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妇产科疾病数字医学诊疗平台的建立

数字医学技术在妇产科中的应用及展望

陈春林刘萍段慧

妇产科是一个古老的学科，近几十年来生殖医学、介入医学、遗传医学及微创医学等在妇产科疾病诊治过程中得到了广泛应用，使妇产科的发展插上了腾飞的翅膀，而数字医学的出现为妇产科的进一步发展提供了另一个契机。

数字医学是应用数字化技术，解释医学现象、解决医学问题、探讨医学机理、提高生命质量的一门科学[1-2]，它的核心技术是数字医学技术，而数字化三维重建技术则是其灵魂。

近年来，数字医学技术已广泛应用于骨科、肝胆外科、神经外科等学科疾病的诊治。

目前该技术在妇产科中的应用也已逐渐铺开，并展露了其特有的优势。

经过数年的努力，已形成了妇产科疾病数字诊疗平台的雏形。

本文将就数字医学技术在妇产科中的应用进行初步的探讨并展望其未来。

一、数字医学技术的概念及核心

1.数字人及数字医学的概念

1988年，“数字人”的概念由美国国立医学图书馆（NLM）提出，是指通过电子计算机技术，将人体结构数字化，获得虚拟的人体形态，并进一步将人体功能性信息附加到这个人体形态框架，在计算机上建立的可视可控的人体结构与功能的数字化系统。

1994年至1998年，美国相继提出可视人计划（VisibleHumanProject,VHP）、虚拟人计划（VirtualHumanProject,VHP）等并获得两套数字人数据集；2001年至2002年，韩国亚洲大学成功采集了韩国人数据集；2003年中国正式成为第三个掌握数字人技术的国家，并将“虚拟中国人”正式命名为“中国数字人”，这为“中国数字人”的发展和应用奠定了基础[2-4]。

数字人的发展规划分为四个阶段，即数字可视人、数字物理人、数字生理人及数字智能人，其研究和应用领域非常广泛，涉及军事模拟、航空航天及生命科学领域等。

作为数字人计划中的一部分，国内外专家将数字人技术应用于人体结构和功能的医学研究，因此产生了一个新兴的学科——数字医学。

数字医学是以数字人为基础，借助现代先进的影像学设备如CT、MRI和PET-CT等分别从解剖发育、生理代谢、临床疾病等对人体进行多方面研究探讨的学科。

2.数字人及数字医学技术的核心之一——数据集的来源

数据集指由数据所组成的集合，其来源不仅是数字医学技术的核心之一，更是数字医学技术的基础。

只有在获得满意数据集的前提下，才能构建出最真实的人体。

数据集的来源包括以下两个部分：

（1）离体数据集来源：

即数字人数据集，其来源为通过对尸体标本进行薄层銑切，使用高分辨率的摄像仪器获得数字化的二维人体解剖数据，但由于尸体来源有限，组织器官经过固定处理，未能充分展现人体生理状态而使其应用受到局限；

（2）在体数据集来源：

即医学影像学数据集，其来源主要通过采集影像学资料——CT、MRI及PET-CT等的二维原始数据集，由于应用对象为活体，具有个体化、来源丰富、应用范围广等优势。

3.数字医学技术的核心之二——数字化三维重建技术

三维重建或可视化简而言之就是一种利用计算机技术将所采集的数字化二维图像进行处理而得到数字化三维模型的形态学研究方法。

该技术在妇产科临床中的具体应用是在常规或特定序列条件设定下进行腹盆腔CT和MRI扫描后，采集全部数据并运用生物医学软件进行三维重建，构建出三维的腹盆腔数字化三维模型[5]。

目前较为常用的数字化三维重建技术有两类，一为大型影像设备CT、MRI及PET-CT自带的三维重建软件，依赖于专业人员的操作，具有设备依赖性，重建效果有限；二为商业用途的三维重建软件，可于个人电脑应用，扩大了数字化三维重建技术的应用范围，只要了解软件操作，即能对人体进行数字化三维重建工作。

二、数字医学技术在妇产科领域中的研究基础

数字医学技术在短短的10年时间里得到了迅速的发展，跨越了从离体到在体、从普遍到个体的过程。

其基础是建立人体总体和各个系统及各组织器官的数字化三维模型。

而如何建立真实、个体化的数字化三维模型，是在临床应用该技术的首要条件。

目前的研究主要是进行基于离体数据集和在体影像学数据集的数字化三维模型的构建。

1.基于数字人数据集的数字化三维重建技术

2000年，美国科学家已经建立了基于数字人数据集的全身皮肤、肌肉、骨骼和心脏等部分器官的三维模型[6,7]，韩国也于2001年完成第一例具有东方人种特征的人体数据采集，但美国、韩国的数据集无法分清动脉和静脉血管。

