泌尿外科是一門古老的學科，其快速發展得益于良好的醫工結合。中國泌尿外科的發展歷程，是緊密依托科技進步進行醫工結合的范例。本文就泌尿外科領域醫工結合的進展作一述評。
引用本文： 李虹. 泌尿外科領域醫工結合的發展現狀：醫工深度結合與泌尿外科. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(2): 189-192. doi: 10.7507/1001-5515.202002040 復制
引言
隨著現代醫學發展中學科間相互交叉的不斷增加，醫工結合在學科發展中的位置顯得尤為重要，因此，醫工結合已被很多高校列入創建世界一流大學的戰略規劃中。在泌尿外科的發展中，同樣也高度依賴于使用工具的研發和創新。本文就醫工結合與泌尿外科的發展，如泌尿外科醫用材料研發、設備研發以及智慧醫療等方面的研究進展作一述評。
1 泌尿外科的發展
泌尿外科是一門古老而又迅速發展的學科，早在公元前 2345—公元前 2181 年的陵墓壁畫中就曾出現割過包皮的男性，同期的浮雕作品也有描繪成年男性以立姿接受割禮[1]。包皮環切術作為人類開始運用外科學改變自身身體結構的一種術式，對現代醫學的發展具有里程碑的意義。距今 1 000 多年前，中國唐代孫思邈就已經記載了用蔥管和鵝毛管給太監導尿，這可能是醫學史上最早的軟管導尿術[2]。結石也是一種古老的疾病，學者們發現在古埃及的木乃伊中就已經存在膀胱結石和腎結石[1]。早在中國春秋戰國時期，醫學名著《五十二病方》中就記載了對泌尿系統結石的治療[3]。在幾百年前的歐洲，已經開始通過截石術醫治膀胱結石，手術時醫生利用專門設計的器械從陰囊和肛門間橫行切口進入膀胱取石。可見從最早的蔥管鵝毛到取石手術，手術復雜程度的提高，催生了專門設計手術器械的需求，這應該是最早的泌尿外科醫工結合的實例。
在 200 多年前，醫生對膀胱解剖結構還不了解，人們迫切地想知道膀胱內部的結構及疾病造成的變化，于是，Phillip Bozzini 發明了世界上第一臺膀胱鏡用于觀察尿道和膀胱內部的結構[4]。1877 年，Maximilian Carl-Friedrich Nitze 等利用自然光和一系列透鏡增加放大率來進行改進，由此出現了具有內光源和光學系統的膀胱鏡[4]。1964 年，Kapany 等研制出具有光導纖維的觀察系統，使得光導纖維冷光源的膀胱鏡最終得到了長遠發展，成為現代臨床醫學中普遍使用的精密器械[4]。數十年前，外科醫生往往將切口盡量擴大，以達到手術切除的目的，而現在則是強調如何盡可能地保護患者、減小創傷，因此各式各樣的內鏡和成像技術應運而生。醫工結合催生的這種革命性的變化，使泌尿外科學發展出了一個嶄新的分支學科，即腔道泌尿外科。
1844 年，廣州博濟醫院（現中山二院）開展的經會陰膀胱取石術成為了中國最早的泌尿外科手術記錄[5]。1914 年，美國、加拿大、英國等國基督教會在成都創辦華西協合大學（現四川大學華西醫學中心）并正式招生，于 1915 年將泌尿外科作為一門獨立課程，該課程名為“陰陽尿經病癥”，后來改為“生殖尿具學”，這可能是我國最早的泌尿外科專業教程。20 世紀 20 年代，謝元甫在美國約翰·霍普金斯大學接受“現代泌尿外科之父”Hugh Young 的指導后在北京協和醫院建立中國最早的泌尿外科專科[5]。在學科創立之初，吳階平院士即提出走臨床和科研相結合的道路，而中國泌尿外科的發展歷程，是緊密依托科技進步進行產學研結合的范例，其中很大一部分得益于醫工結合。吳階平院士早在 1984 年上海市泌尿外科新器械、新手術、新技術學術交流會上就提出[6]：“醫工結合在我國醫學發展上具有重要的意義。自然科學通過醫學造福于人類，而醫學發展要靠自然科學技術的發展。臨床醫療工作要有高的水平就必須有優良的儀器設備。”近年來，我國醫療器械的研發已取得巨大發展，但是同發達國家相比仍有一段距離，因此要提高我國泌尿外科的醫學水平，更要做好醫工結合，共同著力提高泌尿系醫療器械和設備的水平。
