泌尿外科是一门古老的学科，其快速发展得益于良好的医工结合。中国泌尿外科的发展历程，是紧密依托科技进步进行医工结合的范例。本文就泌尿外科领域医工结合的进展作一述评。
引用本文： 李虹. 泌尿外科领域医工结合的发展现状：医工深度结合与泌尿外科. 生物医学工程学杂志, 2020, 37(2): 189-192. doi: 10.7507/1001-5515.202002040 复制
引言
随着现代医学发展中学科间相互交叉的不断增加，医工结合在学科发展中的位置显得尤为重要，因此，医工结合已被很多高校列入创建世界一流大学的战略规划中。在泌尿外科的发展中，同样也高度依赖于使用工具的研发和创新。本文就医工结合与泌尿外科的发展，如泌尿外科医用材料研发、设备研发以及智慧医疗等方面的研究进展作一述评。
1 泌尿外科的发展
泌尿外科是一门古老而又迅速发展的学科，早在公元前 2345—公元前 2181 年的陵墓壁画中就曾出现割过包皮的男性，同期的浮雕作品也有描绘成年男性以立姿接受割礼[1]。包皮环切术作为人类开始运用外科学改变自身身体结构的一种术式，对现代医学的发展具有里程碑的意义。距今 1 000 多年前，中国唐代孙思邈就已经记载了用葱管和鹅毛管给太监导尿，这可能是医学史上最早的软管导尿术[2]。结石也是一种古老的疾病，学者们发现在古埃及的木乃伊中就已经存在膀胱结石和肾结石[1]。早在中国春秋战国时期，医学名著《五十二病方》中就记载了对泌尿系统结石的治疗[3]。在几百年前的欧洲，已经开始通过截石术医治膀胱结石，手术时医生利用专门设计的器械从阴囊和肛门间横行切口进入膀胱取石。可见从最早的葱管鹅毛到取石手术，手术复杂程度的提高，催生了专门设计手术器械的需求，这应该是最早的泌尿外科医工结合的实例。
在 200 多年前，医生对膀胱解剖结构还不了解，人们迫切地想知道膀胱内部的结构及疾病造成的变化，于是，Phillip Bozzini 发明了世界上第一台膀胱镜用于观察尿道和膀胱内部的结构[4]。1877 年，Maximilian Carl-Friedrich Nitze 等利用自然光和一系列透镜增加放大率来进行改进，由此出现了具有内光源和光学系统的膀胱镜[4]。1964 年，Kapany 等研制出具有光导纤维的观察系统，使得光导纤维冷光源的膀胱镜最终得到了长远发展，成为现代临床医学中普遍使用的精密器械[4]。数十年前，外科医生往往将切口尽量扩大，以达到手术切除的目的，而现在则是强调如何尽可能地保护患者、减小创伤，因此各式各样的内镜和成像技术应运而生。医工结合催生的这种革命性的变化，使泌尿外科学发展出了一个崭新的分支学科，即腔道泌尿外科。
1844 年，广州博济医院（现中山二院）开展的经会阴膀胱取石术成为了中国最早的泌尿外科手术记录[5]。1914 年，美国、加拿大、英国等国基督教会在成都创办华西协合大学（现四川大学华西医学中心）并正式招生，于 1915 年将泌尿外科作为一门独立课程，该课程名为“阴阳尿经病症”，后来改为“生殖尿具学”，这可能是我国最早的泌尿外科专业教程。20 世纪 20 年代，谢元甫在美国约翰·霍普金斯大学接受“现代泌尿外科之父”Hugh Young 的指导后在北京协和医院建立中国最早的泌尿外科专科[5]。在学科创立之初，吴阶平院士即提出走临床和科研相结合的道路，而中国泌尿外科的发展历程，是紧密依托科技进步进行产学研结合的范例，其中很大一部分得益于医工结合。吴阶平院士早在 1984 年上海市泌尿外科新器械、新手术、新技术学术交流会上就提出[6]：“医工结合在我国医学发展上具有重要的意义。自然科学通过医学造福于人类，而医学发展要靠自然科学技术的发展。临床医疗工作要有高的水平就必须有优良的仪器设备。”近年来，我国医疗器械的研发已取得巨大发展，但是同发达国家相比仍有一段距离，因此要提高我国泌尿外科的医学水平，更要做好医工结合，共同着力提高泌尿系医疗器械和设备的水平。
