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：軍事醫學科學院衛生裝備研究所

數字醫學研究現狀

近年來，數字化技術的快速發展使得人類社會進入了數字化時代，同時也引起了許多學科領域的數字化變革，生命科學也不例外。通過與數字化技術的交叉融合，不僅大大加快了生命科學自身的發展，同時也產生了一些新興的前沿交叉研究領域，數字醫學就是其中的典型代表[13]。數字醫學技術的發展首先是由數字化虛擬人體三維重建開始的[14-18]。數字化虛擬人體三維重建是指運用計算機圖像處理技術和三維重建技術，對醫學二維圖像進行處理，建立人體組織結構的計算機三維虛擬模型。通過數字化虛擬人體建模技術，可將人體解剖組織結構數字化，可以在計算機上進行三維渲染、旋轉、縮放等操作，也可以實現虛擬手術規劃、假體設計、場景仿真等功能。進一步也可將人體功能性信息賦加到數字化三維模型上，結合運動捕捉系統及虛擬現實系統，可以仿真真實模擬人體的各種運動。通過力反饋裝置，可以提供視、聽、觸等高沉浸感操作，這就形成了數字化虛擬現實增強的模擬人。目前國外已經出現了個性化虛擬器官模型[19]，通過改變模型的參數可以得到不同的病理分析結果。此外，歐盟啟動的IUPS/EMBS生理人體計劃目標是建立一個能夠在計算機上模擬人體各種生理過程的虛擬人體模型，目前該項目在人體的生理系統建模方面已經進行了許多頗有成效的研究[20]。近些年來，隨著分子生物學、細胞生物學、醫學影像技術的不斷發展，超級計算機運算速度的飛速提高，以及一些新的醫工交叉領域研究方法的出現，促進了數字化虛擬人體技術的快速發展。我國雖然在這方面起步較晚，但發展很快。自2002年以來，南方醫科大學和第三軍醫大學分別完成了中國數字人的原始切片數據采集工作，2006年由上海交通大學牽頭啟動了中國力學虛擬人研究計劃，目前該計劃已經建立了中國力學虛擬人計算服務平臺，該平臺可通過互聯網為全球的用戶提供建模計算服務。同時與歐盟等國際同行進行了合作，將逐步建立國際力學虛擬人研究計劃，目前已經開展了亞洲人種虛擬建模研究項目。與此同時，數字醫學技術在臨床實際中取得了廣泛應用，獲得了較好的應用效果，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，使影像診斷的準確性和精細度大為提高。近年來，隨著虛擬手術規劃、手術導航、個性化CAD/CAM等技術的數字醫學技術的出現，使得臨床手術的準確性和個體匹配性大為提高。隨著數字醫學技術研究的深入和應用的推廣，傳統醫學將會發生更大變化。

數字醫學技術在戰傷救治訓練中的應用

1數字醫學建模技術數字醫學建模是數字醫學及相關學科的研究基礎，沒有一個能夠精確地反映真實醫學過程的數字化模型，就無從進行任何數字醫學方面的研究。數字醫學建模主要分為3個部分，分別是數字醫學圖像處理與分析、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字建模。數字醫學圖像處理與分析是整個建模的基礎，醫學影像數據可以為醫務工作者提供多角度、多層次的信息，輔助醫生進行正確診斷、治療計劃、術間導航、術后跟蹤監測等。同時，準確豐富的醫學影像數據也是人工器官、醫用內植物、人工關節等醫學工程領域的重要參考依據。自從20世紀70年代MRI技術誕生以來，針對各種醫學影像的分割算法研究迅速發展起來。目前應用較多的醫學圖像分割方法主要有2種，分別是基于圖像區域的分割方法和基于邊緣檢測的分割方法。基于圖像區域的分割方法是通過檢測同一區域內的均勻性是否一致，來識別分割圖像中的不同組織，如閾值分割法、區域生長和分裂合并法、分類器和聚類以及基于隨機場的方法等。而基于邊緣檢測的分割方法則是通過邊緣檢測技術把不同區域組織提取出來進行圖像分割，如并行微分算子法等。

2戰傷救治場景的數字化三維重建技術戰傷救治場景的數字化三維重建技術是戰傷救治虛擬仿真訓練系統的主要內容，隨著計算機圖形技術的飛速發展，近年來出現了許多新的建模技術和設備，如數字化三坐標儀、人體運動捕捉系統、三維跟蹤器、數據手套、頭盔顯示器、Vega虛擬現實建模技術等，這些新技術和新設備的出現，使得沉浸式虛擬現實系統的應用更加廣泛。在采集和統計戰傷救治各種場景數據的基礎上，利用高效快速的數字化三維建模技術，可對戰傷救治場景進行數字化虛擬現實三維重建。目前常用的數字化三維重建方法主要有面繪制法和體繪制法兩類。面繪制法是指從醫學影像設備輸出的切片數據集構造出三維數據，然后在三維數據中抽取出等值面進行三角剖分，再用圖元繪制技術實現表面繪制。該方法可有效繪制三維數據中具有某個特定值的表面，但無法表達三維體數據的內部信息。而體繪制法則是將三維體數據中的“體素”作為基本的繪制單位，該方法充分利用了三維體數據中的每一個體素，能夠根據需要顯示三維對象的內部信息。其缺點是由于體素數據計算量大，從而導致重建速度變慢，可通過提高計算機計算渲染速度加以解決。

3戰傷救治訓練虛擬仿真技術由于各種技術條件的限制，傳統的戰傷救治訓練是采用書本授課的方式進行的，受訓人員缺乏實際操作經驗，訓練效果不夠理想，很難在真正需要時及時提供有效的救護。近年來，隨著先進制造技術和計算機技術的迅速發展，以美軍為代表的西方發達國家軍隊開始使用計算機仿真技術來進行戰傷救治訓練研究，取得了較好的效果[21-22]。美軍近年來在該領域投入了大量的經費，研發出了一系列用于戰傷救治訓練的數字化仿真模擬裝備。自1999年至2007年大約資助了超過150個該領域的研究項目，累計投入超過6000萬美元，使得該領域研究成為美國防部投入最多的科學研究領域之一。美軍建有醫療模擬培訓中心（medicalsimulationtrainingcenter），美國防部每年培訓10萬名部隊醫護人員。其研究內容涵蓋戰傷急救、護理及外科手術的模擬培訓等方面。取得一系列研究成果與實物裝備，如先進醫療訓練技術（advancedmedictrainingtechnologies，AMTT）系統、高級創傷救護仿真技術（simulationechnologiesforadvancedtraumacare，STATCare）系統及一系列虛擬現實培訓系統（如圖1~3所示）。目前我軍還沒有針對戰傷救治的模擬人。自2005年起，我所開展了虛擬現實、數字人體、操作感知等關鍵技術研究，研制成戰傷止血、心肺復蘇（CPR）、搬運等模擬訓練系統，取得了很好的訓練效果。