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从“虚拟人”到“数字医学”

发布时间:2022-04-18 08:42:00 浏览数:

zoޛ)jm5םv]y_m4]{iiMuiuM?|_|_}_}Q=x}iM4u޶Mu^mv6mMׯ96mxzzm4i駝?i生活,这个充满诱惑的问题正在不断激发着人类的想象力。毫无疑问“虚拟人”技术的发展为人类生活的改变展现了广阔的前景,与民众对此表现出的极大热情相对应,科学家们对于这种预测表现出更为谨慎的态度。

以“虚拟人”技术为基础的数字医学是新兴的学科,在我国已经有了积极的探索和长足的发展,在服务临床方面进行了积极有益的探索。

 第三军医大学交通医学研究所尹志勇等人采用计算机仿真技术开展模拟颅脑、胸部撞击伤的研究,深化了对损伤机制的认识,事故再现的分析研究,协助交通管理部门更准确地判断事故的发生情况和肇事者的责任,受到有关部门的高度评价。第三军医大学野战外科研究所陈青等利用计算机图像重建技术,采用三维图像对外周神经再生规律进行可视化研究。类似的研究工作在全国多家研究机构已经大量开展。

2007年,“怪头娃”刘京在厦门市第一医院手术成功。这是我国完成的首例颅腔重建全颅再造手术,也是国内首例在临床上成功运用计算机三维仿真技术设计全颅再造。厦门大学计算机系王博亮教授带领团队应邀参加设计了颅骨切割和重建的计算机模拟手术过程,精确测算了刘京大脑的容积与颅腔的容积,为手术的成功奠定了基础。

张绍祥教授主持的“中国人体三维结构数据库建立”、“中国数字化可视人体数据获取关键技术研究”、“中国数字化可视人体分割数据集的建立”等6项国家自然科学基金课题获重要研究成果。

北京天坛医院开展的“颅内肿瘤虚拟仿真研究”;昆明军区总医院开展的“数字技术在脊柱侧弯手术治疗中的应用”;广东省自然科学基金支持的“数字医学技术在肝胆胰外科疾病诊断和治疗的应用研究”;南方医科大学珠江医院开展的“数字医学技术在肝血管瘤切除术中的应用研究”、数字医学技术在V、VI段肝癌切除术中的应用”等研究对推动我国数字医学研究的发展做出了重要的贡献。

数字化医学内植物技术研究工程化

植入物在医学领域的应用已非常普遍,仅以在骨科的应用为例, 2002年世界骨科植入物的销售额已达到140亿美元,随着人口的老龄化和严重创伤疾病等的增加,这一数字还以每年20%的速度增长。近年来,随着数字化高新技术和生物科学技术的发展,借助计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM技术)、快速原型技术、计算机图像处理与三维建模等手段,上海交大以人工关节为切入点,研发人工关节设计、制造及临床应用中的数字医学关键技术,同时借助已开发的系列细胞学和分子生物学的手段,增强植入物的生物学功能,促进与人体组织的整合。

1. 个体化人工关节的快速化制作技术和应用

在国家863项目基金支持下,为了进一步克服影响个体化人工关节临床应用与推广的主要障碍,缩短假体的生产周期、降低成本,上海交大基于大批量定制理念开展了有关个体化人工关节的快速化制作技术的研发。依靠CAD/CAE/CAM/PDM技术、参数化变量化设计技术、虚拟制造技术、成组技术等新技术,对各关节假体的个性化需求进行分类,找出尽量多的共性元素,除关节优先区外,在不影响人工关节的力学性能和功能条件下,通过改变肩、肘、髋、膝、踝关节的设计,增加人工关节的共用组件,并减少共用组件的规格品种;统一原材料探伤、表面喷涂、焊接、杀菌、包装的工艺装备。对手术辅助器械设计和工艺流程采用同样的原则,生产用模具、夹具设计尽可能采用互换件,使制造技术合理化,优质、高效、快速地制造出满足用户个体化需求的假体。

2. 人体化人工关节的结构仿生和生物学优化

个体化人工关节多数以形态仿生为主。手术以恢复病损部位的大体形态和基本的生理功能为目的,甚至仅为了保肢,远未达到功能仿生的要求。为了进一步提高个体化人工关节对毁损关节功能替代的质量,上海交大开展了人工关节结构仿生优化研究:包括运动学仿生和稳定性仿生,研发符合正常肩、膝、髋、肘、踝关节的三维共轭活动模式以及重建大节段骨切除和软组织切除患者的关节稳定性,研发出具有自主知识产权的新型个体化假体。同时为了提高人工关节的生物相容性,上海交大开展了假体材料的优化研究,如在β型钛合金中加入生物相容性良好的铌和锆,使钛合金在保持其抗腐蚀性和力学强度的同时,进一步提高生物相容性、降低弹性模量,从而有效降低假体的应力遮挡效应;又如对假体表面真空等离子喷涂生物活性钛(Ti)、氧化钛(TiO2)涂层,使其具有优良的力学性能,加强涂层与合金基体的结合以及假体-骨整合,并实现个体化加工。

数字医学研究机构

全国各地纷纷成立数字医学研究机构,第三军医大学、上海交大、复旦大学分别成立了数字医学研究院和研究中心,国内至今已经构建了8个高精密度的中国人体数据集。

重庆市数字医学研究所(重庆市数字化人体工程研究中心)由第三军医大学建立,开展数字化可视人体的相关研究。第三军医大学于2002年正式成立“计算医学研究室”,并建立了首套中国数字化可视人体数据集,使中国成为继美国之后世界上第二个拥有完整可视人体自主知识产权的国家;2003年5月成立“重庆市数字医学研究所”;2007年成立“重庆市数字化人体工程研究中心”。目前建立了基于数字解剖学和数字医学研究的开放性实验室。研究成果包括2002年完成中国男性数字化可视人体数据集的建立和三维可视化;2003年完成女性数字化可视人体数据集等。中国数字化可视人体数据集荣获2007年国家科技进步二等奖;手部创伤修复解剖学研究及临床应用荣获2001年国家科技进步二等奖。

上海交通大学数字医学工程研究中心是国内第一家聚焦于“数字医学”创新研究与开发的教育部工程研究中心。自2006年经教育部批准立项建设以来,以技术开发与技术创新为宗旨,开展数字医学关键与核心技术的研究,发挥科研成果与临床及产业应用之间的桥梁作用,用所开发的临床技术推动我国现代医学技术的发展,用所形成的具有自主知识产权的工程技术推动我国高端医疗器械行业的发展。

目前上海交通大学数字医学工程中心已建立了三个数字医学的开放性研发平台,即医学内植物数字化技术研发平台、数字化临床技术研发平台和数字化医疗装备研发平台。拥有占地约1500平方的上海交通大学本部基地与建立在闵行校区和医学院下属医院的实验室和临床基地,形成了一个优势互补、资源共享的数字医学产、学、研一体化平台。

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