2 泌尿外科领域医工结合的发展趋势
广泛意义上讲，医工结合是指围绕医学实际需求，将医学和理、工科等学科进行交叉融合和协同创新的方式[7]。随着医工结合研究内容的不断扩展，如三维（three-dimensional，3D）打印技术在泌尿系医疗器械的研发与泌尿系修复材料的应用，人工智能技术在泌尿疾病诊断中的应用，以及利用生物力学解决膀胱等诊治问题等，都是医工结合的实践成果。
2.1 医用材料研发
医用材料是用来进行诊断、治疗、修复或替代人体病损组织、器官或促进其功能的材料，医用材料的研发是医学、生物学及材料学、物理学等多学科交叉融合的产物。泌尿系医用材料主要用于修复损害的膀胱和尿道，如小肠黏膜下层、脱细胞膀胱基质和一些人工合成材料等；另外还有辅助治疗过程或改善和恢复膀胱的功能，如尿道支架和吊带/网片的植入等。
目前，医用材料研发在泌尿外科组织工程中取得较多进展。以往泌尿系修复重建手术中所需要的缺失组织多采用自体组织进行替代，但存在诸多缺点[8-9]。为了找到理想的替代材料，组织工程应运而生。本期专栏中傅强团队就泌尿外科组织工程技术在基础研究和临床应用上已取得的成果进行了详细和极具前瞻性的综述。就目前而言，虽然组织工程众多关键技术和难题尚未解决，但是随着新型材料的出现和组织工程技术及理念的不断改进创新，以及对细胞相互作用机制的不断深入了解，相信泌尿外科组织工程终究会实现替代组织或器官完全结构化及功能化，并最终广泛用于临床。
泌尿系统中，膀胱作为储尿和排尿的器官，在人体中有着重要的生理功能。膀胱组织工程的研究和应用可作为经典的胃肠代膀胱重建术的替代修复手段，有望避免或改善经典术式引发的一系列并发症，是一个有前景并具有挑战性的研究领域。本期专栏中解慧琪团队很好地综述了近年来膀胱组织工程在种子细胞、支架材料以及生长因子研究和应用方面的一些进展，为膀胱组织工程的发展及临床转化提供了借鉴。
3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，基于组织工程学、材料科学、细胞生物学、计算机技术等学科的交叉融合而不断发展[10]。借助 3D 生物打印技术，使得自体组织器官再生成为可能，为广大相关患者带来希望。本期专栏中我们就 3D 生物打印和泌尿系统修复重建的临床与研究现状进行回顾，并展望了 3D 生物打印应用于泌尿系统修复重建中的可行性与临床价值。虽然 3D 打印成本较高，且操作技术相对较难，但这项技术一旦成熟，替换损伤的泌尿系统组织或者器官就会成为可能，这为治疗疾病和延长人类寿命提供了新思路。
2.2 医疗设备研发
医疗设备的研发是医工结合的重要领域，一般基于医学、物理学和机械与动力工程等学科知识体系进行交叉融合[11]。自 20 世纪以来，神经电刺激和神经调控术的发展让人们对下尿路功能障碍（lower urinary tract dysfunction，LUTD）的生理过程有了新的认识。随着世界人口老龄化比率的升高，下尿路功能障碍的发病率也随之升高，神经调控技术已经成为治疗下尿路功能障碍的重要技术之一。本期专栏中廖利民团队对神经调控技术在下尿路功能障碍中的应用进行综述，从目前应用最多的骶神经刺激到新兴的足底神经、胫神经、阴部神经刺激等均进行了详细的阐述。可见随着该技术的推动及发展，希望神经调控技术在功能调控领域能够取代药物，改善和恢复器官的功能水平。
