2021-4-9 | 医学发展论文
作者：魏高峰 高万玉 孙秋明 倪爱娟 谢新武 秦晓丽 邢楠 田丰 单位：军事医学科学院卫生装备研究所
数字医学研究现状
近年来，数字化技术的快速发展使得人类社会进入了数字化时代，同时也引起了许多学科领域的数字化变革，生命科学也不例外。通过与数字化技术的交叉融合，不仅大大加快了生命科学自身的发展，同时也产生了一些新兴的前沿交叉研究领域，数字医学就是其中的典型代表[13]。数字医学技术的发展首先是由数字化虚拟人体三维重建开始的[14-18]。数字化虚拟人体三维重建是指运用计算机图像处理技术和三维重建技术，对医学二维图像进行处理，建立人体组织结构的计算机三维虚拟模型。通过数字化虚拟人体建模技术，可将人体解剖组织结构数字化，可以在计算机上进行三维渲染、旋转、缩放等操作，也可以实现虚拟手术规划、假体设计、场景仿真等功能。进一步也可将人体功能性信息赋加到数字化三维模型上，结合运动捕捉系统及虚拟现实系统，可以仿真真实模拟人体的各种运动。通过力反馈装置，可以提供视、听、触等高沉浸感操作，这就形成了数字化虚拟现实增强的模拟人。目前国外已经出现了个性化虚拟器官模型[19]，通过改变模型的参数可以得到不同的病理分析结果。此外，欧盟启动的IUPS/EMBS生理人体计划目标是建立一个能够在计算机上模拟人体各种生理过程的虚拟人体模型，目前该项目在人体的生理系统建模方面已经进行了许多颇有成效的研究[20]。近些年来，随着分子生物学、细胞生物学、医学影像技术的不断发展，超级计算机运算速度的飞速提高，以及一些新的医工交叉领域研究方法的出现，促进了数字化虚拟人体技术的快速发展。我国虽然在这方面起步较晚，但发展很快。自2002年以来，南方医科大学和第三军医大学分别完成了中国数字人的原始切片数据采集工作，2006年由上海交通大学牵头启动了中国力学虚拟人研究计划，目前该计划已经建立了中国力学虚拟人计算服务平台，该平台可通过互联网为全球的用户提供建模计算服务。同时与欧盟等国际同行进行了合作，将逐步建立国际力学虚拟人研究计划，目前已经开展了亚洲人种虚拟建模研究项目。与此同时，数字医学技术在临床实际中取得了广泛应用，获得了较好的应用效果，大幅提高了临床诊断和治疗水平。以影像诊断为例，由X线、CT、MRI的二维图像到三维、四维图像，使影像诊断的准确性和精细度大为提高。近年来，随着虚拟手术规划、手术导航、个性化CAD/CAM等技术的数字医学技术的出现，使得临床手术的准确性和个体匹配性大为提高。随着数字医学技术研究的深入和应用的推广，传统医学将会发生更大变化。
数字医学技术在战伤救治训练中的应用
1数字医学建模技术数字医学建模是数字医学及相关学科的研究基础，没有一个能够精确地反映真实医学过程的数字化模型，就无从进行任何数字医学方面的研究。数字医学建模主要分为3个部分，分别是数字医学图像处理与分析、人体组织器官的三维重建以及人体病理生理变化过程的数字建模。数字医学图像处理与分析是整个建模的基础，医学影像数据可以为医务工作者提供多角度、多层次的信息，辅助医生进行正确诊断、治疗计划、术间导航、术后跟踪监测等。同时，准确丰富的医学影像数据也是人工器官、医用内植物、人工关节等医学工程领域的重要参考依据。自从20世纪70年代MRI技术诞生以来，针对各种医学影像的分割算法研究迅速发展起来。目前应用较多的医学图像分割方法主要有2种，分别是基于图像区域的分割方法和基于边缘检测的分割方法。基于图像区域的分割方法是通过检测同一区域内的均匀性是否一致，来识别分割图像中的不同组织，如阈值分割法、区域生长和分裂合并法、分类器和聚类以及基于随机场的方法等。而基于边缘检测的分割方法则是通过边缘检测技术把不同区域组织提取出来进行图像分割，如并行微分算子法等。
2战伤救治场景的数字化三维重建技术战伤救治场景的数字化三维重建技术是战伤救治虚拟仿真训练系统的主要内容，随着计算机图形技术的飞速发展，近年来出现了许多新的建模技术和设备，如数字化三坐标仪、人体运动捕捉系统、三维跟踪器、数据手套、头盔显示器、Vega虚拟现实建模技术等，这些新技术和新设备的出现，使得沉浸式虚拟现实系统的应用更加广泛。在采集和统计战伤救治各种场景数据的基础上，利用高效快速的数字化三维建模技术，可对战伤救治场景进行数字化虚拟现实三维重建。目前常用的数字化三维重建方法主要有面绘制法和体绘制法两类。面绘制法是指从医学影像设备输出的切片数据集构造出三维数据，然后在三维数据中抽取出等值面进行三角剖分，再用图元绘制技术实现表面绘制。该方法可有效绘制三维数据中具有某个特定值的表面，但无法表达三维体数据的内部信息。而体绘制法则是将三维体数据中的“体素”作为基本的绘制单位，该方法充分利用了三维体数据中的每一个体素，能够根据需要显示三维对象的内部信息。其缺点是由于体素数据计算量大，从而导致重建速度变慢，可通过提高计算机计算渲染速度加以解决。
3战伤救治训练虚拟仿真技术由于各种技术条件的限制，传统的战伤救治训练是采用书本授课的方式进行的，受训人员缺乏实际操作经验，训练效果不够理想，很难在真正需要时及时提供有效的救护。近年来，随着先进制造技术和计算机技术的迅速发展，以美军为代表的西方发达国家军队开始使用计算机仿真技术来进行战伤救治训练研究，取得了较好的效果[21-22]。美军近年来在该领域投入了大量的经费，研发出了一系列用于战伤救治训练的数字化仿真模拟装备。自1999年至2007年大约资助了超过150个该领域的研究项目，累计投入超过6000万美元，使得该领域研究成为美国防部投入最多的科学研究领域之一。美军建有医疗模拟培训中心（medicalsimulationtrainingcenter），美国防部每年培训10万名部队医护人员。其研究内容涵盖战伤急救、护理及外科手术的模拟培训等方面。取得一系列研究成果与实物装备，如先进医疗训练技术（advancedmedictrainingtechnologies，AMTT）系统、高级创伤救护仿真技术（simulationechnologiesforadvancedtraumacare，STATCare）系统及一系列虚拟现实培训系统（如图1~3所示）。目前我军还没有针对战伤救治的模拟人。自2005年起，我所开展了虚拟现实、数字人体、操作感知等关键技术研究，研制成战伤止血、心肺复苏（CPR）、搬运等模拟训练系统，取得了很好的训练效果。