作者：魏高峰 高萬玉 孫秋明 倪愛娟 謝新武 秦曉麗 邢楠 田豐 單位：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所

數(shù)字醫(yī)學(xué)研究現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展使得人類社會進(jìn)入了數(shù)字化時代，同時也引起了許多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)字化變革，生命科學(xué)也不例外。通過與數(shù)字化技術(shù)的交叉融合，不僅大大加快了生命科學(xué)自身的發(fā)展，同時也產(chǎn)生了一些新興的前沿交叉研究領(lǐng)域，數(shù)字醫(yī)學(xué)就是其中的典型代表[13]。數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展首先是由數(shù)字化虛擬人體三維重建開始的[14-18]。數(shù)字化虛擬人體三維重建是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和三維重建技術(shù)，對醫(yī)學(xué)二維圖像進(jìn)行處理，建立人體組織結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)三維虛擬模型。通過數(shù)字化虛擬人體建模技術(shù)，可將人體解剖組織結(jié)構(gòu)數(shù)字化，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維渲染、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)規(guī)劃、假體設(shè)計(jì)、場景仿真等功能。進(jìn)一步也可將人體功能性信息賦加到數(shù)字化三維模型上，結(jié)合運(yùn)動捕捉系統(tǒng)及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以仿真真實(shí)模擬人體的各種運(yùn)動。通過力反饋裝置，可以提供視、聽、觸等高沉浸感操作，這就形成了數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的模擬人。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了個性化虛擬器官模型[19]，通過改變模型的參數(shù)可以得到不同的病理分析結(jié)果。此外，歐盟啟動的IUPS/EMBS生理人體計(jì)劃目標(biāo)是建立一個能夠在計(jì)算機(jī)上模擬人體各種生理過程的虛擬人體模型，目前該項(xiàng)目在人體的生理系統(tǒng)建模方面已經(jīng)進(jìn)行了許多頗有成效的研究[20]。近些年來，隨著分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速提高，以及一些新的醫(yī)工交叉領(lǐng)域研究方法的出現(xiàn)，促進(jìn)了數(shù)字化虛擬人體技術(shù)的快速發(fā)展。我國雖然在這方面起步較晚，但發(fā)展很快。自2002年以來，南方醫(yī)科大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)分別完成了中國數(shù)字人的原始切片數(shù)據(jù)采集工作，2006年由上海交通大學(xué)牽頭啟動了中國力學(xué)虛擬人研究計(jì)劃，目前該計(jì)劃已經(jīng)建立了中國力學(xué)虛擬人計(jì)算服務(wù)平臺，該平臺可通過互聯(lián)網(wǎng)為全球的用戶提供建模計(jì)算服務(wù)。同時與歐盟等國際同行進(jìn)行了合作，將逐步建立國際力學(xué)虛擬人研究計(jì)劃，目前已經(jīng)開展了亞洲人種虛擬建模研究項(xiàng)目。與此同時，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在臨床實(shí)際中取得了廣泛應(yīng)用，獲得了較好的應(yīng)用效果，大幅提高了臨床診斷和治療水平。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(zhǔn)確性和精細(xì)度大為提高。近年來，隨著虛擬手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)導(dǎo)航、個性化CAD/CAM等技術(shù)的數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，使得臨床手術(shù)的準(zhǔn)確性和個體匹配性大為提高。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)研究的深入和應(yīng)用的推廣，傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)將會發(fā)生更大變化。

數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)在戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練中的應(yīng)用

1數(shù)字醫(yī)學(xué)建模技術(shù)數(shù)字醫(yī)學(xué)建模是數(shù)字醫(yī)學(xué)及相關(guān)學(xué)科的研究基礎(chǔ)，沒有一個能夠精確地反映真實(shí)醫(yī)學(xué)過程的數(shù)字化模型，就無從進(jìn)行任何數(shù)字醫(yī)學(xué)方面的研究。數(shù)字醫(yī)學(xué)建模主要分為3個部分，分別是數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理與分析、人體組織器官的三維重建以及人體病理生理變化過程的數(shù)字建模。數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像處理與分析是整個建模的基礎(chǔ)，醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)可以為醫(yī)務(wù)工作者提供多角度、多層次的信息，輔助醫(yī)生進(jìn)行正確診斷、治療計(jì)劃、術(shù)間導(dǎo)航、術(shù)后跟蹤監(jiān)測等。同時，準(zhǔn)確豐富的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)也是人工器官、醫(yī)用內(nèi)植物、人工關(guān)節(jié)等醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的重要參考依據(jù)。自從20世紀(jì)70年代MRI技術(shù)誕生以來，針對各種醫(yī)學(xué)影像的分割算法研究迅速發(fā)展起來。目前應(yīng)用較多的醫(yī)學(xué)圖像分割方法主要有2種，分別是基于圖像區(qū)域的分割方法和基于邊緣檢測的分割方法。基于圖像區(qū)域的分割方法是通過檢測同一區(qū)域內(nèi)的均勻性是否一致，來識別分割圖像中的不同組織，如閾值分割法、區(qū)域生長和分裂合并法、分類器和聚類以及基于隨機(jī)場的方法等。而基于邊緣檢測的分割方法則是通過邊緣檢測技術(shù)把不同區(qū)域組織提取出來進(jìn)行圖像分割，如并行微分算子法等。

