孫榮昊，李超

610041 成都，四川省腫瘤醫(yī)院·研究所，四川省癌癥防治中心，電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院 頭頸腫瘤外科

進入21世紀(jì)以來，以通信技術(shù)發(fā)展為代表的新一輪科技革命正迅速地改變著人們工作與生活的方方面面。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里一系列諸如數(shù)字化外科(digital surgery,DS)技術(shù)，手術(shù)機器人(surgical robot,SR)，人工智能(artificial intelligence,AI)和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)應(yīng)運而生，并迅速改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療手段與行為。與之伴隨而來的是一系列諸如數(shù)字醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程診療、移動醫(yī)療和健康云平臺等新名詞的不斷涌現(xiàn)，深刻地影響了傳統(tǒng)的醫(yī)療思維與模式。這些智慧科技與創(chuàng)新技術(shù)共同孕育了一個全新的概念——智慧醫(yī)療(smart medicine,SM)。

SM[1]是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與通信技術(shù)的融合與碰撞中產(chǎn)生的新興醫(yī)療技術(shù)概念，是新時期涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字醫(yī)療及精準(zhǔn)醫(yī)療等相關(guān)技術(shù)的新概念、新名詞。SM以信息化為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的支持，構(gòu)建起覆蓋一定區(qū)域的信息化醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)。

頭頸外科所涉及的病種繁多、局部解剖復(fù)雜、手術(shù)切除難度大、修復(fù)重建精度要求高……等技術(shù)性問題一直是頭頸外科醫(yī)師培養(yǎng)過程中和臨床工作中經(jīng)常面臨的棘手問題。加之患者術(shù)后外形和功能保全難度大與患者自身要求和期望高形成鮮明對比，使頭頸外科醫(yī)師對更為精確化、個體化的治療模式更為渴求，SM及其相關(guān)技術(shù)的初現(xiàn)端倪也許會為頭頸外科帶來革命性的改變。本文就SM在頭頸外科中的應(yīng)用進行綜述。

1 第五代移動通信技術(shù)對頭頸外科診療和隨訪模式的影響

若談及智慧外科，首先需要重點提出第五代移動通信技術(shù)(the fifth generation mobile communication technology,5G)。5G運用了云基礎(chǔ)架構(gòu)、邊緣智能服務(wù)和虛擬化網(wǎng)絡(luò)等核心技術(shù)，實現(xiàn)人機高速聯(lián)絡(luò)，促進多種媒介的進一步融合[2]。其重點影響的是醫(yī)療模式的改變，由過去單一的醫(yī)患之間面診與直接診療，轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦鎸γ嬷苯釉\療為主、遠(yuǎn)程間接診療為輔、多種診療方式相結(jié)合的復(fù)合型診療模式(圖1)。但既往受網(wǎng)絡(luò)傳輸速率限制，遠(yuǎn)程診療在頭頸外科的應(yīng)用處于長期停滯的概念性階段。5G以其高速率、大容量、低延時的特點，真正拉開了遠(yuǎn)程醫(yī)療的新篇章。

圖1 四川省腫瘤醫(yī)院與中國移動四川公司、北京連心醫(yī)療科技公司共同研發(fā)的“四川省腫瘤醫(yī)院5G云放療系統(tǒng)”

通過搭建5G遠(yuǎn)程會診平臺，可以將大型醫(yī)院頭頸外科、基層醫(yī)院相關(guān)科室以及頭頸腫瘤患者三方之間聯(lián)動起來，進行實時會診，實現(xiàn)頭頸外科疑難病例遠(yuǎn)程診斷。通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸高清畫面，頭頸外科專家可以對基層醫(yī)院的醫(yī)生進行遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)，甚至直接遠(yuǎn)程操控手術(shù)器械，實施基層醫(yī)院本不能獨立完成的頭頸外科復(fù)雜手術(shù)。使優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源得到最大化的利用，且精湛的醫(yī)療技術(shù)能夠真正下沉。通過遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)、平臺、硬件設(shè)備的一體化建設(shè)，開啟遠(yuǎn)程會議與教學(xué)，通過線上直播，實現(xiàn)基層醫(yī)生與頭頸外科專家同臺交流學(xué)習(xí)。依托5G和AI，推進遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)護、遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程教學(xué)等能力的下沉和基層SM能力的提升。

