《數字醫學導論》是一本較為系統、比較全面介紹數字醫學這一新興前沿交叉學科的基本概念、基本技術、基本知識、基本理論以及主要研究與應用成果、前沿進展的一本學術專著。編寫的要求為要使《數字醫學導論》具有引領性、前沿性、預見性、權威性。編寫的目的是為廣大讀者了解和掌握有關數字醫學的發展脈絡、有關概念、技術方法、知識理論和前沿進展，推動數字醫學的普及和研究以及應用水平的提高。《數字醫學導論》內容豐富，重點介紹了數字化診斷與治療這一數字醫學的核心內容，同時，數字化醫療儀器設備和數字化醫院建設及醫政管理也占了必要的篇幅。《數字醫學導論》包括緒論共有24章，其中，緒論介紹數字醫學的基本概念、內涵、理論基礎和發展趨勢等；**至六章介紹數字醫學技術方法；第七至十二章介紹數字化人體解剖與組織結構研究，以及數字化制造、手術導航、手術機器人和虛擬技術的原理與實踐；第十三至二十一章較詳細地介紹了數字技術在臨床各領域的應用；第二十二、二十三章討論數字化臨床決策和數字化醫院的構建。
《數字醫學導論》是國內**部重點闡述數字醫學核心內容的學術專著。既可作為數字醫學學術研究和臨床應用的權威參考書，也可作為臨床醫學、基礎醫學、生物醫學工程學等專業研究生和本科生數字醫學課程的教科書。
緒論（1）
第一節數字醫學的概念與基本內涵（1）
第二節數字醫學的基本特征（3）
第三節數字醫學產生的理論與實踐基礎（5）
第四節國外數字醫學研究與發展現狀（11）
第五節我國數字醫學研究現狀與數字醫學新學科的誕生（14）
第六節數字醫學的發展趨勢（18）
第一章數字化影像技術（21）
第一節數字化X線影像技術（21）
第二節CT影像技術（28）
第三節數字減影血管造影技術和介入放射學影像技術（54）
第四節超聲影像技術（72）
第五節磁共振影像技術（87）
第六節核醫學影像技術（118）
第七節分子影像學技術（137）
第八節數字化醫學影像學網絡技術（150）
第二章數字化斷層解剖學的研究現狀與發展趨勢（157）
第一節斷層解剖學的發展歷史（157）
第二節斷層解剖學的研究現狀（158）
第三節斷層解剖學發展趨勢（162）
第三章數字化人體數據集采集（164）
第一節概述（164）
第二節美國VHP數據集的構建（166）
第三節人體管道鑄型技術（168）
第四節中國數字化人體標本的遴選和處理（173）
第五節數字化人體數據的采集設備（176）
第六節斷層數據的采集和存儲（181）
第四章醫學圖像處理與分析（185）
第一節醫學圖像的發展（185）
第二節圖像變換（189）
第三節圖像的運算（196）
第四節圖像增強（202）
第五節圖像復原（209）
第六節圖像分割（211）
第七節圖像描述與分析（218）
第五章醫學圖像的計算機三維重建與可視化（223）
第一節概述（223）
第二節數據源及醫學圖像處理（231）
第三節醫學圖像配準（231）
第四節醫學圖像分割（235）
第五節圖像測量與數據重采樣（239）
第六節計算機三維重建與可視化算法（240）
第七節常用三維重建與可視化軟件（254）
第六章生物醫學研究中的定量分析與仿真計算（256）
第一節生物醫學定量研究中的體視學方法（256）
第二節數字技術在血管病變研究中的應用（273）
第三節肌骨生物力學數值模擬及應用（278）
第七章數字解剖學（288）
第一節概述（288）
第二節數字人（292）
第三節數字解剖學教學（306）
第四節數字解剖學的典型應用（319）
第五節未來發展趨勢與展望（321）
第八章組織微細結構的三維可視化（323）
第一節顯微標本制備及圖像采集（323）
第二節顯微圖像加工和配準（327）
第三節配準后腎小管程序追蹤與三維可視化（329）
第四節建立在腎小管走行追蹤基礎上的膜蛋白定位（331）
第五節建立在腎小管走行追蹤基礎上的各節段亞細胞結構分析（332）
第九章數字解剖學圖譜在小動物研究中的應用（334）
第一節概述（334）
