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数字技术（digital technology）是应用数字化的技术手段，如计算机技术、人工智能、虚拟现实技术等，发现医学现象、解决医学问题、探讨医学机制、提高生命质量的一门科学。它是计算机科学与信息技术的发展达到较高水平之后，向整个生命科学领域发生渗透、融合，将医学信息转化为计算机能够识别的符号，继而完成处理、传递、存储和利用人体三维图像，以更好地完成医疗过程的一门科学。数字技术可提供直观化、可视化、精确化的信息，将医学研究和临床实践推进到一个前所未有的新高度。
各种医院管理信息系统（hospital Information system，HIS）和临床信息系统（clinical information system，CIS）的开发与实施、区域医疗协同与医联体、远程会诊、医疗检查诊断技术的数字化、数字医院的打造、数字化医疗设备的研发等都属于数字技术与医学相互渗透的范畴。
数字技术的起步可追溯至20世纪70年代，X线检查中CT的问世实现了早期医学图像的数字化、可视化。随后接踵发展的MRI、DSA、PET、SPECT和各种超声等数字化图像及功能性显示技术将数字化技术的发展推向了多元化、全面化的方向。
在一些发达国家，如美、英、德等在前沿的医学影像、手术导航等临床数字医学领域已率先取得了突破性进展，并产生了大量的临床研究及诊疗设备。近些年，国内各领域与数字技术的融合研究也越来越多，范围越来越广：利用虚拟手术系统展开术前模拟；在术中通过手术导航指导手术进程；3D打印技术的日益进步，加速了个性化医疗的进程；机器人的使用让手术更加精准；远程医疗使得医疗资源得以共享；基于数字技术的介入诊断和介入治疗；数字化医院的建设等。目前，数字技术贯穿于整形外科临床实践中的各个过程，对术前诊断、术中治疗、术后评估均起到了量化指导的作用。
数字技术整合医学影像学资料，进行三维重建，得到病患部分的三维结构及其周围正常组织的关系。通过计算机运算方法，在虚拟平台上模拟手术，生成手术方案。并在此基础上，利用3D 打印技术制作实体模型，帮助外科医生对一些复杂手术进行操练，提高手术的成功率。
这种方式对经验尚不丰富的医生来说更有帮助，且对于需要重建对称性的手术尤为有用，可以根据同一患者的健侧部位来逆向建模，有利于准确对比患侧与健侧结构的差异，分析患侧的增减方案。除了进行术前模拟策划，还可以通过3D打印模型向患者及家属详细讲解病变的复杂性及手术操作的危险性，取得患者及家属的理解与配合（图1-10-1）。
图1-10-1 下颌角截骨术前设计
术前在虚拟手术系统中施行虚拟手术，获得较为满意的手术效果，生成相应的截骨平面、截骨角度等信息。
据文献报道，美国一位儿科医生成功打印制作出人体心脏实物模型，用于术前研究，使手术操作人员更好地掌握患者心脏结构，从而减少手术风险。美国Children’s Hospital of Philadelphia在实施患儿头颅分离手术前，使用3D打印技术制造了婴儿连体头颅模型，并对手术方案进行充分的研究分析。最终，在3D打印模型的帮助下，他们将往常耗时72小时的同类型手术缩短到了22小时。
利用数字技术，医生术前可以更加直观地诊断病情，制定手术方案，研讨术式及模拟手术，使手术更加精确和个性化，提高复杂高难度手术的成功率，缩短手术时间，并使手术更安全精确。同时，通过3D打印可清晰直观地显示患者的疾病状况，如复杂骨折与畸形，提供比医学影像资料更加详细的解剖学信息，实现了由二维到三维、由平面到立体、由虚拟到现实的转变。医生可直接在此模型上进行手术设计及模拟，以确保手术的成功，为临床疾病的诊断及治疗提供了精确化、个性化的新型思路和方法。