2戰(zhàn)傷救治場景的數(shù)字化三維重建技術(shù)戰(zhàn)傷救治場景的數(shù)字化三維重建技術(shù)是戰(zhàn)傷救治虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的主要內(nèi)容，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來出現(xiàn)了許多新的建模技術(shù)和設(shè)備，如數(shù)字化三坐標(biāo)儀、人體運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、三維跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器、Vega虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)等，這些新技術(shù)和新設(shè)備的出現(xiàn)，使得沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛。在采集和統(tǒng)計(jì)戰(zhàn)傷救治各種場景數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用高效快速的數(shù)字化三維建模技術(shù)，可對戰(zhàn)傷救治場景進(jìn)行數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)三維重建。目前常用的數(shù)字化三維重建方法主要有面繪制法和體繪制法兩類。面繪制法是指從醫(yī)學(xué)影像設(shè)備輸出的切片數(shù)據(jù)集構(gòu)造出三維數(shù)據(jù)，然后在三維數(shù)據(jù)中抽取出等值面進(jìn)行三角剖分，再用圖元繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面繪制。該方法可有效繪制三維數(shù)據(jù)中具有某個特定值的表面，但無法表達(dá)三維體數(shù)據(jù)的內(nèi)部信息。而體繪制法則是將三維體數(shù)據(jù)中的“體素”作為基本的繪制單位，該方法充分利用了三維體數(shù)據(jù)中的每一個體素，能夠根據(jù)需要顯示三維對象的內(nèi)部信息。其缺點(diǎn)是由于體素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算量大，從而導(dǎo)致重建速度變慢，可通過提高計(jì)算機(jī)計(jì)算渲染速度加以解決。

3戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練虛擬仿真技術(shù)由于各種技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)的戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練是采用書本授課的方式進(jìn)行的，受訓(xùn)人員缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，訓(xùn)練效果不夠理想，很難在真正需要時及時提供有效的救護(hù)。近年來，隨著先進(jìn)制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以美軍為代表的西方發(fā)達(dá)國家軍隊(duì)開始使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來進(jìn)行戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練研究，取得了較好的效果[21-22]。美軍近年來在該領(lǐng)域投入了大量的經(jīng)費(fèi)，研發(fā)出了一系列用于戰(zhàn)傷救治訓(xùn)練的數(shù)字化仿真模擬裝備。自1999年至2007年大約資助了超過150個該領(lǐng)域的研究項(xiàng)目，累計(jì)投入超過6000萬美元，使得該領(lǐng)域研究成為美國防部投入最多的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。美軍建有醫(yī)療模擬培訓(xùn)中心（medicalsimulationtrainingcenter），美國防部每年培訓(xùn)10萬名部隊(duì)醫(yī)護(hù)人員。其研究內(nèi)容涵蓋戰(zhàn)傷急救、護(hù)理及外科手術(shù)的模擬培訓(xùn)等方面。取得一系列研究成果與實(shí)物裝備，如先進(jìn)醫(yī)療訓(xùn)練技術(shù)（advancedmedictrainingtechnologies，AMTT）系統(tǒng)、高級創(chuàng)傷救護(hù)仿真技術(shù)（simulationechnologiesforadvancedtraumacare，STATCare）系統(tǒng)及一系列虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)（如圖1~3所示）。目前我軍還沒有針對戰(zhàn)傷救治的模擬人。自2005年起，我所開展了虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字人體、操作感知等關(guān)鍵技術(shù)研究，研制成戰(zhàn)傷止血、心肺復(fù)蘇（CPR）、搬運(yùn)等模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，取得了很好的訓(xùn)練效果。