南方医科大学（原第一军医大学）构建的第一例女性数字人（数字人女I号）应用血管铸型技术对动静脉血管网进行处理，使中国的数字人显得“有血有肉”。

血管铸型技术是在尸体标本的基础上，通过灌注铸型剂方法对人体动静脉血管网进行重现的技术，利用该技术解决了血管的标识，最小直径为0.02mm[1]。

经过不断的技术改良，在妇产科的数字医学研究中，该项技术也已成功运用于人离体子宫动/静脉血管网三维模型的构建中[8-10]。

利用软件还可以对所构建的模型血供特点进行分析，并了解到人体子宫由双侧子宫动脉同时供血，具有双侧均衡性及同侧供血倾向的特点，为后续认识各种妇产科相关疾病如宫颈癌、子宫肌瘤、胎盘植入等供血特点提供了理论基础。

但基于尸体数据集的数字人构建技术复杂繁琐，并且其仅能代表个体特点，难以达到共性需求，限制了其在临床医学中的应用。

2.基于医学影像学数据集的数字化三维重建技术

CT、MRI等影像学检查是目前应用于临床辅助诊断的重要手段，但其二维图像仅能从组织间不同灰阶、不同信号的对比来区别正常组织与病灶，并且该两项技术均需专业的断层解剖学知识为基础来对疾病进行诊断，并非所有临床医生均能对其影像信息进行全方位的提取来指导临床。

但依据这两项技术所提供的原始数据集应用计算机软件可构建出真实、立体及直观的骨盆、动/静脉血管网、盆腔脏器及盆底肌群/韧带等数字化三维模型，为临床医师提供直接、三维的影像学资料。

（1）基于CT/MRI数据集的骨盆数字化三维重建：

利用CT数据集所构建的骨盆边缘光滑，形态规整[11,12]，且重建方法简单容易掌握。

而在MRI扫描中，骨盆属于低信号组织，其骨盆边界与周围软组织界限不清，辨识较困难，因此所重建骨盆形态较之CT重建者相对粗糙。

在妇产科领域，对利用CT/MRI数据集所构建的骨盆数字化三维模型进行测量[13]，不仅准确方便，而且在常规外测量中无法进行测量的骨盆径线也可以在三维模型中进行精准测量，为妇产科临床医生提供了新的评估手段。

此外，根据不同的设备特点及临床需求，CT数据集适用于非孕期妇女的骨盆重建，MRI数据集适用于妊娠妇女的骨盆重建。

（2）基于CT/MRI数据集的女性盆腔血管网数字化三维重建：

基于CT血管成像（computedtomographyangiography,CTA）数据集所构建的血管数字化三维模型不仅真实地反映了腹盆腔血管网的走行及分布[14,15]，还可以利用各动脉对特定脏器的供血特点对盆腔病变进行鉴别诊断。

由于腹盆腔动脉血流量大，流速快，MRI增强扫描时间较长，基于MRI的血管数字化三维重建目前仅能达到子宫动脉水平，细小分支的重建仍然困难。

（3）基于CT/MRI数据集的女性盆腔脏器数字化三维重建：

由于在CT血管造影的延迟期时盆腔脏器毛细血管网及输尿管、膀胱等充满了造影剂，故在此期可观察到边界清晰的盆腔脏器轮廓线。

根据这一特点，利用数字化三维重建软件即可构建出子宫、直肠、输尿管、膀胱等盆腔脏器。

与CT成像相比，MRI具有软组织成像清楚的优点，因此在无需进行增强造影的情况下即可清晰分辨软组织之间的界限，从而利于女性盆腔器官进行数字化三维重建。

（4）基于CT/MRI数据集的女性盆底肌群/韧带数字化三维重建：

盆底肌群及韧带等软组织在MRI的T2WI成像下显示清楚，但由于盆底肌群、韧带等结构精细，体积较小，需采用薄层扫描技术才能在二维图像中完整地显示两者的范围。

利用软件对所构建的盆底肌群、韧带可进行长、宽、厚等各径线的测量，以帮助临床医生了解其解剖特点及走行、辅助临床诊断、评估手术难度、指导手术操作并观察临床疗效。

与基于CT数据集的三维重建方法相比较，基于MRI数据集的三维重建方法难度较大，究其原因有三：

其一，由于MRI扫描层厚较大，层间距较宽，严重影响重建质量，即使通过减少层厚及层间距，其断层图像的成像质量又将降低，扫描时间加倍延长，因此通过选择优化扫描序列是解决MRI数据集问题的关键；其二，目前尚未有关于重建骨盆、血管及盆腔软组织的最优序列报道，其扫描条件摸索任重道远；其三，需要有良好的断层解剖学知识及计算机能力者方能胜任MRI三维重建。