除對診療模式產(chǎn)生影響外，5G還可改進術(shù)后隨訪模式，實現(xiàn)醫(yī)生對特定隨訪患者的健康管理。通過對頭頸外科術(shù)后患者投放配備有自助監(jiān)測終端的穿戴設(shè)備，借助可穿戴設(shè)備構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)，頭頸外科醫(yī)生可實時采集術(shù)后患者數(shù)據(jù)，監(jiān)測患者身體狀況，實施線上監(jiān)測和管理，并根據(jù)遠(yuǎn)程隨訪數(shù)據(jù)為患者作出最適合的隨診建議和診療服務(wù)。真正實現(xiàn)“全天候健康監(jiān)測、全過程異常報警、全時段遠(yuǎn)程診斷”的術(shù)后隨訪服務(wù)[3]。尤其減輕了需密切隨訪的頭頸腫瘤患者的時間和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，隨訪從過去的線下面診改為如今的網(wǎng)上會診，所有咨詢、復(fù)診以及藥品配送都在線上完成。

2 DS技術(shù)在頭頸外科領(lǐng)域的應(yīng)用價值

DS技術(shù)是將三維重建、計算機輔助設(shè)計(computer-aided design, CAD)，計算機輔助制造(computer-aided made, CAM)、圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtual reality, VR)，增強現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality, AR)，混合現(xiàn)實技術(shù)(mixed reality, MR)[4-6]等多種先進數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)外科學(xué)相融合的交叉學(xué)科，是基于信息技術(shù)不斷發(fā)展進步的背景下誕生的一種新型技術(shù)手段。隨著近年來的高速發(fā)展，許多研究[7-9]已經(jīng)證明上述技術(shù)的運用可以有效輔助頭頸部腫瘤手術(shù)切除后的修復(fù)重建。

基于三維重建后的數(shù)字信息通過CAD/CAM技術(shù)不僅能提供頭頸部可視化立體結(jié)構(gòu)，真實清晰地再現(xiàn)病灶部位和周圍三維解剖結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，輔助頭頸外科醫(yī)師進行頭頸部手術(shù)治療方案的術(shù)前設(shè)計，為患者制定個性化的手術(shù)方案和修復(fù)策略；同時充分利用3D打印技術(shù)，快速、準(zhǔn)確地制作復(fù)雜的解剖頭頸部實物模型，從而提升導(dǎo)航/導(dǎo)板輔助手術(shù)的精度，提高頜面部修復(fù)的準(zhǔn)確性，增強操作精度，節(jié)省手術(shù)時間，提升手術(shù)療效等(圖2)。因而其在頭頸腫瘤外科的應(yīng)用具有巨大潛在價值。充分發(fā)揮精準(zhǔn)外科循證化、定量化、可視化、可控化的特點，將三維重建圖像與3D打印模型相結(jié)合向患者溝通，有利于患方對手術(shù)方案的理解，可以有效提高患者的術(shù)后滿意度。

圖2 利用數(shù)字化設(shè)計、輔助結(jié)合3D打印技術(shù)精準(zhǔn)修復(fù)下頜骨肉瘤術(shù)后頜骨節(jié)段性缺損(右圖為術(shù)后一年形態(tài)照片)

尤其針對頜面部骨性組織缺損的病例，CAD/CAM技術(shù)的臨床應(yīng)用價值更大，首先在打印好的骨骼模型上定位腫瘤，能夠在三維空間上確定截骨范圍、截骨標(biāo)志點和標(biāo)志線，最終確定骨性組織切除的安全邊界。其次利用鏡像技術(shù)采集正常側(cè)頜骨數(shù)據(jù)，以翻轉(zhuǎn)、模擬匹配的方法對病灶區(qū)域進行設(shè)計。建立鏡像模型可對重建鈦板塑形和預(yù)設(shè)最佳鈦釘固定位置，術(shù)中再以塑形后鈦板為模板進行精確游離骨瓣塑形，并引導(dǎo)游離骨瓣準(zhǔn)確植入和固定。不僅能顯著縮短手術(shù)時間，而且重建頜骨的形態(tài)更自然，術(shù)后患者面形更完美。另外，通過保持髁突三維空間位置，進一步改善術(shù)后顳下頜關(guān)節(jié)功能，從而顯著提高頜骨的重建效果。最后，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，直接采用無降解性和生物相容性高的材料進行重要組織結(jié)構(gòu)的精確成型，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的自體組織修復(fù)向人工假體精確修復(fù)的轉(zhuǎn)變也指日可待，個體化的功能喉、人工耳廓以及定制鼻假體等將會逐漸走進臨床[6]。