第二節小動物數字解剖圖譜的研究進展（334）
第三節小動物數字圖譜的應用（348）
第四節小動物數字圖譜的發展趨勢展望（353）
第十章數字化制造技術在醫學中的應用（354）
第一節幾何建模技術（354）
第二節逆向工程與快速原型技術（357）
第三節虛擬現實技術及其應用（360）
第十一章手術導航技術（369）
第一節手術導航定義及工作原理（369）
第二節相關軟件（376）
第三節手術導航技術的歷史（376）
第四節IGI的應用（376）
第五節展望（378）
第十二章骨科手術機器人技術（379）
第一節概述（379）
第二節骨科手術機器人的分類和技術特點（380）
第三節骨科機器人手術的一般工作流程（383）
第四節骨科手術機器人技術研發的關鍵技術（383）
第五節未來發展趨勢與展望（389）
第十三章數字虛擬技術在骨科的應用（391）
第一節數字技術在創傷骨科的應用（391）
第二節數字技術在關節外科的應用（412）
第三節數字技術在脊柱外科的應用（424）
第四節數字技術在骨腫瘤外科的應用（436）
第五節數字技術在骨科器械研發中的應用（453）
第十四章三維可視化和虛擬仿真手術技術在肝膽胰外科中的應用（461）
第一節國內外研究概況（461）
第二節肝膽胰外科中的數字化技術（465）
第三節肝膽胰外科疾病解剖數字化（473）
第四節肝膽胰外科疾病手術可視化（491）
第五節數字化技術在肝膽外科教學及培訓中的應用（555）
第十五章數字與信息技術在精確放射治療中的應用（558）
第一節概述（558）
第二節數字成像與精確放射治療（560）
第三節放射治療信息系統（567）
第十六章數字化技術在眼科中的應用（571）
第一節概述（571）
第二節眼科圖像數字化處理和形態建模技術（571）
第三節人眼及其關鍵結構的物理特性數字化建模（585）
第四節眼內病生理過程的生物功能數字化仿真技術（613）
第五節數字化技術在眼科臨床中的應用（621）
第十七章數字技術在耳鼻咽喉 頭頸外科中的應用（629）
第一節概述（629）
第二節耳鼻咽喉器官的形態結構建模與分析（630）
第三節計算機輔助手術在耳鼻咽喉 頭頸外科中的應用（638）
第四節耳鼻咽喉器官的功能建模與數值模擬（643）
第五節展望（650）
第十八章數字醫學在整形外科的研究與應用（651）
第一節概述（651）
第二節研究進展（652）
第三節趨勢與展望（662）
第十九章數字化技術在口腔醫學中的應用（663）
第一節數字牙的構建（663）
第二節數字化X線技術（668）
第三節數字化技術在口腔醫學中的應用（669）
第二十章數字交通醫學（672）
第一節概述（672）
第二節國內外研究進展（673）
第三節我國數字交通醫學的研究現狀與地位（679）
第四節我國數字交通醫學研究特色（680）
第五節未來發展趨勢與展望（688）
第二十一章數字中醫藥（690）
第一節中醫理論與數字科學（690）
第二節中醫基礎理論數字化（692）
第三節中醫診斷數字化（695）
第四節中醫傳統療法數字化（697）
第五節中藥數字化（698）
第六節中醫教育、文獻數字化（698）
第七節數字中醫藥研究問題與展望（699）
第二十二章臨床決策支持系統（700）
第一節臨床決策支持系統概述（700）
第二節醫學知識庫（702）
第三節決策推理技術（706）
第四節臨床決策支持系統與電子病歷的集成（715）
第五節基于數據挖掘的知識發現與優化（718）
第六節臨床決策支持系統應用評估（721）
第七節臨床決策支持系統案例分析（724）
第八節面向骨科臨床的數字醫療輔助診斷與決策支持系統（737）
第九節臨床決策支持系統的發展趨勢與展望（751）
第二十三章數字化醫院建設（754）
第一節數字化醫院的定義（754）
第二節數字化醫院發展現狀與趨勢（754）
第三節數字化醫院的建設要點（755）
第四節醫院數字化的應用（758）