传统外科手术的施行依赖医生的经验与熟练程度，这些主观因素在很大程度上决定了手术的成败。而数字化技术在术前精确设计的基础上，通过3D打印技术或术中导航技术进一步缩短了虚拟与现实之间的距离，将手术方案转化为手术导板，通过3D打印制作出导板实物，以实物引导手术的进行；或者通过手术导航直接将手术方案投影至手术区域内，以图像引导手术进行（图1-10-2）。从而确保术前设计方案的有效性，提高手术的精确性和安全性。
图1-10-2 3D打印医学模型
美国俄亥俄州一个患儿Kaiba Gionfriddo的气管有先天性缺陷，出生6星期后出现呼吸困难的情况，医生在他喉部植入一个3D打印的人工气管后，使其得以正常呼吸。几年之后，人造气管会在体内自行降解，而患者自身的支气管可发育到能够维持正常呼吸的水平，《新英格兰医学杂志》（ The New England Journal of Medicine ）对此进行了报道。戴尅戎等在3D 打印的骨盆模型上设计人工半骨盆假体，保证了与股骨的精确匹配。
He等使用3D 打印钛铝合金和陶瓷复合材料制作符合个性化半膝关节，并在陶瓷结构内附着微管道用于辅助降解和成骨，解决了全膝关节置换导致青少年腿部发育延缓的难题。Kozakiewicz 等用3D 打印钛合金内植物修复眶底骨折，取得良好的固定效果和适配度。3D打印的义齿修复牙套使得牙冠修复时间由7天缩短到1小时，带来一场金属3D 打印口腔修复革命。比利时Hasselt大学完成了首例人工全下颌置换术，术后患者恢复大部分说话、吞咽功能。多家机构基于先进的数字技术研发出术中导航系统，用于颅内肿瘤及经颅注射最佳路径的显示。
随着数字技术的不断发展，新的术中干预技术仍在不断地涌现，这些技术均以实现手术的可视化、可控化为目标，将人为的、主观的手术操作转变成精确可控的安全操作，“量体裁衣，度身定做”，在患者个性化术前设计的基础上，真正将术前设计的预计结果转化为现实，提高手术质量。
知识点：3D打印技术的原理
3D打印技术（又称快速成型技术或增材制造技术），目前在社会各领域的应用越来越广泛，被誉为是“第三次工业革命的标志”，将成为改变未来世界新的创造性科技，使人类即将进入“点击制造”时代。
3D打印技术的原理是通过分层制造、叠加成形的方式逐层增加材料，将计算机模型数据“打印”形成3D实物。3D打印技术最突出的特点是不受传统制造技术的限制，摒弃生产线直接从计算机图形数据中制作任意复杂几何形状的实体，大幅提高生产效率，降低生产成本，可以实现单件、个性化产品的快速制作。
3D打印技术的飞速发展也为生物医学领域提供了难得的发展契机，尤其是数字医学领域更是对3D打印技术具有天然的亲和力。数字医学通过数字化技术使传统医学跟上数字化时代，3D打印技术的出现为数字医学的发展注入新的活力，引领一场新的医学革命。
根据美国技术咨询服务协会Wohlers Associates 发布的2012年度报告，全球3D打印行业在2011年销售额为17.14亿美元。据预测，该行业的市场规模到2015年将达37亿美元，到2019年将增长到65亿美元，医学约占其中的15.1%。随着医学个性化需求的不断扩大，3D 打印技术在医学领域的应用将快速增长。
目前手术效果评估多以医师患者的主观量表体现，缺乏客观统一的衡量标准，而有了数字技术的帮助，可获得手术前后病患区域的三维图像，手术对病患区域的改变一目了然。通过计算机运算，还可以将实际的术后结果与预计的手术方案相比较，得到实际手术与手术设计之间的差别（图1-10-3），不仅有利于客观评估手术的效果，还可用于不同手术方法之间的比较，得到客观的证据结果，推动外科手术的发展。