隨著DS技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來VR、AR以及MR技術(shù)也相繼用于頭頸外科手術(shù)。之前我科率先在手術(shù)前應(yīng)用VR技術(shù)進行評估與模擬，獲得一定效果[10-11]。最近我們在重建手術(shù)中增加應(yīng)用MR技術(shù)，在手上中利用導(dǎo)航技術(shù)將患者的虛擬病變和解剖模型匹配定位在手術(shù)區(qū)域，通過特制的MR眼鏡在手術(shù)中對術(shù)區(qū)進行觀察，并在圖像引導(dǎo)下實時操作手術(shù)，應(yīng)用MR技術(shù)可以使外科醫(yī)生在手術(shù)過程中隨著手術(shù)進程對重要的結(jié)構(gòu)進行實時精準(zhǔn)定位，保證手術(shù)安全進行，并且這種實時定位不以患者術(shù)中體位的移動而改變(圖3)。經(jīng)過我們的探索發(fā)現(xiàn)，這類技術(shù)的主要優(yōu)勢在于：1)這些新型成像技術(shù)可以提供沉浸式的用戶體驗，將涉及軟組織的一些重要解剖結(jié)果和受累情況更直觀地呈現(xiàn)給手術(shù)醫(yī)師；2)不依賴醫(yī)生的主觀印象，避免因視覺漏洞造成的手術(shù)風(fēng)險；3)能將術(shù)前規(guī)劃的截骨角度和截骨線體現(xiàn)在手術(shù)中。

除此之外，更多的新興技術(shù)被用于頭頸腫瘤精確修復(fù)與個性化重建。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是另一種將虛擬設(shè)計轉(zhuǎn)化為手術(shù)實際的有效途徑。其優(yōu)勢在于，可以在立體空間上進行不間斷的實時準(zhǔn)確指導(dǎo)，為手術(shù)醫(yī)生在術(shù)中根據(jù)具體情況進行實時調(diào)整創(chuàng)造了條件[12]。三維測量與評價技術(shù)能對重建前后的情況進行三維定向匹配并進行重建誤差分析。通過對主要標(biāo)志性位點和理想解剖角度、弧度差異的比較，對手術(shù)重建后頭頸部的形態(tài)與功能進行精確評估[13]。

3 醫(yī)工結(jié)合創(chuàng)新發(fā)展頭頸外科SR和多功能手術(shù)器械

在受技術(shù)革新驅(qū)動的時代，機器人輔助手術(shù)已逐漸成為一種超越傳統(tǒng)腔鏡的革命性手術(shù)方法[14]。SR能夠提供清晰的視覺反饋和準(zhǔn)確的觸覺反饋，并可以根據(jù)術(shù)前的數(shù)字化模擬和定位，使之與術(shù)中的操作相匹配。機器人的手術(shù)直接指導(dǎo)，近年已被用于多種頭頸手術(shù)治療中，并取得了良好的治療效果[15]。常見的SR系統(tǒng)有達芬奇機器人、MAKO機器人、TiRobot機器人、TORS系統(tǒng)等。最具代表性的機器人外科手術(shù)平臺要屬達芬奇SR(圖4)，它已經(jīng)發(fā)展了數(shù)代產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)主要包括外科醫(yī)生可操作的控制臺、手術(shù)實施的機械臂系統(tǒng)(有的機械臂系統(tǒng)和操作間構(gòu)成一體化的手術(shù)室)以及用于成像的手術(shù)視頻反饋系統(tǒng)，它不僅彌補了現(xiàn)有腔鏡手術(shù)操作器械簡單、不靈活等諸多劣勢，還具備很多開放手術(shù)都無可比擬的優(yōu)點，譬如：機械臂工作的靜態(tài)穩(wěn)定更高，不會產(chǎn)生疲勞，且擁有七個自由度，尖端的旋轉(zhuǎn)甚至能夠達到720度這種人手無法實現(xiàn)的維度，使得一些手術(shù)操作更能夠在一個相對較小的解剖空間內(nèi)一體化完成，并且更精確、更靈活。另外，高清的4K立體成像效果可放大10至15倍之多，為操作醫(yī)師提供一個身臨其境的操作環(huán)境。

圖4 四川省腫瘤醫(yī)院第四代達芬奇機器人手術(shù)(達芬奇XI手術(shù)系統(tǒng))通過醫(yī)院智慧外科數(shù)字化手術(shù)室系統(tǒng)，實時進行多地實時遠(yuǎn)程互動交流和學(xué)習(xí)