參考文獻（770）
第一節
數字醫學的概念與基本內涵
當前，在科學技術前沿的重要領域中，生命科學和信息科學的發展都非常迅速。信息科學尤其是計算機科學與技術的快速發展使得人類社會進入了數字化時代，由計算機和網絡技術引發的數字化技術革命，已經深入到各個不同的領域。生命科學運用數字化技術大大加快了自身的發展。這兩大前沿科學的有關技術交叉、滲透、融合后，涌現出很多新的學科生長點和熱點研究領域。
數字醫學(digital medicine)是應用現代數字化技術，解釋醫學現象、解決醫學問題、探討醫學機理、提高生命質量的一門科學。它是現代醫學和數字化高新技術相結合，以醫學為主體，涵蓋了計算機科學、數學、信息學、電子學、機械工程學、生物醫學工程學等多學科的一門新興的前沿交叉學科領域（緒圖1）。數字醫學的核心是采用數字化高新技術提高臨床診斷和治療的水平。
緒圖1數字醫學的產生（學科的交叉與融合）
以臨床醫學專家為主體，結合基礎醫學、預防醫學、中醫學、計算機科學、數學、物理學、信息學、電子學、機械工程學、生物醫學工程學等多學科學者的參與，對數字醫學所包含的一系列技術、方法、知識、理論進行研究，并在臨床診斷和臨床治療中應用，提高臨床診斷和治療水平，是數字醫學的基本內涵。
數字醫學的概念有廣義和狹義之分，其內涵也有大小之不同。狹義的數字醫學概念是指運用現代數字化技術，解決臨床醫學、基礎醫學、預防醫學、中醫學等醫學范疇內的基礎研究和臨床應用問題，提高對生命現象和疾病本質的認識，提高診斷和治療的水平的一切理論、知識、技術、方法。廣義的數字醫學概念，除了包含狹義數字醫學的內容外，還包含了數字化醫療設備的研發和應用、數字化醫院建設和數字化醫政管理這兩個方面的內容。廣義和狹義兩個概念之間的關系請見緒圖2。
緒圖2 廣義數字醫學和狹義數字醫學的概念
就狹義數字醫學而言，它是近十年來隨著計算機科學和技術的發展以及在臨床診療中越來越廣泛的應用而發展起來的。例如，在臨床影像診斷中，傳統的主要手段是X線檢查，是X線穿過人體在膠片上曝光后留下的影像，沒有數字化的成分。而CT則是在計算機技術出現以后通過對人體進行X射線斷層掃描重建出人體斷層圖像，MRI則是將人體置于外加磁場中使原子核自旋系統受到外界作用引起共振效應，同時釋放出微弱的能量，成為射電信號，把這些信號檢出，并使之能進行空間分辨，就得到運動中原子核分布圖像，經過計算機重建和顯示，得到磁共振圖像。因此，CT、MRI都是數字圖像，需要進行計算機處理，方能為肉眼可見圖像，這就含有了數字醫學的成分。又如，在臨床外科手術中，傳統的剖腹探查，即先切開，后觀察(cut，then see)，沒用數字化的成分。而采用CT、MRI先行檢查，先看到病灶，甚至把病灶三維重建出來看清它與周圍解剖結構的關系，然后切開手術(see，then cut)，這就屬于數字醫學的范疇了。
就廣義數字醫學而言，除了包含狹義數字醫學的內涵外，一切運用現代數字化技術進行醫療診斷、治療和康復儀器設備的開發和應用（如PET、手術機器人等），一切運用現代信息技術進行數字化醫院建設和醫政管理以及區域化醫療衛生網絡建設和遠程診斷和治療等，都屬于數字醫學的范疇。
數字醫學的內涵是以數字化技術為核心，以信息技術和通信技術為基礎，全方位滲透到基礎醫學、臨床醫學、預防醫學、康復醫學等醫學領域的各個學科，多角度輻射到醫療衛生機構、醫學科研院校、醫療行政主管部門、基層醫療衛生單位等，深層次覆蓋到教學、科研、臨床醫療、疾病防控、康復保健等各個專業。
數字醫學導論緒論數字化技術，尤其是網絡技術，特別是互聯網技術和移動互聯網技術，已經改變了或正在改變著原有的理論知識、技術方法、工作流程、業務模式和運行機制，甚至人們的思維觀念、行為意識和價值取向也在悄然發生著變化。現代數字化條件下創造的新理論、新知識、新技術、新方法和新產品，諸如數字化影像診斷、數字化手術規劃與設計、數字化手術模擬與導航、數字化醫院、數字化手術室、數字化醫療設備、數字化醫學教育、數字化管理等在醫學領域深入而又廣泛的應用，極大地提高了醫療、科研、教學、管理等各方面的技術水平、工作質量和工作效率，取得了顯著的社會效益、管理效益和經濟效益。
