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心脏外科专家庄建钻研三维技术人工智能大数据应用: “走进”患者心 病灶无处藏

来源:广州日报  2019-07-18 08:47:59


庄建


如拳头般大小的心脏,是机体的动力泵,在心脏上“动刀子”,需要无比精准。抛开心脏病标本异常缺乏的因素,年轻医生往往要经过8~10年辅助手术及反复标本模拟才能练就出主刀心外科手术的技术。但即使最富经验的“心术”专家,面对动辄10小时以上的手术,也会担心脑子里熟记的解剖结构、空间位置记忆不可靠而出错。

有这么一群专家,他们致力于解决这一痛点,推动“黑科技”提升结构性心脏病诊治水平——3D打印、VR、MR、人工智能和大数据分析等技术纷纷应用于医学临床,从根本上改变了心脏外科手术诊治模式。他们的名字是广东省人民医院庄建教授团队。

首例:两地医生近千里外“并肩”手术

41岁的田女士,一直受先天性心脏病折磨,气促、胸痛时时相伴,今年3月底病情拖延至重症,等到高州市人民医院就诊时已无法下地行走。

今年4月3日,田女士成为全国首场AI+5G远程微创心脏手术患者,当日10:00-12:50,广东省人民医院心研所的专家团队与400公里外的当地医生携手,为田女士修补好心脏病房间隔上一个3.5厘米直径的巨大孔洞。这样的远程手术,田女士不用转送,省医专家不用“飞刀”,省了两份折腾。

看上去不算太长的术时4个小时,其实功夫早在几天前就已做足。首先,高州医生将田女士所有影像检查、检验资料通过5G传来,省医应用自主研发的AI建模软件进行三维建模,应用虚拟现实技术(VR)做出手术规划,从患者上手术台体位、定位、手术入路、灌注保护液、建体外循环、切开心房、修补、缝合等一目了然;其次,省医的3D打印实验室,4小时将病变心脏按1:1大小打印出来,所有心血管结构一清二楚,也正是3D打印,让田女士真切知道自己的病状多重——她的心脏已经扩大至柚子那么大。

术前,两地专家碰头多次通过VR、3D心脏查对、模拟,一起“钻进”患者心脏,对状况与应对策略心中有底;术中,每到打孔、缝合、阻断等关键处,高州医生都有VR、和省医专家语音双重指引。

创新:三维“黑科技”让手术时长减三分之一

早在2017年10月,庄建教授团队联合省内高科技公司,成立国内首个心血管医学3D打印医研企联合实验室;2018年3月末,庄建带领团队,完成全球首例在MR辅助下的复杂先心病手术。自2018年3月初版系统发布后,三种三维技术便开始全面常规应用于临床,截至今年6月已惠及近500例患者。

“利用CT等影像数据构建心血管3D数字,通过3D打印机打印出1:1比例的心血管结构模型,用于术前诊断、术前手术规划与模拟操作、术中导航和医患沟通等;通过VR和MR可以让心血管结构由二维变为三维,以此对虚拟心脏模型进行全方位的观察等。”庄建教授说。

另一方面,团队引进国内外优秀人工智能和大数据人才团队,将其与临床大数据相结合,研发精准的辅助评价模型为临床所用。目前已实现自动化程度较高的人工智能建模,建模时间从2~6个小时缩短到两分钟以内。

庄建教授以肺动脉闭锁手术为例,说明三种三维“黑科技”的威力。以往解除闭锁手术算得上超大手术——需要左右胸各开一个切口,将一团乱麻般“灌木丛”侧支血管找到,分别游离,再在胸口正中开一个切口,把它们一一拼接到解锁的肺动脉上,且一台手术至少超过10个小时。现在,术前根据CT重建好虚拟三维心脏影像后,应用MR混合现实技术,术中将虚拟心脏投射到手术台上方,开胸后将虚拟心脏“放入”胸腔同实际心脏重合,根据影像指引,找到每一根侧支血管的起源、走向、游离环境等。

由此,术时大减1/3以上。手术时间越长意味着费用越高,所以患者因此省钱又安全了。更值得一提的是,术时大减,手术室轮转速度大增,有利于更多患者得到更快治疗机会。

展望:突破医学人才培养瓶颈

目前,3D虚拟技术与AI、大数据应用,已从心脏病逐渐向神经外科、骨科、肺科等领域应用。不过,庄建教授更为看重的是突破医学人才培养瓶颈的应用前景。

医学界业内一直有“技术都是在病人身上练出来的”说法,这不无道理。比如在复杂先心领域,病变解剖学特别复杂,而实施手术需要无比精准。以前,年轻医生往往需要8~10年进行辅助手术以及反复的标本模拟与训练,偏偏心脏病标本异常缺乏。哪怕有机会上台,一直以来心脏病手术还非常依赖B超、CT、MR造影等结果,其二维、断层结构等十分考验医生解剖学才能和空间位置感,有时候术前在电脑里看好记熟三维重建图,但10小时手术下来,人的记忆也会变得不可靠。

现在,借助三维“黑科技”,将心脏解剖多维图一一在术者面前呈现,病灶大小、位置、与比邻关系等一清二楚,经验与手感之外有了新帮手。

庄建团队正在争取自建病例标本库,目前省医已积累了2万多例先天性心脏病图像数据,待三维建模完成后可随时调取虚拟标本模型,也可随时打印实体标本模型,临床医生培训教学将更快更有效。

此外,“结构性心脏病人工智能辅助诊疗与评价系统”研究也正在开展,将来哪种病变可做什么手术、能达到什么效果等问题,该系统都能辅助决策,届时年轻医生有望变身“老医生”。

庄  建

广东省人民医院心脏外科首席专家、主任医师、教授、博士生导师,广东省心血管病中心主任,WHO心血管病研究与培训合作中心主任,广东省华南结构性心脏病重点实验室主任,广东省人民医院心血管医学3D打印实验室主任,国家百千万人才工程人选,国务院政府特殊津贴专家,全国人大代表。带领团队在国内率先将3D打印、虚拟现实和混合现实技术应用于先天性心脏病辅助诊疗。

创新感言

所有的创新,包括新方法、新技术和新事物等,都只是为了给病人提供更好的诊治服务,而不是任何别的目的。一些创新哪怕对诊治只有一点点新帮助,都值得花大量时间精力去研究,因为作为医生,就应该穷尽所有方法去治病救人。

盼望医工结合研究更火热,建立更好的交流平台促进新技术落地临床应用,给病人带来更好的诊治服务。

医生如何“走进”患者心脏

3D打印心脏

通过将二维的断层影像重新建模、上色,使用3D打印机一次成型制作出和实际情况一致的心脏模型,医生可在“心脏”上模拟手术操作,“术后”模型可作评价手术效果,确定最优手术方案。

VR辅助“心术”

VR即虚拟现实技术,头戴显示器,医生就能放大并“走进”患者心脏内部,最近距离观察心脏畸形病变,充分掌握解剖信息、制定手术方案。

MR辅助“心术”

MR即混合现实技术,真实世界和虚拟世界混合而产生可视化环境。医生戴上混合现实眼镜,能随时对心脏三维模型进行全方位的观察,甚至可观察到虚拟心脏内部,可在手术台上实时导航。

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