2 泌尿外科領域醫工結合的發展趨勢
廣泛意義上講，醫工結合是指圍繞醫學實際需求，將醫學和理、工科等學科進行交叉融合和協同創新的方式[7]。隨著醫工結合研究內容的不斷擴展，如三維（three-dimensional，3D）打印技術在泌尿系醫療器械的研發與泌尿系修復材料的應用，人工智能技術在泌尿疾病診斷中的應用，以及利用生物力學解決膀胱等診治問題等，都是醫工結合的實踐成果。
2.1 醫用材料研發
醫用材料是用來進行診斷、治療、修復或替代人體病損組織、器官或促進其功能的材料，醫用材料的研發是醫學、生物學及材料學、物理學等多學科交叉融合的產物。泌尿系醫用材料主要用于修復損害的膀胱和尿道，如小腸黏膜下層、脫細胞膀胱基質和一些人工合成材料等；另外還有輔助治療過程或改善和恢復膀胱的功能，如尿道支架和吊帶/網片的植入等。
目前，醫用材料研發在泌尿外科組織工程中取得較多進展。以往泌尿系修復重建手術中所需要的缺失組織多采用自體組織進行替代，但存在諸多缺點[8-9]。為了找到理想的替代材料，組織工程應運而生。本期專欄中傅強團隊就泌尿外科組織工程技術在基礎研究和臨床應用上已取得的成果進行了詳細和極具前瞻性的綜述。就目前而言，雖然組織工程眾多關鍵技術和難題尚未解決，但是隨著新型材料的出現和組織工程技術及理念的不斷改進創新，以及對細胞相互作用機制的不斷深入了解，相信泌尿外科組織工程終究會實現替代組織或器官完全結構化及功能化，并最終廣泛用于臨床。
泌尿系統中，膀胱作為儲尿和排尿的器官，在人體中有著重要的生理功能。膀胱組織工程的研究和應用可作為經典的胃腸代膀胱重建術的替代修復手段，有望避免或改善經典術式引發的一系列并發癥，是一個有前景并具有挑戰性的研究領域。本期專欄中解慧琪團隊很好地綜述了近年來膀胱組織工程在種子細胞、支架材料以及生長因子研究和應用方面的一些進展，為膀胱組織工程的發展及臨床轉化提供了借鑒。
3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，基于組織工程學、材料科學、細胞生物學、計算機技術等學科的交叉融合而不斷發展[10]。借助 3D 生物打印技術，使得自體組織器官再生成為可能，為廣大相關患者帶來希望。本期專欄中我們就 3D 生物打印和泌尿系統修復重建的臨床與研究現狀進行回顧，并展望了 3D 生物打印應用于泌尿系統修復重建中的可行性與臨床價值。雖然 3D 打印成本較高，且操作技術相對較難，但這項技術一旦成熟，替換損傷的泌尿系統組織或者器官就會成為可能，這為治療疾病和延長人類壽命提供了新思路。
2.2 醫療設備研發
醫療設備的研發是醫工結合的重要領域，一般基于醫學、物理學和機械與動力工程等學科知識體系進行交叉融合[11]。自 20 世紀以來，神經電刺激和神經調控術的發展讓人們對下尿路功能障礙（lower urinary tract dysfunction，LUTD）的生理過程有了新的認識。隨著世界人口老齡化比率的升高，下尿路功能障礙的發病率也隨之升高，神經調控技術已經成為治療下尿路功能障礙的重要技術之一。本期專欄中廖利民團隊對神經調控技術在下尿路功能障礙中的應用進行綜述，從目前應用最多的骶神經刺激到新興的足底神經、脛神經、陰部神經刺激等均進行了詳細的闡述。可見隨著該技術的推動及發展，希望神經調控技術在功能調控領域能夠取代藥物，改善和恢復器官的功能水平。