數字醫學是當代醫學領域理論、知識、技術和方法創新*活躍、**代表性的新興學科，它把計算機科學、信息科學為代表的當代科學的**理論、****和**產品應用到醫學領域，正在顛覆著一些傳統理論、概念、技術和方法以及診療模式和診療流程。例如，數字化人體對傳統醫療、科研、教學的沖擊就是其中的一個例子。數字化人體在技術上將人體器官、組織化約為0和1的排列組合之后，就可被計算機認知和處理，并可通過互聯網進行廣泛的傳播；手術機器人的出現，使得外科醫生的手不再直接操作手術刀；3D打印和快速成形技術正在使個性化醫療成為現實；數字化影像是診斷由大體形態學為主的階段，向生理、功能、代謝或基因成像過渡；圖像分析由“定性”向“定量”發展；影像診斷模式已經由膠片采集和讀片診斷改變為數字采像、電子化傳輸、個人電腦或手機閱讀；介入診斷和治療正在向實時可視化、立體顯示、微無創和無射線方向發展
數字醫學作為一個新興的多學科交叉領域，在知識結構、學科內涵、研究內容、研究方法、開拓范圍、學術體系、發展規律等多個方面與其來源的各個老學科相比，都具有許多的不同點，一旦脫胎出來，更具有全新的發展方向和自身特點。縱觀以往新學科的誕生，往往都是從多學科的交叉領域突破的。數字醫學雖然仍是醫學科學范疇，但它所包含的一系列技術、方法、知識、理論，在醫學領域原有各學科中從未有過，有些還是完全改變傳統概念、思路、體系、規律的革命性變化。例如，在數字化技術支撐下的手術導航技術、微創外科技術、個性化人工器官（如關節、骨盆等）技術、三維影像診斷技術等等都與原有的臨床醫學理論、技術操作、業務流程大不相同。如果拘泥于老學科、老知識而僅僅略加一點新技術、新工具，那就必然適應不了數字化時代醫學發展的要求。
數字化技術在醫學領域的廣泛應用，使得臨床診斷和治療的水平大為提高。一些以前診斷不了的疾病現在用數字化技術可以診斷了，以前無法做到的治療操作現在用數字化技術可以做到了。以影像診斷為例，由X線、CT、MRI的二維圖像到三維、四維圖像，使影像診斷的準確性和精細性大為提高；以外科手術為例，導航技術和個性化手術計算機設計使得手術的準確性和個體匹配性大為提高 隨著數字化技術研究的深入和應用的廣泛，外科學乃至整個醫學正朝著“精準化、個性化、微創化和遠程化”的方向發展。隨著進一步的發展，醫學本身的面貌會發生很大變化。我國著名外科學家黃志強教授曾預言“當數字醫學發展到一定水平的時候，原來醫學基礎理論和臨床經驗都很好的醫生和護士，如果不接受和學習數字醫學的新知識、新方法，面對數字化工作條件就會不知道怎樣操作、怎樣運行，就會成為一個落伍的醫學工作者。將來的外科醫生可能不得不與機器人為伍”，預見了數字醫學的重要性。
在醫學發展的歷史中，醫學與工程技術的結合產生了生物醫學工程學這一新的學科，現已成為醫學門類的一級學科。隨著這一學科的發展，又相應產生了醫學影像學、放射物理學、臨床醫學工程等一批新的學科專業。這些新的學科專業的產生反過來又對醫學的快速發展起到巨大的推動作用。現在，計算機科學與技術、網絡通訊技術、數字化信息技術等正日益廣泛而深入地滲透到醫學的各個領域，使得原有的學科布局、人才培養、機構設置都需要進行進一步的調整以適應數字醫學發展的需要。醫學科學技術、醫學工程技術、醫學數字技術的進一步結合、融合和研究力量的重組，不論是在大學、科研單位還是醫院，都已經勢在必行。以網絡環境下的數字影像技術為例，從臨床成像到影像診斷，影像診斷的信息流和工作流已經超越了原來傳統的影像科室，而出現了臨床科室、各影像科室、醫學工程、信息工程等科室和部門為了某一項影像學檢查同時在同一個數字化技術平臺上工作的情況，傳統的工作流程和機構設置作相應的改革也就變得很有必要了
