變和失血。術(shù)前，DTA允許手術(shù)團(tuán)隊(duì)嘗試新技術(shù)或在對(duì)患者進(jìn)行實(shí)際干預(yù)之前探索不同的路線。術(shù)后，DT可以促進(jìn)患者和病例特定文檔的生成，這有助于發(fā)展虛擬手術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。鑒于這種技術(shù)的預(yù)測(cè)性，DT也可以用于手術(shù)后患者的長(zhǎng)期治療，這可能涉及異常預(yù)測(cè)和早期疾病檢測(cè)，允許及時(shí)改變藥物和手術(shù)再干預(yù)計(jì)劃。最終，DTA將有助于提高手術(shù)準(zhǔn)確性，因此，并發(fā)癥最少，并縮短了患者恢復(fù)時(shí)間。

DTAS在各種專業(yè)手術(shù)中的應(yīng)用

DT技術(shù)已用于多種專業(yè)外科手術(shù)流程。除調(diào)查研究外，針對(duì)特定器官的DT框架的綜述文章，例如大腦和手術(shù)程序，強(qiáng)調(diào)了DT的好處，而不僅僅是作為手術(shù)助手的好處，而且還可以作為藥理干預(yù)措施的預(yù)測(cè)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(jué)和視覺(jué)反饋也顯示出在MIS和機(jī)器人手術(shù)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(shù)中調(diào)整，還有助于術(shù)后監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的調(diào)整，從而提供更多個(gè)性化的治療策略和更好的患者護(hù)理。

此外，DTAS可以改善復(fù)雜的腫瘤學(xué)手術(shù)結(jié)果。例如，在結(jié)直腸手術(shù)中，DT可以集成從CT和MRI成像數(shù)據(jù)以創(chuàng)建結(jié)腸和周?chē)M織的虛擬模型，繪制腫瘤和臨界結(jié)構(gòu)（如血管）的確切位置，外科醫(yī)生可以使用它來(lái)計(jì)劃最佳切除策略，從而最大程度地減少對(duì)健康組織的損害；同樣的方法可以用于肝膽胰手術(shù)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(yù)測(cè)切除后將保留多少功能性肝組織，有助于避免肝切除術(shù)后肝衰竭；在腎臟手術(shù)中，通過(guò)創(chuàng)建腎臟、腫瘤和脈管系統(tǒng)的詳細(xì)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(shí)，保留盡可能多的健康腎臟。成像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，可以通過(guò)顯示精確的腫瘤邊界和熱損傷區(qū)域來(lái)幫助指導(dǎo)消融程序，例如射頻或冷凍效果。將DTA納入手術(shù)中可以促進(jìn)患者的結(jié)局，減少手術(shù)時(shí)間，最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)并允許使用新的人體工程學(xué)范式增強(qiáng)手術(shù)性能，從而提供更多個(gè)性化和不斷發(fā)展的治療方法。

DT在手術(shù)教學(xué)和培訓(xùn)中的潛力

DT技術(shù)有望徹底改變手術(shù)教學(xué)和培訓(xùn)，特別是通過(guò)整合先進(jìn)的機(jī)器人輔助設(shè)備，使多個(gè)操作員能夠在受限的手術(shù)領(lǐng)域有效合作。傳統(tǒng)上，手術(shù)訓(xùn)練一直基于“見(jiàn)一個(gè)，做一個(gè)，教一種方法”以及重復(fù)的方法。通過(guò)構(gòu)建手術(shù)DT，可以產(chǎn)生手術(shù)知識(shí)的存儲(chǔ)庫(kù)以及對(duì)手術(shù)團(tuán)隊(duì)或外科機(jī)器人的觸覺(jué)反饋。外科團(tuán)隊(duì)也可以使用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）來(lái)更好地可視化和與DT的互動(dòng)。通過(guò)以前手術(shù)表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，可以促進(jìn)某些手術(shù)程序的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)還可以使該信息讓更廣泛的手術(shù)社區(qū)甚至全球的專家訪問(wèn)。

