广东省人民医院庄建教授钻研三维技术与人工智能大数据应用 精准诊治结构性心脏病

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开展多项新术式应用于复杂先天性心脏病外科治疗,率先建立省级先天性心脏病防治网络,率先开展先天性心脏病产前产后一体化诊疗模式临床应用,率先开展产时胎儿心脏病外科治疗和胎儿先天性心脏病宫内介入治疗,率先将3D打印、虚拟现实和混合现实技术综合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,都不是为了别的任何目的,只是为了给病人提供更好的诊治服务。某种创新哪怕是对诊治有一点点新帮助,都值得花费大量时间精力去研究,因为我们是医生,应该穷尽所有的方法去治病救人。

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到临床,给病人提供更好地诊治服务。”


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心脏如人拳头般大小,是机体的动力泵,在心脏上做手术,需要无比精准。

哪怕有充足的标本,医生也要经过8-10年辅助手术及反复标本模拟才能炼出来,才有机会主刀心外科手术。哪怕最富经验的“心术”专家,面对动辄10小时以上的手术时长,也担心自己脑子里的解剖结构、空间位置记忆不可靠而出错。

在华南,广东省人民医院庄建团队无疑是心脏病领域最顶尖的,近年来,他们致力于解决痛点,大力推动“黑科技”帮助结构性心脏病的诊治水平提升,3D打印、虚拟现实、混合现实技术、人工智能和大数据分析技术等已经率先应用于医学临床,从根本上改变心脏外科手术的诊治模式,保证手术安全性,减少人为误差。

示范:医生异地“并肩”做手术

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,到高州市人民医院就诊时已经不能下地行走了。

4月3日,田女士成为全国首场AI+5G远程微创心脏手术的患者,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。

术时4个钟,其实功夫早在几天前做足。

一是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;二是省医的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,高州医生都能有VR、省医专家语言的双重指引。

“这手术不算复杂、疑难,不然的话,还可能上MR(混合现实技术),虚拟心脏模型与现实心脏重合,术中得到导航。”庄建教授说。

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创新:三种三维“黑科技”已惠及近500例患者

3D打印技术、虚拟现实技术、混合现实技术、人工智能和大数据分析技术……这些看似与医学临床应用关系不大,却正在被广东省人民医院、广东省心血管病研究所庄建教授团队全力应用中,开展“结构性心脏病人工智能辅助诊疗与评价系统”相关研究。

2017年10月,他们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(混合现实技术)辅助下的复杂先心病手术。自2018年3月初版系统发布后,三种三维技术开始全面常规应用于临床,截至2019年6月已经惠及近500例患者。

“利用CT等影像数据构建心血管3D数字,通过3D打印机可以打印出1:1的心血管结构模型,可用于术前诊断、术前手术规划与模拟操作、术中导航和医患沟通等;通过虚拟现实和混合现实技术可以让心血管结构由二维变为三维,可以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的人工智能和大数据人才团队,将这两种技术与临床大数据相结合,研发出精准的辅助评价模型为临床所用,从根本上改变现在先心病外科手术的诊治模式,减少人为误差,为患者提供更好的治疗与服务。目前已经取得一定成果,实现了自动化程度较高的人工智能建模,建模时间从以前的2-6个小时缩短到两分钟以内。

3种三维“黑科技”,到底能如何帮到医学临床?庄建教授以肺动脉闭锁手术为例说明。

由于肺动脉闭锁,患儿只能心脏供血等于没了树干,代偿供血的侧分枝只能混乱象灌木丛,逮着一处薄弱的血管就长。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,一台手术至少超过10个小时,往往“早上八九点上台,做到晚上八九点”。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。

这样的应用,将术时一下减少1/3以上!因为手术时间越长,手术费用越高,所以这样患者无疑是省钱又安全了。更值得一提的是,术时大减,手术室轮转速度加快,就有更多的患者得到更快的治疗机会。

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,已经从心脏病逐渐向神经外科、骨科、肺科等领域尝试应用,更多结构性病变的诊治模式改变。

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,这是事实,比如在复杂先心领域,病变解剖学特别复杂,而手术治疗需要无比精准。以前,年轻医生正常需要8-10年进行辅助手术以及反复的标本模拟与训练才能练出来,偏偏心脏病的标本异常缺乏;哪怕有机台上台了,但心脏病专家都知道,一直以来手术非常依赖B超、CT、MR,造影等结果,其二维、断层结构等,无比考验医生的解剖学才能、空间位置感,术前你在电脑里哪怕看好记熟三维重建图,但10小时手术下来,人的记忆就不可靠了。

有了三维“黑科技”,将心脏解剖一一在术者面前呈现,病灶大小、位置、与比邻关系等等,一清二楚,不用全靠经验与手感。可以说,只要年轻医生够勤奋,在标本上练出来,完全没问题。

庄建团队还正在力争自建一个病例标本库。心脏病实体标本难得,病例是关键,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,既可随时调出虚拟标本模型,也可随时打印出实体标本模型,从而实现更快更有效的临床医生培训教学。

此外,“结构性心脏病人工智能辅助诊疗与评价系统”研究正在开展,将来哪种病变可做什么手术、能达到什么效果以及如何预防远期发生的问题,该系统都可以辅助决策判断,届时年轻医生也可以是“老医生”。

链接:3D让医生“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。

来源:广州日报