世間萬物，永遠處于發展變化的歷史長河之中。數字醫學是一個剛剛誕生的新興前沿交叉學科，發展變化勢如破竹、一日千里。數字醫學的概念和基本內涵，現在只是一個初生的面貌，也必將快速地發展和變化。因為當今科學技術的發展日新月異，新的理論和技術層出不窮；人們對計算機科學技術、信息科學技術、現代制造技術等高新科技在醫學領域研究與應用的認識、理解和掌握是一個永無窮盡的過程；高科技在醫學領域的實踐活動的深入程度、創新程度和研究深度等都在快速發展。因此，數字醫學的概念、基本內涵甚至外延都會不斷發展和升華，永無一成不變的道理。
第二節數字醫學的基本特征
數字醫學體現了數字化、信息化、網絡化的基本特征，即學科之間的交叉性、數字技術應用的廣泛性、信息技術滲透的全面性、信息傳遞的快速性、信息選擇的多樣性、信息共享的便捷性和研究與實踐的同步性等。
一、 學科交叉與融合性
數字醫學是在計算機科學與技術、信息科學與技術等當今科技快速發展的大背景下，當代醫學與這些快速發展的科學與技術交叉融合應運而生的新興前沿交叉學科。因此，它呈現出多學科相互交叉、相互滲透、高度融合以及系統化、整體化發展的基本特征。實質上，數字醫學交叉學科的特征是理論體系和知識體系的融合，是知識、技術、方法的集成，是不同思維、觀念、理念的碰撞。目前，數字醫學在推動并促進傳統醫學發展的同時，已經成為醫學學科發展的主要驅動力之一。這是由于數字醫學不是一項、兩項簡單技術的組合，而是多學科、多技術、工程*前沿新技術群的“結晶體”。這個“結晶體”的各種成分互相影響，互相補充，相互促進，共同發展。計算機技術*初在醫學領域是單機、單系統的簡單應用。如今，系統化、數字化、網絡化滲透到醫學領域各個學科和專業之中，越來越多地與醫學其他學科密切聯系、高度結合，形成了相互交叉、相互融合的格局，促使新學科、新知識層出不窮。學科的交叉逐漸形成科學上的新理論、新發明的產生和新的工程技術的出現。如數字技術、電子技術與醫療設備交叉，形成了新型的數字醫療設備；數字技術與醫學成像技術結合，形成了數字醫學影像技術等。數字化滲透到醫學領域，促進了基礎醫學、臨床醫學、社會醫學等學科的飛速發展，無論是科研、教學和臨床，還是管理模式、工作流程和運行機制等，都已經或正在發生著革命性的變化，極大地改變了傳統醫學理論、方法和模式。數字化滲透到醫學科研、管理、教育和醫療等各項活動之中，各種醫學模式都正在從量變走向質變。這必然會引起人們生活習慣、工作方式、價值觀念以及思維方式等諸多方面的深刻變革，加快了醫學科學前進的步伐和醫療技術的尖端化，促進了醫學領域的全面進步與發展。
交叉與融合乃結合的程度之不同，交叉是**步，結果可能是混合物，融合是更進一步，結果是化合物，孕育出新的學科。當今學科發展相互滲透，用其所長，強強聯合，1+1＞2，已經成為新常態。
二、 數字技術應用的廣泛性
隨著數字化技術研究的深入和應用的廣泛，從計算機輔助診斷、計算機輔助治療、計算機輔助設計和制造、手術機器人應用、3D打印技術個性化制造、智能康復機器人、智能腔囊檢測或釋藥微系統等到網上掛號、手術導航、虛擬教學、遠程醫療；從電子處方、電子病歷、就醫“一卡通”，到數字化手術室、數字化醫院等，有線網絡、無線網絡、衛星網絡縱橫交錯，數字技術、信息技術越來越廣泛地應用在醫學領域各個層次和角落。
數字技術廣泛應用于基礎醫學、臨床醫學、預防醫學和康復醫學等各個學科，并與之結合、交叉、融合，產生了新型的數字醫療檢測技術、數字醫療診斷技術、數字醫療治療技術、數字醫療監控技術、遠程醫療技術等，另外，還有數字化醫院、虛擬仿真教學與手術操作培訓等。數字技術應用的廣泛性，極大地改變了傳統醫學理論、知識、技術和方法，也影響了人們對診斷治療、疾病預防、康復保健的思維方式，使醫療業務、科研教學、疾病預防、康復保健等各項工作實現了“數字化、可視化、自動化”，產生了巨大的管理效益、經濟效益
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