DT為外科醫(yī)生提供了一個(gè)平臺(tái)，幫助臨床醫(yī)生安全、可控地實(shí)施復(fù)雜的手術(shù)，而無(wú)論他們的專業(yè)水平如何。例如，可以進(jìn)行在現(xiàn)實(shí)中基本不可能進(jìn)行的手術(shù)，例如妊娠和胎兒手術(shù)。

就像當(dāng)前的圖像指導(dǎo)手術(shù)向外科醫(yī)生解剖學(xué)上的指導(dǎo)外科手術(shù)一樣，DT能夠向外科醫(yī)生提供其他反饋，實(shí)時(shí)更新信息，從而使手術(shù)更加精確。這將使高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)更加安全。

鑒于以上，這種現(xiàn)代技術(shù)的引入要求對(duì)手術(shù)培訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行根本性變化。外科培訓(xùn)必須努力引入現(xiàn)代技術(shù)，納入計(jì)算、工程知識(shí)，采取多學(xué)科方法，提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)。這不僅對(duì)于新手外科學(xué)員，經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生也必須跟上新的新興技術(shù)和手術(shù)技術(shù)。

DT在遠(yuǎn)程外科中的應(yīng)用潛力

鑒于該技術(shù)依賴于快速，實(shí)時(shí)的通信，網(wǎng)絡(luò)通信的快速進(jìn)步，例如最新的5G和6G通信技術(shù)，對(duì)功能性DTS的發(fā)展至關(guān)重要。5G通信的使用也已在遠(yuǎn)程手術(shù)領(lǐng)域取得了重大改進(jìn)，主要是在最大程度地減少延遲。盡管如此，遠(yuǎn)程手術(shù)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(wǎng)絡(luò)有關(guān)，尤其是在偏遠(yuǎn)，欠發(fā)達(dá)國(guó)家。由基于AI的智能系統(tǒng)組成的DT框架的實(shí)施可以解決此類(lèi)局限性，因?yàn)樗哪芰κ歉鶕?jù)虛擬模型模擬和物理傳感器觀察自動(dòng)更新的能力，而不是完全依靠外科手術(shù)站點(diǎn)的臨床醫(yī)生以及遠(yuǎn)程協(xié)助的臨床醫(yī)生，因此，在網(wǎng)絡(luò)上需要更少的數(shù)據(jù)互換。

DT臨床轉(zhuǎn)化面臨的挑戰(zhàn)

1. 與數(shù)據(jù)有關(guān)的挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)收集來(lái)源廣泛，沒(méi)有數(shù)字化的健康記錄增加了數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)和分析的復(fù)雜性。改善這種情況的一種方法是在機(jī)構(gòu)之間創(chuàng)建數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，例如，從診所和醫(yī)院中，收集和交換患者健康記錄，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行匿名。在實(shí)施臨床決策和預(yù)測(cè)之前，還需要對(duì)DT模型進(jìn)行驗(yàn)證，基于年齡、地理位置、性別和種族進(jìn)行匹配，以確保精確度。

2. 高級(jí)傳感器技術(shù)挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)功能正常的手術(shù)DT，還要求開(kāi)發(fā)高級(jí)傳感器技術(shù)，這將涉及新型材料的研究開(kāi)發(fā)、用于制造柔性傳感器的微電動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)，納米技術(shù)的研究以及基于微流體的傳感器技術(shù)的進(jìn)步。

3. 基礎(chǔ)架構(gòu)和資源挑戰(zhàn)