隨著醫學影像設備的更新換代和迅猛發展，醫學影像技術在泌尿系疾病的診療中起著不可或缺的作用。由于精準醫療在醫學治療中的推廣，精準的分子影像探針在精準醫學治療中的重要性也日益上升。近年來，放射性藥物化學和正電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）技術快速發展，越來越多具有放射性核素標記的靶向前列腺特異性膜抗原（prostate-specific membrane antigen，PSMA）小分子抑制劑的示蹤劑已廣泛應用于前列腺癌的早期診斷、術前分期、療效評估以及復發和轉移探測的臨床工作中[12]。本期專欄中李林團隊從 PSMA 的結構、作用原理以及目前的應用情況等方面，全面地介紹了 PSMA 在前列腺癌精準醫療中的重要作用與發展前景，同時提到開發具有更高選擇性以及更快體內清除速率的正電子核素探針將可能是未來發展的方向。當然，前列腺癌 PET/CT 的顯像技術和放射性藥物的研究具有非常廣闊的應用前景，需要有化學、藥學和臨床等多學科研究者共同努力，期望得到臨床效果更優的顯像劑和多模式的 PET/CT 顯像，提高診療的準確性，從而提高前列腺癌患者的生存質量。
目前臨床上前列腺穿刺活檢常用經直腸超聲（transrectal ultrasound，TRUS）做引導，該法為非靶向前列腺穿刺且穿刺針數多，患者較為痛苦[13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）對軟組織具有較好的分辨力，能夠較好地顯示出前列腺內部結構及其與周圍組織之間的聯系，有利于前列腺癌分期的診斷[14]。MRI-TRUS 融合引導下前列腺靶向穿刺活檢可以指導醫生識別與靶向定位多參數 MRI 上的可疑病變。本期專欄中姚林團隊回顧性分析了 2016 年—2018 年于北京大學第一醫院行前列腺多參數 MRI 檢查后并于該院行前列腺穿刺活檢的 614 例患者。結果發現 MRI-TRUS 認知融合引導的靶向穿刺與經典的隨機系統穿刺對于前列腺癌都有較高的檢出率，其檢出率差異沒有統計學意義，但是認知融合可通過更少的穿刺針數獲得相似的腫瘤檢出率，并且認知融合靶向穿刺在陽性針中可提供更多的腫瘤組織供病理醫師判讀，便于掌握腫瘤的整體特點。可見醫工結合在泌尿外科相關影像技術中的發展更是為精準臨床影像診斷插上了翅膀。
2.3 智慧醫療
智慧醫療可以通過互聯網等信息化技術實現患者與醫務人員、醫療機構和醫療設備之間的互動，從而達到提升醫療質量和效率的目的。其中人工智能（artificial intelligence，AI）在醫學診療中起到了積極的促進作用[15]。人工智能是研究開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的一門新興科學技術[16]。本期專欄中袁久洪團隊總結了人工智能技術在泌尿系統輔助診斷中的現狀。一方面介紹了人工智能技術在泌尿系統的發展與應用，另一方面也從多角度對現有技術的局限性進行了深刻剖析。人工智能不僅能分析影像學、組織病理學、代謝組學和蛋白組學等海量數據，還可以整合患者的眾多臨床信息，以得出一個更加精準的診斷結果。目前，雖然人工智能技術在泌尿系統疾病領域中的應用大多處于研究階段，但是隨著科技的不斷進步和發展，人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等技術有著無限的發展空間，人工智能必將對泌尿系疾病的診療流程和工作模式產生巨大的變革，促進以患者為中心的數字醫療，給醫療領域帶來無限前景。
醫工結合是推動現代醫學進步和發展的重要方式。高校、附屬醫院等科研機構作為醫工結合的中堅力量，積極開展醫工結合具有極其重要的意義。正如吳階平院士曾提到的：臨床醫生要知道醫療器械設計制作中的特點，而制造器械的人員也應了解臨床的實際需求，這樣相互了解才能推動醫療器械工業的發展。醫用材料和設備的研發者應該積極地根據臨床需求去拓展新產品，臨床醫生也應該積極地參與改進和發明醫療器械。我們相信在國家創新發展戰略的強力推動下，借助良好產學研緊密結合政策條件下的醫工結合，一定能促進泌尿外科學科和臨床服務的高速發展。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