三、数字医学技术在妇产科领域中的临床研究

数字医学技术之所以能运用于指导临床实践，基础就在于其实现了人体的“解剖真人化”。

对不同疾病的患者，其盆腔解剖、脏器毗邻关系及血供特点势必会因个体原因及疾病的影响而有不同的表现。

通过利用数字医学技术，构建不同个体、不同疾病的数字化三维模型，从而了解患者的个体化特点，对疾病诊断及指导治疗有重大的意义。

目前该技术应用于临床的时间尚短，不足以对所有妇产科疾病进行全面的描述，现在研究的热点主要体现在以下几个方面：

1.数字医学技术在妇产科常见疾病诊疗中的应用

（1）数字医学技术在子宫肌瘤/子宫腺肌病诊疗中的应用

随着医疗技术的发展以及人们对生活质量要求的提高，子宫动脉栓塞术（uterinearterialembolization，UAE）在子宫肌瘤/子宫腺肌病的治疗中虽然逐渐得到了广泛地运用并获得了良好的疗效[16,17]，但仍有部分患者疗效欠佳，甚至手术失败并出现严重并发症。

除了介入技术操作上的原因，子宫肌瘤/子宫腺肌病的供血动脉也对手术疗效存在影响[16-18]。

正常情况下子宫肌瘤/子宫腺肌病由双侧子宫动脉供血，但在个别情况下卵巢动脉也参与病灶供血，而且可能成为其主要供血动脉。

因此，如何在术前明确患者子宫病灶的供血情况及供血动脉的解剖情况，从而在进行动脉栓塞治疗时，准确快速地选择动脉进行插管，减少不必要的损伤和X线辐射量[18,19]，提高手术疗效及避免并发症的发生。

基于CTA的在体子宫肌瘤/子宫腺肌病数字化三维模型形态规则、清晰、实体感强，血管饱满光滑、边缘锐利，真实地再现了盆腔各级动脉分支[20]，易于发现病灶的供血动脉及供血类型，并可对动脉血管网的组成进行量化分析，图1为一巨大子宫肌瘤动脉供血的数字化三维模型，从图中可以观察到：

该患者双侧子宫动脉细小，而双侧卵巢动脉迂曲增粗，后者为子宫及肌瘤的主要供血动脉，并形成外层血管网环抱肌瘤并以终末血管与子宫螺旋动脉形成交通吻合支。

通过观察上述模型可知，子宫肌瘤/子宫腺肌病患者的腹盆腔动脉走行存在个体差异，并非每个患者的子宫及病灶都仅由子宫动脉供血，部分患者为卵巢动脉与子宫动脉汇合后供血子宫及病灶，也有部分患者为卵巢动脉直接供血子宫及病灶。

通过术前对子宫肌瘤/子宫腺肌病血供类型的诊断，并以此为依据对患者进行筛选，实现治疗个体化并指导介入手术的实施：

（1）单纯子宫动脉供血子宫及病灶的患者接受UAE时，误栓卵巢动脉的可能性较小，可行UAE治疗；

（2）若发现卵巢动脉与子宫动脉吻合或卵巢动脉直接供血子宫及病灶的情况，考虑行UAE时误栓卵巢动脉可能性大的，可视情况建议患者行病灶切除术或子宫切除术。

图1.子宫肌瘤数字化三维模型

（2）数字医学技术在宫颈癌诊疗中的应用

局部晚期宫颈癌（LocallyAdvancedCervicalCancer，LACC）局部肿瘤巨大和/或对周边组织广泛浸润，预后较差。

术前新辅助化疗在LACC的治疗中获得了肯定，而其中动脉化疗使得越来越多的患者赢得了手术机会，提高了患者的生活质量[21]。

既往动脉化疗药物的分配仅凭经验而定，使得部分病例难达到最佳的疗效。

我们的前期DSA造影研究发现LACC癌灶的血供不均衡，凭经验或平均分配药物不能合理地将抗癌药物充分分布至癌灶中，从而降低了疗效。

而术前基于CTA数据集的LACC癌灶数字化三维模型可准确地以三维立体视觉表现癌灶供血动脉及血供特点，并可利用三维重建软件对LACC模型进行切割及分离，并计算对宫颈癌灶的血容量比例，指导动脉化疗的用药（图2）。