随着医学影像设备的更新换代和迅猛发展，医学影像技术在泌尿系疾病的诊疗中起着不可或缺的作用。由于精准医疗在医学治疗中的推广，精准的分子影像探针在精准医学治疗中的重要性也日益上升。近年来，放射性药物化学和正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）技术快速发展，越来越多具有放射性核素标记的靶向前列腺特异性膜抗原（prostate-specific membrane antigen，PSMA）小分子抑制剂的示踪剂已广泛应用于前列腺癌的早期诊断、术前分期、疗效评估以及复发和转移探测的临床工作中[12]。本期专栏中李林团队从 PSMA 的结构、作用原理以及目前的应用情况等方面，全面地介绍了 PSMA 在前列腺癌精准医疗中的重要作用与发展前景，同时提到开发具有更高选择性以及更快体内清除速率的正电子核素探针将可能是未来发展的方向。当然，前列腺癌 PET/CT 的显像技术和放射性药物的研究具有非常广阔的应用前景，需要有化学、药学和临床等多学科研究者共同努力，期望得到临床效果更优的显像剂和多模式的 PET/CT 显像，提高诊疗的准确性，从而提高前列腺癌患者的生存质量。
目前临床上前列腺穿刺活检常用经直肠超声（transrectal ultrasound，TRUS）做引导，该法为非靶向前列腺穿刺且穿刺针数多，患者较为痛苦[13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）对软组织具有较好的分辨力，能够较好地显示出前列腺内部结构及其与周围组织之间的联系，有利于前列腺癌分期的诊断[14]。MRI-TRUS 融合引导下前列腺靶向穿刺活检可以指导医生识别与靶向定位多参数 MRI 上的可疑病变。本期专栏中姚林团队回顾性分析了 2016 年—2018 年于北京大学第一医院行前列腺多参数 MRI 检查后并于该院行前列腺穿刺活检的 614 例患者。结果发现 MRI-TRUS 认知融合引导的靶向穿刺与经典的随机系统穿刺对于前列腺癌都有较高的检出率，其检出率差异没有统计学意义，但是认知融合可通过更少的穿刺针数获得相似的肿瘤检出率，并且认知融合靶向穿刺在阳性针中可提供更多的肿瘤组织供病理医师判读，便于掌握肿瘤的整体特点。可见医工结合在泌尿外科相关影像技术中的发展更是为精准临床影像诊断插上了翅膀。
2.3 智慧医疗
智慧医疗可以通过互联网等信息化技术实现患者与医务人员、医疗机构和医疗设备之间的互动，从而达到提升医疗质量和效率的目的。其中人工智能（artificial intelligence，AI）在医学诊疗中起到了积极的促进作用[15]。人工智能是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的一门新兴科学技术[16]。本期专栏中袁久洪团队总结了人工智能技术在泌尿系统辅助诊断中的现状。一方面介绍了人工智能技术在泌尿系统的发展与应用，另一方面也从多角度对现有技术的局限性进行了深刻剖析。人工智能不仅能分析影像学、组织病理学、代谢组学和蛋白组学等海量数据，还可以整合患者的众多临床信息，以得出一个更加精准的诊断结果。目前，虽然人工智能技术在泌尿系统疾病领域中的应用大多处于研究阶段，但是随着科技的不断进步和发展，人工智能、大数据、云计算、区块链等技术有着无限的发展空间，人工智能必将对泌尿系疾病的诊疗流程和工作模式产生巨大的变革，促进以患者为中心的数字医疗，给医疗领域带来无限前景。
医工结合是推动现代医学进步和发展的重要方式。高校、附属医院等科研机构作为医工结合的中坚力量，积极开展医工结合具有极其重要的意义。正如吴阶平院士曾提到的：临床医生要知道医疗器械设计制作中的特点，而制造器械的人员也应了解临床的实际需求，这样相互了解才能推动医疗器械工业的发展。医用材料和设备的研发者应该积极地根据临床需求去拓展新产品，临床医生也应该积极地参与改进和发明医疗器械。我们相信在国家创新发展战略的强力推动下，借助良好产学研紧密结合政策条件下的医工结合，一定能促进泌尿外科学科和临床服务的高速发展。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