在實(shí)時(shí)的DT中，考慮到DT模型積極更新的數(shù)據(jù)不斷饋送到系統(tǒng)中，生成了大量數(shù)據(jù)，需要有效地分析和存儲(chǔ)，需要最先進(jìn)的計(jì)算能力和支持此類(lèi)“大數(shù)據(jù)”的基礎(chǔ)架構(gòu)。此外，需要來(lái)自包括外科醫(yī)生和臨床醫(yī)生、工程師和數(shù)據(jù)分析師等不同背景專家的投入。因此，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)、能源和資源密集，在醫(yī)療系統(tǒng)中擴(kuò)展使用時(shí)將是昂貴且具有挑戰(zhàn)性的。因此，需要得到對(duì)這項(xiàng)技術(shù)投資的公司以及政府、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和保險(xiǎn)公司的支持。最終達(dá)到DTA目標(biāo)：（1）改善患者的結(jié)果，（2）通過(guò)個(gè)性化計(jì)劃（協(xié)助手術(shù)團(tuán)隊(duì)）提高手術(shù)精度。

4. 倫理考量

DTS中由于獲得了大量的個(gè)人和敏感數(shù)據(jù)，如果處理不當(dāng)，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(jù)以及如何管理和共享。根據(jù)共識(shí)數(shù)據(jù)獲取，應(yīng)采取強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)安全度量，以防止基于云的存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)泄露和數(shù)據(jù)濫用，還必須對(duì)敏感的患者數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和配備訪問(wèn)限制。從患者的角度來(lái)看，人們會(huì)擔(dān)心DTS的引入可能會(huì)導(dǎo)致外科醫(yī)生被機(jī)器和計(jì)算機(jī)模型取代。因此，所有參與DTS開(kāi)發(fā)的各方都必須了解，該技術(shù)絕不應(yīng)取代外科醫(yī)生及其專業(yè)知識(shí)，而是協(xié)助外科團(tuán)隊(duì)為患者提供更好的護(hù)理。

5. 監(jiān)管和法律挑戰(zhàn)

鑒于手術(shù)DT本質(zhì)上是一種醫(yī)療設(shè)備，因此監(jiān)管依從性是關(guān)鍵。該領(lǐng)域數(shù)字技術(shù)的新穎性激發(fā)了監(jiān)管機(jī)構(gòu)的幾種不確定性，以及需要大量資源來(lái)評(píng)估相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)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(zhǔn)通過(guò)的歐洲藥品協(xié)會(huì)（EMA）（www.unlearn.ai）對(duì)AI驅(qū)動(dòng)的臨床試驗(yàn)，以及美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）于2024年3月對(duì)inHeart批準(zhǔn)的AI驅(qū)動(dòng)軟件創(chuàng)建3D心臟模型（www.inheartmedical.com）。盡管取得了這些進(jìn)步，但還有很長(zhǎng)的路要走，因此對(duì)于主要監(jiān)管機(jī)構(gòu)（EMA，F(xiàn)DA以及藥品和醫(yī)療保健產(chǎn)品監(jiān)管機(jī)構(gòu)（MHRA））至關(guān)重要。DT開(kāi)發(fā)反過(guò)來(lái)又可以促進(jìn)監(jiān)管?？梢灶A(yù)見(jiàn)，與DTS在臨床環(huán)境中使用有關(guān)的倫理和法律問(wèn)題已正確解決和標(biāo)準(zhǔn)化。另外，網(wǎng)絡(luò)安全措施是最大的考慮因素，以避免手術(shù)期間遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

6. 外科醫(yī)生的接受

在實(shí)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(lǐng)域通常對(duì)新技術(shù)具有一定的抗拒力。很多時(shí)候，外科醫(yī)生對(duì)傳統(tǒng)方法更加滿意，并且在他們認(rèn)為復(fù)雜、耗時(shí)或難以掌握的系統(tǒng)上可能有些不愿意。在高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)中尤其如此，因?yàn)閷?duì)技術(shù)的信任可能難以建立。為了使DTA獲得更廣泛的接受，對(duì)外科醫(yī)生培訓(xùn)和同行宣傳將是至關(guān)重要的，證明DTA是為了技術(shù)的互補(bǔ)以改善患者結(jié)局和提高手術(shù)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(shù)，動(dòng)手培訓(xùn)，以同行為主導(dǎo)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(qiáng)基于DT系統(tǒng)的總體接受。