图1-10-3 术后量化评估及面部对称性热图分析
【临床病例讨论】
患者赵某，男性，30岁，因车祸外伤后额部凹陷18个月，要求手术治疗。
现病史：患者因2015年6月12日外伤后，随即出现昏迷，一过性意识障碍，伤后就诊于当地医院，行头面部CT（报告未见）示：额部骨质凹陷，面部软组织挫裂伤。与当地医院行面部清创术后，伤口愈合，遗留面部畸形。现因面部畸形来我院就诊，为进一步治疗，门诊以“额鼻部凹陷”收治入院。
既往史：否认高血压、糖尿病等病史，否认结核、肝炎等传染病史。
手术外伤史：2015年6月12日于车祸外伤后，在当地医院行面部清创缝合术。
个人史、家族史：无抽烟饮酒史，兄弟姐妹体健，否认家族遗传病史。
查体：体温37.1℃，脉搏75次 /min，呼吸20次/min，血压117/85mmHg。神志清晰，精神尚可，呼吸平稳，营养中等，表情自如，发育正常，自主体位，应答流畅，查体合作。全身皮肤无黄染，无肝掌、蜘蛛痣，全身浅表淋巴结无肿大。面部可见多处陈旧性瘢痕，前额凹陷，巩膜无黄染，眼球无突出，瞳孔等大等圆，对光反射灵敏。听力正常，外耳道无分泌物，耳郭、乳突无压痛。鼻根部凹陷，无触痛，鼻梁居中，鼻翼无扇动，鼻窦区无压痛。口唇光泽红润，口腔无特殊气味，伸舌居中，扁桃体无肿大，腮腺正常（图1-10-4）。
辅助检查：头颅CT示额骨骨折，双侧上颌骨骨折，鼻骨骨折，左侧眶内侧壁骨折。
图1-10-4 患者术前正面照片
患者为陈旧性面部外伤，遗留面部多处骨折畸形，而骨折移位并不明显且不伴有功能障碍，可将该患者视为以修复外形为主要目的的单纯性面部畸形患者。
外伤史明确，需注意骨折区域重要结构是否具备完整性，有无重建完整性的必要，如泪小管、泪道、眶内侧壁等。
术前将CT扫描数据导入三维平台后重建病患局部，见额骨、鼻骨及两侧上颌骨鼻突均布有骨折线，并有连续的骨痂覆盖。面中部凹陷区域面积大约9cm×6cm。患者除对外形不满意外，余无功能障碍（图1-10-5）。
图1-10-5 患者术前三维CT重建图像
完善术前检查，包括血常规、血生化、凝血功能、血及输血前全套检查、心电图及胸片等。
头颅CT检查，三维薄层CT平扫，导出DICOM数据，输入三维重建平台，重建患者头面部三维图像。分析病患区域的解剖特征，制定修复方案，施行虚拟手术。
三维重建平台重建患者的三维头颅模型，布尔运算得到3D头颅双侧的差别，生成一修复体使得患者额头适当饱满，并与骨质缺损边缘平滑过渡。修复体文件保存为STL格式。
该修复体STL文件输入3D打印机，打印出额部修复体的实体模型，作为阳模制备羟基磷灰石/医用树脂（EH）复合物（图1-10-6）。
图1-10-6 术前模拟：修复体与骨质缺损区域螯合良好
患者接受全麻手术，冠状切口掀开头皮，将EH复合物放置于骨质缺损处，修复体与周围骨质吻合良好，钛板钛钉固定修复体，缝合伤口。
患者在院5天，术后恢复良好，外形满意，术后1周拆线。术后复查头颅CT扫描，显示修复体与周围骨质过渡光滑（图1-10-7）。患者对手术效果满意，定期随诊。
图1-10-7 患者术后CT重建图像及照片
【复习题】
1.数字技术的定义是什么？可以运用于医疗的哪些阶段？
2.数字化治疗的一般流程是什么？
3.3D打印的原理是什么？
（朱 明 柴 岗 李青峰）
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