当数学遇上医学——记浙江大学求是特聘教授孔德兴

本刊记者 李 冲

在首届数字医学西湖论坛上做演讲

数学源于人类早期的生产活动，在人类历史发展和社会生活中发挥着不可替代的作用，在物理、工程、材料等诸多领域中广泛应用。当然，数学因此也成为现代科学技术必不可少的基本工具。而当数学遇上医学，孔德兴让人们感受到数学在医学中的奇妙作用，更看到精准医疗的未来。

把数学引入医学领域

自2008年以来，孔德兴一直致力于数学和医学的交叉研究，在国际上率先提出了数理医学的概念。“医学与现代数学、物理学相交叉是今后科学发展的一个重要研究方向，它具有十分重要的科学意义和广泛的应用价值。这一崭新的交叉学科不妨称之为数理医学”，在首届数字医学西湖论坛上，孔德兴在介绍科研成果的同时，也阐述了把数学引入医学领域，实现精准手术的目标。

从有了把数学引入医学这个想法，并确定有极大的可行性后，孔德兴开始了他漫长的研究探寻，从基础数学转战应用数学，又从应用数学拓展到数学物理，又再次回到应用数学、特别是图像处理研究上。这期间，复旦大学、理论物理国际中心（意大利）、日本学术振兴会、上海交通大学、哈佛大学都留下了他的足迹，探寻、研究、不懈努力伴随他左右。2008年作为求是特聘教授，他应邀加入浙江大学数学系，从此开启了数学与医学对接、运用的征程。

先进的数学模型和高性能的科学算法是图像分析与处理应用软件高精度及高速度的核心部分，是当代医疗设备的核心技术。然而，当前我国数学与医学真正的交叉与应用不多，特别是与临床诊疗结合甚少，针对这样的情况，他及其合作者建立了一些高效、精确、强大的全自动分割及可形变图像配准算法，这些算法被认为是图像引导下的放射性治疗的尖端技术，能在保存正常组织的同时对肿瘤的位置进行精准的定位，也为医生提供所有器官的解剖信息，使器官组织的内部结构更清晰可看，为医生能快速、定量、方便地定位准确的病灶，实施更精准手术创造了条件。

为能从更深层次找到疾病的发病规律，他及其合作者独创了肿瘤跟踪技术，不仅能精确有效地跟踪放疗过程，还能深入观察肿瘤的发展变化，为进一步探明肿瘤发生的原因和规律提供了参考依据。在数学、物理学与医学影像的对接中，他首创了癌细胞运动图像分析方法，能有效诊断早期乳腺癌等疾病，为研究发病机制提供了理论依据。

如果没有数学这个工具，这些医学方面的应用就不能实现，也不能为疾病的探究提供强有力的工具，也不能为医学的进一步发展提供有效手段。他认为，“医学的发展势必与数学、物理学相交叉，同时还要与计算机科学、信息论及大数据科学等互联网科技关联。这是现代医学发展的需要，也是数学的需要。”

数字化让医学诊疗更精准

当前，全球范围都强调医疗精准，而“识图”是精准医疗的关键，通过X射线、CT、MRI等成像技术，取得人体内器官组织影像，从中获取内在信息，为临床医生提供更清晰、更精确的信息，以利于对疾病的进行准确的诊断、从而制定出合理的治疗方案。但是，由于医学图像数据量大、种类多的特点，给医学图像处理与分析带来很大困难，甚至产生误差，影响临床手术的成功。对此，孔德兴及其合作者建立了若干新颖的图像去燥与图像分割模型以及相应的快速算法，这在数字化医学及手术导航技术中具有十分重要的作用，并成功运用于活体肝脏移植手术。

按惯例，为保证手术成功，医生一般会在手术前，对肝脏内的血管分布、结构信息以及肝脏体积的进行准确测量，这是手术成功的决定因素，也是术前评估的重要依据，只有详细完整的个体解剖信息才能有效降低手术风险，提高手术成功率。然而由于各医院的CT机等成像设备随机附带的软件功能存在很大差异，不能准确显示完整的血管结构，以及同时显示三套血管系统，加之，在肝脏体积测量方面，需要人工划出肝脏区域，这样不仅耗时，而且不能及时进行信息处理，使手术时间延长。

看到传统诊疗中的“无奈”，孔德兴决定开发一套“数字化肝脏及手术导航系统”软件，把前期研发的高性能科学算法利用计算机建模，在通过电脑演示中，仅用3～4分钟就快速提供了详细完整的可视化2D、3D肝脏解剖信息，还能通过三维重建和融合得到肝脏及血管完整、准确的几何结构，不仅可为活体移植提供详细的解剖信息，还可模拟手术。同时能精确地测量全肝脏体积及模拟手术后的左、右肢体积，血管切面直径等定量信息。他设计的这个软件被成功用于浙江大学医学院附属第一医院印尼肝癌患者活体肝移植手术，这是印尼历史上首例活体肝移植手术，也是我国第一例成功走出国门的活体肝移植手术。“这套软件无论是，在理论上，还是在应用上都是一流的”，印尼医院给予了高度评价。

“精准”是孔德兴始终追求的目标。2014年，他与浙江省肿瘤医院合作，对一名肝脏肿瘤巨大患者进行了精准临床手术，并取得成功。

射频消融术是利用人体体液中含有离子、水、胶体微粒等大量移动传导电介质，通过高频交流电和高频振荡，使离子快速运动，相互磨擦产生生物热作用，并针对肿瘤散热差、癌细胞对高热敏感的特点，使肿瘤组织温度高于其邻近正常组织，运用这种生物热杀灭癌细胞。

为使手术精准，尽可能减小手术对病人的伤害，他设计了肝脏肿瘤射频消融术术前精准模拟规划以及用于手术导航的“精准射频消融肝脏肿瘤系统”。经过数字化肝脏系统的评估，医生发现患者的预留肝脏不具备一步到位的手术，按照孔德兴设计的术前精准模拟规划及手术方案，医院对患者实施了门静结扎和射频消融断肝，减小了切除损伤，为患者最终找到了合适时机实施手术，取得圆满成功，他开发的这套系统实现了手术精准的术前评估，还大大降低了手术风险。

2015年，在BFC医疗健康产业商务与融资合作交流会上，他研发的数字化肝脏及手术导航系统路演，吸引了全场的关注，并被誉为“让医生‘走进’人体内，把一切都看清楚，像摘苹果一样轻松摘除肿瘤的先进科技”。

数字化肝脏及手术导航系统帮助医院解决了临床手术难题，也为孔德兴的研究开拓了一条宽阔的道路。为使他的研究项目产业化，浙江大学创新技术研究院为此成立了一家高科技公司，该公司致力于现代数学理论深层次地应用到医学图像处理与分析的研究、开发和应用等方面。他们利用3D重建，配准，分割，器官、血管、肿瘤精确定位、布针方案、B超引导手术导航、针头定位算法等，开展了早期检测与诊断、术前精准模拟规划、术中实时导航、术后评估等。同时，成功开发了有多项国家发明专利的具有自主知识产权的高科技产品，包括应用于活体肝移植术前精准模拟规划的“数字化肝脏与手术导航系统”；应用于肝脏肿瘤射频消融术的术前精准模拟规划及手术导航的“精准射频消融肝脏肿瘤系统”、“良性肿瘤、恶性肿瘤的甄别系统”等。

面对这些关于数学与医学相交叉方面取得的成就，孔德兴只淡淡地告诉记者，“我的目标是把数理医学真正发展成为一门学科，最终建立一个‘数学方程’来阐明生命科学中的一些基本规律”。