隨著現代醫學發展中學科間相互交叉的不斷增加，醫工結合在學科發展中的位置顯得尤為重要，因此，醫工結合已被很多高校列入創建世界一流大學的戰略規劃中。在泌尿外科的發展中，同樣也高度依賴于使用工具的研發和創新。本文就醫工結合與泌尿外科的發展，如泌尿外科醫用材料研發、設備研發以及智慧醫療等方面的研究進展作一述評。
1 泌尿外科的發展
泌尿外科是一門古老而又迅速發展的學科，早在公元前 2345—公元前 2181 年的陵墓壁畫中就曾出現割過包皮的男性，同期的浮雕作品也有描繪成年男性以立姿接受割禮[1]。包皮環切術作為人類開始運用外科學改變自身身體結構的一種術式，對現代醫學的發展具有里程碑的意義。距今 1 000 多年前，中國唐代孫思邈就已經記載了用蔥管和鵝毛管給太監導尿，這可能是醫學史上最早的軟管導尿術[2]。結石也是一種古老的疾病，學者們發現在古埃及的木乃伊中就已經存在膀胱結石和腎結石[1]。早在中國春秋戰國時期，醫學名著《五十二病方》中就記載了對泌尿系統結石的治療[3]。在幾百年前的歐洲，已經開始通過截石術醫治膀胱結石，手術時醫生利用專門設計的器械從陰囊和肛門間橫行切口進入膀胱取石。可見從最早的蔥管鵝毛到取石手術，手術復雜程度的提高，催生了專門設計手術器械的需求，這應該是最早的泌尿外科醫工結合的實例。
在 200 多年前，醫生對膀胱解剖結構還不了解，人們迫切地想知道膀胱內部的結構及疾病造成的變化，于是，Phillip Bozzini 發明了世界上第一臺膀胱鏡用于觀察尿道和膀胱內部的結構[4]。1877 年，Maximilian Carl-Friedrich Nitze 等利用自然光和一系列透鏡增加放大率來進行改進，由此出現了具有內光源和光學系統的膀胱鏡[4]。1964 年，Kapany 等研制出具有光導纖維的觀察系統，使得光導纖維冷光源的膀胱鏡最終得到了長遠發展，成為現代臨床醫學中普遍使用的精密器械[4]。數十年前，外科醫生往往將切口盡量擴大，以達到手術切除的目的，而現在則是強調如何盡可能地保護患者、減小創傷，因此各式各樣的內鏡和成像技術應運而生。醫工結合催生的這種革命性的變化，使泌尿外科學發展出了一個嶄新的分支學科，即腔道泌尿外科。
1844 年，廣州博濟醫院（現中山二院）開展的經會陰膀胱取石術成為了中國最早的泌尿外科手術記錄[5]。1914 年，美國、加拿大、英國等國基督教會在成都創辦華西協合大學（現四川大學華西醫學中心）并正式招生，于 1915 年將泌尿外科作為一門獨立課程，該課程名為“陰陽尿經病癥”，后來改為“生殖尿具學”，這可能是我國最早的泌尿外科專業教程。20 世紀 20 年代，謝元甫在美國約翰·霍普金斯大學接受“現代泌尿外科之父”Hugh Young 的指導后在北京協和醫院建立中國最早的泌尿外科專科[5]。在學科創立之初，吳階平院士即提出走臨床和科研相結合的道路，而中國泌尿外科的發展歷程，是緊密依托科技進步進行產學研結合的范例，其中很大一部分得益于醫工結合。吳階平院士早在 1984 年上海市泌尿外科新器械、新手術、新技術學術交流會上就提出[6]：“醫工結合在我國醫學發展上具有重要的意義。自然科學通過醫學造福于人類，而醫學發展要靠自然科學技術的發展。臨床醫療工作要有高的水平就必須有優良的儀器設備。”近年來，我國醫療器械的研發已取得巨大發展，但是同發達國家相比仍有一段距離，因此要提高我國泌尿外科的醫學水平，更要做好醫工結合，共同著力提高泌尿系醫療器械和設備的水平。