随着现代医学发展中学科间相互交叉的不断增加，医工结合在学科发展中的位置显得尤为重要，因此，医工结合已被很多高校列入创建世界一流大学的战略规划中。在泌尿外科的发展中，同样也高度依赖于使用工具的研发和创新。本文就医工结合与泌尿外科的发展，如泌尿外科医用材料研发、设备研发以及智慧医疗等方面的研究进展作一述评。
1 泌尿外科的发展
泌尿外科是一门古老而又迅速发展的学科，早在公元前 2345—公元前 2181 年的陵墓壁画中就曾出现割过包皮的男性，同期的浮雕作品也有描绘成年男性以立姿接受割礼[1]。包皮环切术作为人类开始运用外科学改变自身身体结构的一种术式，对现代医学的发展具有里程碑的意义。距今 1 000 多年前，中国唐代孙思邈就已经记载了用葱管和鹅毛管给太监导尿，这可能是医学史上最早的软管导尿术[2]。结石也是一种古老的疾病，学者们发现在古埃及的木乃伊中就已经存在膀胱结石和肾结石[1]。早在中国春秋战国时期，医学名著《五十二病方》中就记载了对泌尿系统结石的治疗[3]。在几百年前的欧洲，已经开始通过截石术医治膀胱结石，手术时医生利用专门设计的器械从阴囊和肛门间横行切口进入膀胱取石。可见从最早的葱管鹅毛到取石手术，手术复杂程度的提高，催生了专门设计手术器械的需求，这应该是最早的泌尿外科医工结合的实例。
在 200 多年前，医生对膀胱解剖结构还不了解，人们迫切地想知道膀胱内部的结构及疾病造成的变化，于是，Phillip Bozzini 发明了世界上第一台膀胱镜用于观察尿道和膀胱内部的结构[4]。1877 年，Maximilian Carl-Friedrich Nitze 等利用自然光和一系列透镜增加放大率来进行改进，由此出现了具有内光源和光学系统的膀胱镜[4]。1964 年，Kapany 等研制出具有光导纤维的观察系统，使得光导纤维冷光源的膀胱镜最终得到了长远发展，成为现代临床医学中普遍使用的精密器械[4]。数十年前，外科医生往往将切口尽量扩大，以达到手术切除的目的，而现在则是强调如何尽可能地保护患者、减小创伤，因此各式各样的内镜和成像技术应运而生。医工结合催生的这种革命性的变化，使泌尿外科学发展出了一个崭新的分支学科，即腔道泌尿外科。
1844 年，广州博济医院（现中山二院）开展的经会阴膀胱取石术成为了中国最早的泌尿外科手术记录[5]。1914 年，美国、加拿大、英国等国基督教会在成都创办华西协合大学（现四川大学华西医学中心）并正式招生，于 1915 年将泌尿外科作为一门独立课程，该课程名为“阴阳尿经病症”，后来改为“生殖尿具学”，这可能是我国最早的泌尿外科专业教程。20 世纪 20 年代，谢元甫在美国约翰·霍普金斯大学接受“现代泌尿外科之父”Hugh Young 的指导后在北京协和医院建立中国最早的泌尿外科专科[5]。在学科创立之初，吴阶平院士即提出走临床和科研相结合的道路，而中国泌尿外科的发展历程，是紧密依托科技进步进行产学研结合的范例，其中很大一部分得益于医工结合。吴阶平院士早在 1984 年上海市泌尿外科新器械、新手术、新技术学术交流会上就提出[6]：“医工结合在我国医学发展上具有重要的意义。自然科学通过医学造福于人类，而医学发展要靠自然科学技术的发展。临床医疗工作要有高的水平就必须有优良的仪器设备。”近年来，我国医疗器械的研发已取得巨大发展，但是同发达国家相比仍有一段距离，因此要提高我国泌尿外科的医学水平，更要做好医工结合，共同着力提高泌尿系医疗器械和设备的水平。
2 泌尿外科领域医工结合的发展趋势