正因其具備這些優(yōu)勢，針對一些復(fù)雜的頭頸外科手術(shù)或解剖位置特殊的部位，SR能夠發(fā)揮常規(guī)開放手術(shù)無法比擬的可及性和微創(chuàng)性。有學(xué)者對機器人手術(shù)經(jīng)口入路治療口咽癌的安全性及有效性進行初步探討，認(rèn)為在掌握好適應(yīng)證的前提下，該方式安全、有效、損傷小[16]；對于美觀要求較高的患者，機器人手術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)切口的隱藏，有學(xué)者對部分經(jīng)選擇的甲狀腺腫瘤患者嘗試經(jīng)耳后機器人手術(shù)切除，結(jié)果顯示是可行的，證明其是頸外入路甲狀腺手術(shù)的選擇之一[17]；更有學(xué)者對比機器人手術(shù)系統(tǒng)和傳統(tǒng)開放手術(shù)，認(rèn)為前者治療良性甲狀腺結(jié)節(jié)安全可行，具有侵入性低、吞咽功能及美容效果好等優(yōu)勢[18]；近年來有研究報道了SR輔助游離腓骨瓣修復(fù)下頜骨缺損的模型與動物實驗[19]；并有學(xué)者運用導(dǎo)航機器人系統(tǒng)對下頜骨進行精確截骨[20]；實驗結(jié)果顯示，運用SR之后的修復(fù)精確性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)，證實了SR在下頜骨重建手術(shù)中的應(yīng)用價值與優(yōu)勢。

另外，處于對微創(chuàng)外科和精準(zhǔn)外科的不懈追求，多功能SR機械臂也在不斷創(chuàng)新和改良。有團隊設(shè)計出一款模擬人手，是由旋轉(zhuǎn)柔性關(guān)節(jié)控制的手術(shù)臂。手術(shù)臂的一端配備醫(yī)用手術(shù)刀，另一端連接至直流伺服電機。手術(shù)臂的運動由新設(shè)計的非整數(shù)順序控制器控制，已通過體外組織實驗證明了其熱力消融切割功能，相信不久便能應(yīng)用于臨床[21]。

4 AI在頭頸外科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

AI技術(shù)是以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過硬編碼使計算機能從大數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，對新數(shù)據(jù)進行預(yù)測和處理。目前AI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的診斷、治療及隨訪等方面已有相關(guān)研究和應(yīng)用。其中模擬人類大腦處理信息的模式的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最新一代AI技術(shù)的代表，數(shù)據(jù)在輸入端中被分組處理，進而在隱藏層中通過梯度下降法、反向傳播算法等方式獲得需要的結(jié)果。隨著計算機算法模型的改進，AI已經(jīng)具備深度學(xué)習(xí)的能力，并且對于一些客觀數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、分析和處理能力尤為突出，故AI最早也較多應(yīng)用于諸如影像評估、病理分析等相關(guān)領(lǐng)域，AI在頭頸外科的應(yīng)用和研究目前也集中在與輔助診療活動相關(guān)的領(lǐng)域。

而在頭頸外科領(lǐng)域，AI亦全面應(yīng)用于頭頸腫瘤的診治和發(fā)病機制等研究。首先，在診斷方面，AI在頭頸部惡性腫瘤分期、性質(zhì)判斷和鑒別診斷等方面的應(yīng)用最為普遍，結(jié)合彩超、CT、MRI以及PET等影像學(xué)檢查所獲得的海量數(shù)據(jù)進行加工，對腫瘤的性質(zhì)進行非侵襲性診斷和精確臨床分期，同時通過智能化圖像處理與分析，與類似疾病相鑒別[22]。對于術(shù)前頸部淋巴結(jié)的狀態(tài)評估，AI也蘊藏著巨大的潛力。AI預(yù)測和術(shù)前評估甲狀腺癌和頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀態(tài)，能夠輔助頭頸外科醫(yī)生制訂更為合理的手術(shù)方案[23]。另外，在判斷甲狀腺結(jié)節(jié)性質(zhì)方面，AI與經(jīng)驗豐富的超聲科醫(yī)師相比，在鑒別甲狀腺癌方面顯現(xiàn)出相似的敏感性和更高的特異性，并在細(xì)化組織病理學(xué)亞型方面具有獨到優(yōu)勢。當(dāng)然，即便在甲狀腺癌死亡和復(fù)發(fā)風(fēng)險評估中，AI評估體系通過整合臨床病理和基因等數(shù)據(jù)可對預(yù)后進行精準(zhǔn)化評估，但總體來看目前甲狀腺預(yù)后AI模型仍處于探索階段[24]。對于以放射治療為主的疾病，例如鼻咽癌的治療，精確的靶區(qū)勾畫是重點。為了能夠在最大限度殺傷腫瘤的同時保護正常組織，放療醫(yī)師過去常常需要在計算機前進行長時間的靶區(qū)勾畫，以獲得合理的靶區(qū)；如今隨著AI技術(shù)的進步，已有較多學(xué)者利用AI技術(shù)對靶區(qū)勾畫進行輔助，醫(yī)師只用在AI初步勾畫好的靶區(qū)上進一步修改即可，大大節(jié)省了放療醫(yī)師的工作量，且研究結(jié)果均認(rèn)為AI能夠有效輔助靶區(qū)的精準(zhǔn)勾畫[25]。游離組織皮瓣修復(fù)術(shù)是頭頸腫瘤切除后對缺損進行修復(fù)的重要手段，有學(xué)者以單一機構(gòu)的數(shù)據(jù)作為參考，通過AI機器學(xué)習(xí)算法有效預(yù)測游離組織瓣移植修復(fù)后的并發(fā)癥和影響因素[26]。