2 泌尿外科領域醫工結合的發展趨勢
廣泛意義上講，醫工結合是指圍繞醫學實際需求，將醫學和理、工科等學科進行交叉融合和協同創新的方式[7]。隨著醫工結合研究內容的不斷擴展，如三維（three-dimensional，3D）打印技術在泌尿系醫療器械的研發與泌尿系修復材料的應用，人工智能技術在泌尿疾病診斷中的應用，以及利用生物力學解決膀胱等診治問題等，都是醫工結合的實踐成果。
2.1 醫用材料研發
醫用材料是用來進行診斷、治療、修復或替代人體病損組織、器官或促進其功能的材料，醫用材料的研發是醫學、生物學及材料學、物理學等多學科交叉融合的產物。泌尿系醫用材料主要用于修復損害的膀胱和尿道，如小腸黏膜下層、脫細胞膀胱基質和一些人工合成材料等；另外還有輔助治療過程或改善和恢復膀胱的功能，如尿道支架和吊帶/網片的植入等。
目前，醫用材料研發在泌尿外科組織工程中取得較多進展。以往泌尿系修復重建手術中所需要的缺失組織多采用自體組織進行替代，但存在諸多缺點[8-9]。為了找到理想的替代材料，組織工程應運而生。本期專欄中傅強團隊就泌尿外科組織工程技術在基礎研究和臨床應用上已取得的成果進行了詳細和極具前瞻性的綜述。就目前而言，雖然組織工程眾多關鍵技術和難題尚未解決，但是隨著新型材料的出現和組織工程技術及理念的不斷改進創新，以及對細胞相互作用機制的不斷深入了解，相信泌尿外科組織工程終究會實現替代組織或器官完全結構化及功能化，并最終廣泛用于臨床。
泌尿系統中，膀胱作為儲尿和排尿的器官，在人體中有著重要的生理功能。膀胱組織工程的研究和應用可作為經典的胃腸代膀胱重建術的替代修復手段，有望避免或改善經典術式引發的一系列并發癥，是一個有前景并具有挑戰性的研究領域。本期專欄中解慧琪團隊很好地綜述了近年來膀胱組織工程在種子細胞、支架材料以及生長因子研究和應用方面的一些進展，為膀胱組織工程的發展及臨床轉化提供了借鑒。
3D 生物打印技術是一項多學科交叉應用技術，基于組織工程學、材料科學、細胞生物學、計算機技術等學科的交叉融合而不斷發展[10]。借助 3D 生物打印技術，使得自體組織器官再生成為可能，為廣大相關患者帶來希望。本期專欄中我們就 3D 生物打印和泌尿系統修復重建的臨床與研究現狀進行回顧，并展望了 3D 生物打印應用于泌尿系統修復重建中的可行性與臨床價值。雖然 3D 打印成本較高，且操作技術相對較難，但這項技術一旦成熟，替換損傷的泌尿系統組織或者器官就會成為可能，這為治療疾病和延長人類壽命提供了新思路。
2.2 醫療設備研發
醫療設備的研發是醫工結合的重要領域，一般基于醫學、物理學和機械與動力工程等學科知識體系進行交叉融合[11]。自 20 世紀以來，神經電刺激和神經調控術的發展讓人們對下尿路功能障礙（lower urinary tract dysfunction，LUTD）的生理過程有了新的認識。隨著世界人口老齡化比率的升高，下尿路功能障礙的發病率也隨之升高，神經調控技術已經成為治療下尿路功能障礙的重要技術之一。本期專欄中廖利民團隊對神經調控技術在下尿路功能障礙中的應用進行綜述，從目前應用最多的骶神經刺激到新興的足底神經、脛神經、陰部神經刺激等均進行了詳細的闡述。可見隨著該技術的推動及發展，希望神經調控技術在功能調控領域能夠取代藥物，改善和恢復器官的功能水平。