图2.宫颈癌癌灶动脉血管网数字化三维模型整体观

A部分血容量为3.94ml，占总体血容量的19.32%；

B部分血容量为1.40ml，占总体血容量的6.87%；

C部分血容量为13.46ml，占总体血容量的66.01%；

D部分血容量为1.59ml，占总体血容量的7.8%；

腹盆腔淋巴结清扫术是宫颈癌手术中的一个主要组成部分，具有较大的风险。

腹盆腔大静脉壁薄，一旦受损容易致严重并发症，甚至导致患者死亡。

而术前女性腹盆腔血管数字化三维模型可真实地表现动/静脉的走行及分支。

由于女性腹盆腔血管主干并不如教科书中所示规整、平滑，其表面遍布微细动脉分支或静脉属支，行腹盆腔淋巴结清扫时，稍有不甚即会损伤此类小血管，导致术中不必要的并发症。

其次，由于部分患者腹盆腔动/静脉大血管的变异及畸形，常在特殊的位置出现变异/畸形的血管（图3，图4），若在术前未能加以了解，将会使术者在手术中处于被动状态，损伤异常血管而致术中大出血，甚至危及患者的生命。

如何避免术中损伤血管，最重要也是最基本的是需要明确腹盆腔动/静脉血管的走行，对患者腹盆腔血管网充分了解后再行手术方案的制定，这更符合个体化治疗的原则[22]。

图3.腹主动脉/下腔静脉走行异常

患者腹主动脉走行迂曲，主干在肾动脉水平并非以常态的姿势出现，而是先自水平向右走行，后向左下方向转折

图4.腹盆腔动/静脉异位

（3）数字医学技术在胎盘植入及瘢痕妊娠诊疗中的应用

近年来，随着流产率和剖宫产率的增高，胎盘植入的发生率也在逐年上升［23］，因常并发致命的产后出血而成为产科主要的严重并发症。

UAE凭借其能够迅速止血、使用范围广、能保留患者子宫的优势在胎盘植入的治疗中得到广泛应用［24-25］。

通过构建植入胎盘数字化三维模型，可知植入性胎盘的供血动脉不仅为双侧子宫动脉，卵巢动脉参与供血的病例也较为多见。

通过了解植入胎盘的供血动脉来源及血供丰富程度，可指导UAE操作，尽可能地减少手术时间及充分栓塞供血动脉，为后续行清宫操作减少患者出血量提供了治疗基础。

瘢痕妊娠也是近年来因剖宫产率增高而新发的一种产科远期相关并发症，极其容易误诊，并且常因阴道流血而B超诊断宫内妊娠而误行保胎治疗，延误诊治导致患者难治性子宫出血，严重者需行子宫切除术而使患者丧失生育能力。

一旦B超怀疑子宫瘢痕妊娠，通过构建其数字化三维模型，可明确妊娠囊的部位、与子宫瘢痕的关系及妊娠囊的供血来源及血供丰富程度，以明确诊断，及时处理。

2.数字医学技术在妇产科疑难疾病诊疗中的应用

应用三维重建技术构建的数字化三维模型不仅能直观地呈现腹盆腔脏器之间相互毗邻的关系，还能通过其特定的血供来源对不同的腹盆腔病变进行诊断及鉴别诊断，辅助制定手术方案及评估手术可行性，为临床诊疗提供新的思路。

（1）数字医学技术辅助诊断来源不明的盆腔包块

传统的影像学技术是通过二维灰阶的变化和组织脏器之间的毗邻关系对病灶进行诊断，但对于复杂的盆腔包块来源有时难以确定。

从解剖角度上讲，每个组织器官有其特定的供血动脉，如子宫动脉供血子宫、膀胱动脉供血膀胱等，根据这一特点，可从供血动脉角度推断病灶来源。

三维重建模型不仅可以观察组织脏器间的毗邻关系，还能明确其供血动脉，以此可对疾病进行鉴别诊断，为临床提供了另类的诊断视觉。

残角子宫是较为常见的生殖系统畸形之一，且常常伴随泌尿系统的畸形，需与游离肾、子宫浆膜下肌瘤、阔韧带肌瘤及附件包块等相鉴别。

常规的影像学检查往往仅能根据其位置及影像学性质来进行辨认，未能给予肯定的诊断。

图5显示1例盆腔包块患者行术前B超、CT及MRI分别诊断为右侧附件包块、右侧游离肾、残角子宫等，经CTA扫描数字化三维重建后发现包块与子宫分离，由右侧子宫动脉单独供血，左侧子宫动脉不参与供血，且为左侧单肾畸形，右肾缺如，因此考虑为残角子宫，遂经行宫腹腔镜联合检查证实为右侧残角子宫。