广泛意义上讲，医工结合是指围绕医学实际需求，将医学和理、工科等学科进行交叉融合和协同创新的方式[7]。随着医工结合研究内容的不断扩展，如三维（three-dimensional，3D）打印技术在泌尿系医疗器械的研发与泌尿系修复材料的应用，人工智能技术在泌尿疾病诊断中的应用，以及利用生物力学解决膀胱等诊治问题等，都是医工结合的实践成果。
2.1 医用材料研发
医用材料是用来进行诊断、治疗、修复或替代人体病损组织、器官或促进其功能的材料，医用材料的研发是医学、生物学及材料学、物理学等多学科交叉融合的产物。泌尿系医用材料主要用于修复损害的膀胱和尿道，如小肠黏膜下层、脱细胞膀胱基质和一些人工合成材料等；另外还有辅助治疗过程或改善和恢复膀胱的功能，如尿道支架和吊带/网片的植入等。
目前，医用材料研发在泌尿外科组织工程中取得较多进展。以往泌尿系修复重建手术中所需要的缺失组织多采用自体组织进行替代，但存在诸多缺点[8-9]。为了找到理想的替代材料，组织工程应运而生。本期专栏中傅强团队就泌尿外科组织工程技术在基础研究和临床应用上已取得的成果进行了详细和极具前瞻性的综述。就目前而言，虽然组织工程众多关键技术和难题尚未解决，但是随着新型材料的出现和组织工程技术及理念的不断改进创新，以及对细胞相互作用机制的不断深入了解，相信泌尿外科组织工程终究会实现替代组织或器官完全结构化及功能化，并最终广泛用于临床。
泌尿系统中，膀胱作为储尿和排尿的器官，在人体中有着重要的生理功能。膀胱组织工程的研究和应用可作为经典的胃肠代膀胱重建术的替代修复手段，有望避免或改善经典术式引发的一系列并发症，是一个有前景并具有挑战性的研究领域。本期专栏中解慧琪团队很好地综述了近年来膀胱组织工程在种子细胞、支架材料以及生长因子研究和应用方面的一些进展，为膀胱组织工程的发展及临床转化提供了借鉴。
3D 生物打印技术是一项多学科交叉应用技术，基于组织工程学、材料科学、细胞生物学、计算机技术等学科的交叉融合而不断发展[10]。借助 3D 生物打印技术，使得自体组织器官再生成为可能，为广大相关患者带来希望。本期专栏中我们就 3D 生物打印和泌尿系统修复重建的临床与研究现状进行回顾，并展望了 3D 生物打印应用于泌尿系统修复重建中的可行性与临床价值。虽然 3D 打印成本较高，且操作技术相对较难，但这项技术一旦成熟，替换损伤的泌尿系统组织或者器官就会成为可能，这为治疗疾病和延长人类寿命提供了新思路。
2.2 医疗设备研发
医疗设备的研发是医工结合的重要领域，一般基于医学、物理学和机械与动力工程等学科知识体系进行交叉融合[11]。自 20 世纪以来，神经电刺激和神经调控术的发展让人们对下尿路功能障碍（lower urinary tract dysfunction，LUTD）的生理过程有了新的认识。随着世界人口老龄化比率的升高，下尿路功能障碍的发病率也随之升高，神经调控技术已经成为治疗下尿路功能障碍的重要技术之一。本期专栏中廖利民团队对神经调控技术在下尿路功能障碍中的应用进行综述，从目前应用最多的骶神经刺激到新兴的足底神经、胫神经、阴部神经刺激等均进行了详细的阐述。可见随着该技术的推动及发展，希望神经调控技术在功能调控领域能够取代药物，改善和恢复器官的功能水平。