隨著醫學影像設備的更新換代和迅猛發展，醫學影像技術在泌尿系疾病的診療中起著不可或缺的作用。由于精準醫療在醫學治療中的推廣，精準的分子影像探針在精準醫學治療中的重要性也日益上升。近年來，放射性藥物化學和正電子發射計算機斷層顯像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）技術快速發展，越來越多具有放射性核素標記的靶向前列腺特異性膜抗原（prostate-specific membrane antigen，PSMA）小分子抑制劑的示蹤劑已廣泛應用于前列腺癌的早期診斷、術前分期、療效評估以及復發和轉移探測的臨床工作中[12]。本期專欄中李林團隊從 PSMA 的結構、作用原理以及目前的應用情況等方面，全面地介紹了 PSMA 在前列腺癌精準醫療中的重要作用與發展前景，同時提到開發具有更高選擇性以及更快體內清除速率的正電子核素探針將可能是未來發展的方向。當然，前列腺癌 PET/CT 的顯像技術和放射性藥物的研究具有非常廣闊的應用前景，需要有化學、藥學和臨床等多學科研究者共同努力，期望得到臨床效果更優的顯像劑和多模式的 PET/CT 顯像，提高診療的準確性，從而提高前列腺癌患者的生存質量。
目前臨床上前列腺穿刺活檢常用經直腸超聲（transrectal ultrasound，TRUS）做引導，該法為非靶向前列腺穿刺且穿刺針數多，患者較為痛苦[13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）對軟組織具有較好的分辨力，能夠較好地顯示出前列腺內部結構及其與周圍組織之間的聯系，有利于前列腺癌分期的診斷[14]。MRI-TRUS 融合引導下前列腺靶向穿刺活檢可以指導醫生識別與靶向定位多參數 MRI 上的可疑病變。本期專欄中姚林團隊回顧性分析了 2016 年—2018 年于北京大學第一醫院行前列腺多參數 MRI 檢查后并于該院行前列腺穿刺活檢的 614 例患者。結果發現 MRI-TRUS 認知融合引導的靶向穿刺與經典的隨機系統穿刺對于前列腺癌都有較高的檢出率，其檢出率差異沒有統計學意義，但是認知融合可通過更少的穿刺針數獲得相似的腫瘤檢出率，并且認知融合靶向穿刺在陽性針中可提供更多的腫瘤組織供病理醫師判讀，便于掌握腫瘤的整體特點。可見醫工結合在泌尿外科相關影像技術中的發展更是為精準臨床影像診斷插上了翅膀。
2.3 智慧醫療
智慧醫療可以通過互聯網等信息化技術實現患者與醫務人員、醫療機構和醫療設備之間的互動，從而達到提升醫療質量和效率的目的。其中人工智能（artificial intelligence，AI）在醫學診療中起到了積極的促進作用[15]。人工智能是研究開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的一門新興科學技術[16]。本期專欄中袁久洪團隊總結了人工智能技術在泌尿系統輔助診斷中的現狀。一方面介紹了人工智能技術在泌尿系統的發展與應用，另一方面也從多角度對現有技術的局限性進行了深刻剖析。人工智能不僅能分析影像學、組織病理學、代謝組學和蛋白組學等海量數據，還可以整合患者的眾多臨床信息，以得出一個更加精準的診斷結果。目前，雖然人工智能技術在泌尿系統疾病領域中的應用大多處于研究階段，但是隨著科技的不斷進步和發展，人工智能、大數據、云計算、區塊鏈等技術有著無限的發展空間，人工智能必將對泌尿系疾病的診療流程和工作模式產生巨大的變革，促進以患者為中心的數字醫療，給醫療領域帶來無限前景。
醫工結合是推動現代醫學進步和發展的重要方式。高校、附屬醫院等科研機構作為醫工結合的中堅力量，積極開展醫工結合具有極其重要的意義。正如吳階平院士曾提到的：臨床醫生要知道醫療器械設計制作中的特點，而制造器械的人員也應了解臨床的實際需求，這樣相互了解才能推動醫療器械工業的發展。醫用材料和設備的研發者應該積極地根據臨床需求去拓展新產品，臨床醫生也應該積極地參與改進和發明醫療器械。我們相信在國家創新發展戰略的強力推動下，借助良好產學研緊密結合政策條件下的醫工結合，一定能促進泌尿外科學科和臨床服務的高速發展。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。