在過去的幾十年中，醫(yī)學和技術(shù)的進步極大地改變了手術(shù)領(lǐng)域，最突出的轉(zhuǎn)變是引入微創(chuàng)手術(shù)，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(shù)和現(xiàn)代成像技術(shù)納入微創(chuàng)手術(shù)，在手術(shù)精準度、可視化和靈活性方面都得到增強，改善了手術(shù)結(jié)果。因此，在將來的手術(shù)中將不可避免地實施數(shù)字技術(shù)。
計算機輔助手術(shù)可以準確地計劃、指導和執(zhí)行手術(shù)，在現(xiàn)代醫(yī)學中變得越來越重要，并在未來的手術(shù)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(shù)”并討論了其提高手術(shù)精度和手術(shù)效果的潛力，以及成功臨床轉(zhuǎn)化所面臨的挑戰(zhàn)。
計算機輔助手術(shù)（CAS）的興起
計算機輔助手術(shù)（Computer Assisted Surgery, CAS），也稱為“數(shù)字手術(shù)”，是指使用數(shù)字或計算機技術(shù)來計劃和執(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)在多個手術(shù)?？浦袕V泛實施，例如計算機輔助植入物手術(shù)、骨科手術(shù)、圖像指導性手術(shù)或神經(jīng)外科手術(shù)等，這預示著使用尖端的數(shù)字技術(shù)工具，例如機器人技術(shù)，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(shù)前計劃、手術(shù)、治療支持或醫(yī)生手術(shù)培訓等， 盡管此類技術(shù)在手術(shù)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(shù)缺乏觸覺反饋，這是手術(shù)期間外科醫(yī)生的關(guān)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(shù)中正在研究中，并處于起步階段。由于當前技術(shù)提供了非常有限的動態(tài)實時術(shù)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(shù)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(shù)可能會克服這些挑戰(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。 2 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)助以增強手術(shù)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(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(jù)。因此，DTA的第一階段是從物理孿生（即組織，器官，手術(shù)儀器或干預措施）中獲取數(shù)據(jù)，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(shè)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(jié)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(jù)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(gòu)建。 數(shù)據(jù)通過AI分析，用于構(gòu)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(nèi)運行可靠模擬的其他數(shù)據(jù)可能基于文獻中的信息，例如體內(nèi)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(shù)團隊就可以使用eXtended Reality（XR）技術(shù)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(jù)獲取和分析，促進了手術(shù)團隊的術(shù)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(shù)路線和可能的結(jié)果映射到手術(shù)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(guān)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(shù)前，DTA允許手術(shù)團隊嘗試新技術(shù)或在對患者進行實際干預之前探索不同的路線。術(shù)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(shù)數(shù)據(jù)庫。鑒于這種技術(shù)的預測性，DT也可以用于手術(shù)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(shù)再干預計劃。最終，DTA將有助于提高手術(shù)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(shù)中的應用 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，針對特定器官的DT框架的綜述文章，例如大腦和手術(shù)程序，強調(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(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、實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的調(diào)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(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)腸和周圍組織的虛擬模型，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(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，預測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(jù)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(shù)中可以促進患者的結(jié)局，減少手術(shù)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(shù)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(shù)教學和培訓中的潛力 DT技術(shù)有望徹底改變手術(shù)教學和培訓，特別是通過整合先進的機器人輔助設(shè)備，使多個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(gòu)建手術(shù)DT，可以產(chǎn)生手術(shù)知識的存儲庫以及對手術(shù)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(shù)表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，可以促進某些手術(shù)程序的標準化，同時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。 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(shù)，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(shù)，例如妊娠和胎兒手術(shù)。 就像當前的圖像指導手術(shù)向外科醫(yī)生解剖學上的指導外科手術(shù)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(shù)更加精確。這將使高風險手術(shù)更加安全。 鑒于以上，這種現(xiàn)代技術(shù)的引入要求對手術(shù)培訓課程的設(shè)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(shù)，納入計算、工程知識，采取多學科方法，提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)。這不僅對于新手外科學員，經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生也必須跟上新的新興技術(shù)和手術(shù)技術(shù)。 5 DT在遠程外科中的應用潛力 鑒于該技術(shù)依賴于快速，實時的通信，網(wǎng)絡(luò)通信的快速進步，例如最新的5G和6G通信技術(shù)，對功能性DTS的發(fā)展至關(guān)重要。5G通信的使用也已在遠程手術(shù)領(lǐng)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(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，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(jù)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(shù)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(wǎng)絡(luò)上需要更少的數(shù)據(jù)互換。 6 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)收集來源廣泛，沒有數(shù)字化的健康記錄增加了數(shù)據(jù)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(gòu)之間創(chuàng)建數(shù)據(jù)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(shù)挑戰(zhàn) 實現(xiàn)功能正常的手術(shù)DT，還要求開發(fā)高級傳感器技術(shù)，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(shù)的研究以及基于微流體的傳感器技術(shù)的進步。 3. 基礎(chǔ)架構(gòu)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(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，需要最先進的計算能力和支持此類“大數(shù)據(jù)”的基礎(chǔ)架構(gòu)。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(jù)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(shù)投資的公司以及政府、監(jiān)管機構(gòu)和保險公司的支持。最終達到DTA目標：（1）改善患者的結(jié)果，（2）通過個性化計劃（協(xié)助手術(shù)團隊）提高手術(shù)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(jù)，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(jù)以及如何管理和共享。根據(jù)共識數(shù)據(jù)獲取，應采取強大的網(wǎng)絡(luò)安全度量，以防止基于云的存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)泄露和數(shù)據(jù)濫用，還必須對敏感的患者數(shù)據(jù)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(shù)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(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)管機構(gòu)的幾種不確定性，以及需要大量資源來評估相關(guān)風險的必要性。現(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(qū)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(qū)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(gòu)（EMA，F(xiàn)DA以及藥品和醫(yī)療保健產(chǎn)品監(jiān)管機構(gòu)（MHRA））至關(guān)重要。DT開發(fā)反過來又可以促進監(jiān)管?？梢灶A見，與DTS在臨床環(huán)境中使用有關(guān)的倫理和法律問題已正確解決和標準化。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)域通常對新技術(shù)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(shù)中尤其如此，因為對技術(shù)的信任可能難以建立。為了使DTA獲得更廣泛的接受，對外科醫(yī)生培訓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(jié) 語 手術(shù)中的DT技術(shù)有可能在手術(shù)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(jīng)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(lǐng)域的DT剛剛起步，在成功的臨床轉(zhuǎn)化中，仍面臨技術(shù)、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(shù)努力以及在機器人、DT和AI技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動下，DTA將變得有用并隨著我們步入數(shù)字手術(shù)時代。
特別聲明：智慧醫(yī)療網(wǎng)轉(zhuǎn)載其他網(wǎng)站內(nèi)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(nèi)容僅供參考。版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請聯(lián)系我們刪除。
凡來源注明智慧醫(yī)療網(wǎng)的內(nèi)容為智慧醫(yī)療網(wǎng)原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載需獲授權(quán)。
智慧醫(yī)療網(wǎng) ? 2022 版權(quán)所有 ICP備案號：滬ICP備17004559號-5