然而也須承認(rèn)，目前AI在頭頸外科的應(yīng)用還非常有限，仍有巨大的潛力可待挖掘，目前限制AI在本領(lǐng)域應(yīng)用的原因主要有：1)技術(shù)上，算法存在局限性，無法準(zhǔn)確處理復(fù)雜數(shù)據(jù)集和異源變量；2)觀念上，臨床醫(yī)生更愿意相信自己的經(jīng)驗而排斥AI的判斷；3)患者隱私數(shù)據(jù)保護不力；4)臨床醫(yī)師和AI技術(shù)人員缺乏有效的跨專業(yè)溝通；5)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

5 SM在頭頸外科應(yīng)用的展望與思考

科技改變生活，創(chuàng)新鑄就未來。智慧科技在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)滲透至診療的各個環(huán)節(jié)。高通量的5G通訊技術(shù)能夠極大地縮短醫(yī)患之間的距離，頭頸部疑難病例的遠(yuǎn)程會診已實現(xiàn)，這使優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源能夠得到最大化的利用，有效解決目前國內(nèi)重大疾病“看病難”的問題。同時以5G技術(shù)作為支撐，隨著DS技術(shù)的不斷發(fā)展與完善和機器人手術(shù)系統(tǒng)的進一步升級，開展遠(yuǎn)程頭頸外科手術(shù)指日可待。也許未來的某一天，頭頸外科醫(yī)生能夠不進手術(shù)室，在異地或辦公室里就能遠(yuǎn)程操控機器人實施手術(shù)，并且通過數(shù)字化實現(xiàn)沉浸式的真實體驗。同時，AI的深度學(xué)習(xí)方法將不僅僅是一個單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而是一個融合了決策支持、網(wǎng)絡(luò)可解釋性、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和終身學(xué)習(xí)算法的混合框架，將結(jié)合多種深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)更加準(zhǔn)確、快速的分割，提高臨床診斷能力。著眼長遠(yuǎn)，通過AI我們能夠建立起一套能夠?qū)崿F(xiàn)快速診治決策、疾病轉(zhuǎn)歸預(yù)測等目的的系統(tǒng)，這將大大降低相關(guān)科室臨床醫(yī)師的工作量，有理由相信在不久的將來，在影像和病理診斷等相關(guān)臨床任務(wù)中，可以看到越來越多AI的身影。

不難看出，SM所涉及的技術(shù)革新，其本質(zhì)是提高了醫(yī)療過程中生產(chǎn)力，而生產(chǎn)力的改變必將推動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里的生產(chǎn)關(guān)系發(fā)生新的革命性變化。我們正站在歷史的機遇期，而近10年我國在SM的研發(fā)、應(yīng)用、推廣與合作方面與發(fā)達國家相比還有明顯差距[27]，因此國內(nèi)頭頸外科的同道們應(yīng)學(xué)會合理借鑒，把握前沿與熱點，結(jié)合自身特點與頭頸外科疾病治療方面的優(yōu)勢，充分利用好多種SM技術(shù)，使我國頭頸外科的發(fā)展進入“快車道”。

當(dāng)然，盡管SM技術(shù)日新月異，潛能巨大。但并不等同于我們可以放棄傳統(tǒng)的醫(yī)療方式。傳統(tǒng)的觸診和叩診，基本的手術(shù)操作技巧，以及醫(yī)患之間的情感溝通等是SM技術(shù)所不能取代的。作為頭頸外科醫(yī)生，應(yīng)該充分認(rèn)識這些利弊，不能讓訓(xùn)練出來的機器來接管自己的判斷和決策。我們需要培養(yǎng)必備的臨床思維能力和手術(shù)操作基本功，以基本診療操作為主，SM技術(shù)為輔，提高臨床工作的準(zhǔn)確性和效率，切實為我國罹患頭頸部疾病的同胞牟利。