盆腔巨大包块往往在术前难以明确其来源，常在行剖腹探查术时方发现该包块并不来源于女性生殖系统而需请其他外科医生辅助手术。

图6显示1例盆腔包块来源不明的患者行CT扫描后通过三维重建发现肿物血供来源于右侧腹壁下动脉，肿瘤呈不规则形态位于耻骨后、膀胱前，并延伸至耻骨下方导致膀胱受压，而子宫形态正常，因此考虑肿瘤来源于膀胱，随后手术证实为膀胱前壁高分化肉瘤。

图5.残角子宫数字化三维模型

图6.膀胱平滑肌瘤数字化三维模型

（2）数字医学技术在制定手术方案及评估手术可行性中的应用

对于首次/复发恶性肿瘤、多次手术史的患者，由于盆腔内结构复杂，手术是否可行、手术风险如何、手术如何实施等向来是困扰妇科临床医生的大难题。

以往临床医生仅能在剖腹探查时根据情况决定是继续行手术治疗亦或关腹，这不仅仅使术者处于被动状态，更对患者及家属的身体及心理造成不必要的创伤。

数字医学技术的出现为上述问题的解决提供了可靠的依据，临床医生通过对模型的三维立体观察和分析来制定手术方案，从而对患者的情况做到心中有数。

1例因子宫肌瘤行全子宫切除术后10年发现盆腔巨大包块1个月的患者进行了CT扫描检查，我们通过获取原始CT数据集并构建了其腹盆腔三维模型，并在模型上发现肿物的血供主要来源于左侧髂内动脉，肠系膜下动脉参与部分供血，右侧髂内动脉不参与供血，乙状结肠和左侧输尿管移位，据此考虑肿物来源于盆腔左侧向右生长，将乙状结肠和左侧输尿管推向右侧。

根据该模型制定了先行左侧髂内动脉栓塞后再予以切除的治疗方案，术中发现肿物与周围脏器的关系与重建模型相符，切除肿物大小约25cm×23cm×22cm，术后病理为低度恶性平滑肌肉瘤。

通过对数字化三维模型的观察，还可对来源不明的盆腔包块与血管、邻近器官、神经等组织之间的关系进行分析，评估其手术难度及可行性。

图7显示1例子宫肉瘤4次手术后复发病例进行CT扫描后行三维重建，模型清楚地显示其中盆腔右上侧较大的盆腔包块位于右侧髂内外动/静脉分叉处，包绕血管，并压迫右侧输尿管，导致输尿管上段扩张，右肾轻度积水；左下侧包块位于左侧闭孔窝，有较大面积紧贴在左侧骨盆壁上，同时又有左侧髂内动静脉和闭孔神经穿过。

根据该患者三维模型的特点，评估其左侧闭孔区肿瘤手术风险太大，手术将威胁患者生命，因此决定放弃手术，改用保守治疗方法。

图7.复发子宫肉瘤数字化三维模型

四、展望

数字医学是一个新兴的学科，其与传统的学科相交叉、相互融合而产生了新的理念、新的技术。

目前看来，其在妇产科学中的发展趋势和应用前景是非常光明的。

从疾病诊断及手术评估的角度来看，通过数字化三维重建技术实现“术前个体解剖真人化”可以在术前清晰地显示患者盆腔解剖结构及各级动脉分支的走行，为术者提供患者个性化的盆腔解剖，以缩短手术时间、提高手术成功率、减少手术并发症。

从仿真手术的角度来看，通过在术前构建患者的盆腔数字化三维模型，利用计算机软件可实现手术演示，同时为机器人仿真手术及远程手术的实现及优化提供理论基础。

从科研、教学的角度来看，通过构建不同疾病的妇产科数字化三维模型，建立妇产科相关疾病数字医学诊疗平台，可为临床工作者提供不可多得的医学教材及科研基础。

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