随着医学影像设备的更新换代和迅猛发展，医学影像技术在泌尿系疾病的诊疗中起着不可或缺的作用。由于精准医疗在医学治疗中的推广，精准的分子影像探针在精准医学治疗中的重要性也日益上升。近年来，放射性药物化学和正电子发射计算机断层显像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）技术快速发展，越来越多具有放射性核素标记的靶向前列腺特异性膜抗原（prostate-specific membrane antigen，PSMA）小分子抑制剂的示踪剂已广泛应用于前列腺癌的早期诊断、术前分期、疗效评估以及复发和转移探测的临床工作中[12]。本期专栏中李林团队从 PSMA 的结构、作用原理以及目前的应用情况等方面，全面地介绍了 PSMA 在前列腺癌精准医疗中的重要作用与发展前景，同时提到开发具有更高选择性以及更快体内清除速率的正电子核素探针将可能是未来发展的方向。当然，前列腺癌 PET/CT 的显像技术和放射性药物的研究具有非常广阔的应用前景，需要有化学、药学和临床等多学科研究者共同努力，期望得到临床效果更优的显像剂和多模式的 PET/CT 显像，提高诊疗的准确性，从而提高前列腺癌患者的生存质量。
目前临床上前列腺穿刺活检常用经直肠超声（transrectal ultrasound，TRUS）做引导，该法为非靶向前列腺穿刺且穿刺针数多，患者较为痛苦[13]。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）对软组织具有较好的分辨力，能够较好地显示出前列腺内部结构及其与周围组织之间的联系，有利于前列腺癌分期的诊断[14]。MRI-TRUS 融合引导下前列腺靶向穿刺活检可以指导医生识别与靶向定位多参数 MRI 上的可疑病变。本期专栏中姚林团队回顾性分析了 2016 年—2018 年于北京大学第一医院行前列腺多参数 MRI 检查后并于该院行前列腺穿刺活检的 614 例患者。结果发现 MRI-TRUS 认知融合引导的靶向穿刺与经典的随机系统穿刺对于前列腺癌都有较高的检出率，其检出率差异没有统计学意义，但是认知融合可通过更少的穿刺针数获得相似的肿瘤检出率，并且认知融合靶向穿刺在阳性针中可提供更多的肿瘤组织供病理医师判读，便于掌握肿瘤的整体特点。可见医工结合在泌尿外科相关影像技术中的发展更是为精准临床影像诊断插上了翅膀。
2.3 智慧医疗
智慧医疗可以通过互联网等信息化技术实现患者与医务人员、医疗机构和医疗设备之间的互动，从而达到提升医疗质量和效率的目的。其中人工智能（artificial intelligence，AI）在医学诊疗中起到了积极的促进作用[15]。人工智能是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的一门新兴科学技术[16]。本期专栏中袁久洪团队总结了人工智能技术在泌尿系统辅助诊断中的现状。一方面介绍了人工智能技术在泌尿系统的发展与应用，另一方面也从多角度对现有技术的局限性进行了深刻剖析。人工智能不仅能分析影像学、组织病理学、代谢组学和蛋白组学等海量数据，还可以整合患者的众多临床信息，以得出一个更加精准的诊断结果。目前，虽然人工智能技术在泌尿系统疾病领域中的应用大多处于研究阶段，但是随着科技的不断进步和发展，人工智能、大数据、云计算、区块链等技术有着无限的发展空间，人工智能必将对泌尿系疾病的诊疗流程和工作模式产生巨大的变革，促进以患者为中心的数字医疗，给医疗领域带来无限前景。
医工结合是推动现代医学进步和发展的重要方式。高校、附属医院等科研机构作为医工结合的中坚力量，积极开展医工结合具有极其重要的意义。正如吴阶平院士曾提到的：临床医生要知道医疗器械设计制作中的特点，而制造器械的人员也应了解临床的实际需求，这样相互了解才能推动医疗器械工业的发展。医用材料和设备的研发者应该积极地根据临床需求去拓展新产品，临床医生也应该积极地参与改进和发明医疗器械。我们相信在国家创新发展战略的强力推动下，借助良好产学研紧密结合政策条件下的医工结合，一定能促进泌尿外科学科和临床服务的高速发展。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。