原创《数字医学》
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摘 要：进入21世纪以来,由计算机和网络技术引发的数字化技术革命,已经深入到各个不同的领域.数字医学迅速的发展起来了,笔者对中国知网已有的研究成果进行了查阅,并对文献进行了梳理和归纳,总结如下.
关键词：数字医学；数字人；可视人
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0081-03
近年来,数字化技术在生命科学领域的发展和前景日益显现.人体解剖这一悠久的学科正借助于计算机等高科技的东风迸发出青春活力,尤其随着可视人、虚拟人的研究日益深入,古老的人体解剖学将迎来新的发展契机.笔者对已有的研究成果进行了查阅,检索到文献相对丰富,因此对这个问题的研究还是比较充分的.本文对数字人体的基本概念、特点、发展现状及应用进展进行了简要概述.
一、概念和特点的研究
傅征教授认为数字医学从广义上来讲就是计算机科学与信息技术的发展达到较高水平之后,向整个生命科学领域发生渗透、融合,并形成许多崭新的医学理念进而推动基础医学、临床医学等各方面工作产生质的飞跃.在2008年举办的第11次工程前沿数字医学研讨会上,专家对数字医学的定义进行了明确的阐述：数字医学是应用数字化技术解决医学现象、解决医学问题、探讨医学机制、提高生命质量的一门科学.各种医院管理信息系统（HIS）和临床信息系统（CIS）的开发与实施、区域医疗协同与医联体、远程病理会诊、医疗检查技术的数字化、数字医院的打造[1]、数字化医疗设备的研发等都属于数字医学的范畴.
目前数字医学的基本特征可概括如下：首先是交叉性较强,数字医学的兴起是基于数字化技术、网络传输技术、计算机技术以及人工智能等前沿科学在医学领域的应用,它的发展自开始便呈现出多学科的相互渗透、高度融合的特点.其次,数字医学已逐渐全方位、多角度地覆盖到医学领域的各个层次和角落,从计算机辅助诊断、设计到网上挂号、手术导航,从电子病历、居民就医“一卡通”到数字化医院,等等都被覆盖其中[2],它正以独有的方式悄然改变着当今的医学面貌与模式.再者,数字技术可以将复杂抽象的医学信息转化成文字、图表、图像等进行传输,不仅使信息的表达形式更加直观形象,而且极大地提高了诊疗效率.除此之外,数字医学基于先进的网络与信息技术,能够快速地实现不同机构间医疗信息的共享和加速信息传递等.正是由于数字医学的这些特征,才使其作为一门新兴的前沿学科如此富有朝气与活力.
二、国外研究现状
在一些比较发达的国家,如美、英、日、德等在前沿的医学影像、手术导航等临床数字医学领域已率先取得了突破性进展,并生产了大量的诊疗设备,其他诸如可以提供临床技能模拟培训服务的高端产品也纷纷销往国外[3].这些国家不仅在数字化设备方面是领先的,数字医学基础研究的发展也是相当迅速的.对数字化人体的探索研究是数字医学的基石.数字人体的任务主要是模拟、显示真实人体的内部解剖结构、人体各系统正常的生理功能,更加振奋的是,利用计算机的可视化技术可以穿越皮肤直达体内,看到人体九大系统的内部结构.从数字医学的发展历程分析,大致划分为四个阶段：数字化可视人,数字化物理人,数字化生理人,数字化智能人.这几个阶段彼此重叠,相互交叉.
目前在以美国为主导的西方发达国家中,一系列庞大的数字人正在实施,诸如可视人体计划（VisibleHuman Project,VHP）、虚拟人计划和人类脑计划等[4].“可视人体计划”诞生于1989年,由美国国立医学图书馆首次提出,之后美国便着手进行实体解剖数据的收集工作.1994年,美国专业人员利用精密切片机将一具男尸先后切成了1000余片（每片厚度1mm）；1998年,又成功获取一具女尸的人体切片,此次切片数量达5000多片（每片厚0.33mm）,在此基础上获得两个虚拟人光学照片数据以及CT和MRI断层扫描图像.利用这些现代技术成功分离美国纽约大学复杂头部联体婴儿,手术的成功无疑得益于数字医学的发展进步.此后,在临床需求的牵引下,不少发达国家纷纷给予不同程度的立项资助[5].2013年,美国意识到大脑信息数字化的非凡意义,因此发起了“人大脑活动图”这一庞大项目.此外,韩国也宣布进入“虚拟韩国人”计划,该计划为期5年,预计获取4个人体的CT、核磁和组织学横断面数据.在后两个人的主试验中,数据精度是VHP男性的5倍,每个人的数据达200GB.
在获取了人体解剖数据集的基础上,美国宾州大学利用3DViewnix系统[6],德国汉堡大学利用Voxel-Man系统,对某些的解剖形态成功的进行了识别和重现.截至2000年,美国科学家已获得数个器官的解剖模型,包括心脏、肌肉、骨骼以及皮肤.2012年8月,在美国最高领导人奥巴马的全力支持下,首个国家级3D打印添加剂研发中心在俄亥俄州正式成立,并预计投资5亿美元用以探索3D打印技术[7].美国维克森林大学进行的一项最新研究表明,可以将不同种类的肾脏细胞（活体细胞培育而成）置于3D生物打印机内,打印出由真正的活体细胞构成的肾脏,只是打印出的肾脏还无法发挥生理功能[8].随着不断发展的数字化新技术,各国基于人体标本的三维重建和可视化的研究成果颇丰.
三、国内发展现状
中国的“数字化虚拟人体的科技问题”是在2001年举行的第174次香山科学会议上提出来的,在2003年的第208次香山科学会议上数字医学的基础研究得到了进一步的重视,各省份的数字医学研究中心和委员会纷纷成立,并于2011年成立了中华医学会数字医学分会,在全国范围内搭建起了数字医学的学术平台.近年来,各方面研究都势如破竹,发展迅速,表现出强大的生命力.
（一）全国掀起了如火如荼的基础研究工作
以第一军医大学、中科院计算所等组成的国家“863”虚拟中国人课题组认为,标本的包埋、血管的灌注等可以直接影响采集精度,因此在这些方面进行了技术改进,并陆续采集到两套（一男一女）人体数据集.此项成果获得了2007年的国家科技进步二等奖.同时,由于国内外婴儿数据集一直存在空缺,因此又对该项目进行了准备.于2003年获取了中国女婴一号数据集,该项目人体切片的断层间距为0.1mm,分辨率为4256×2848像素,并且利用了血管灌注色素的先进技术[9].随着人体数据采集技术的不断优化,我国已成功建立了8个高精密度的人体数据集.
在数字人体的基础上,第三军医大学利用自主研发的UN-3D-S2型3D打印机打印出了人体肝脏、耳蜗和脊柱等模型,适用于个性化手术方案的设计[10].我国在骨科领域已研发出众多3D打印植入物,其中颈椎人工椎体、颈椎椎间融合器及人工髋关节三个产品,在2013年被批准正式进入临床观察阶段[11].
由上海交通大学王成焘教授承担的课题“中国力学虚拟人”是来自国家自然科学基金的重点支持项目,任务是按照国人标准建立“骨骼—肌肉—韧带”的生物力学模型,为推进数字可视人向数字物理人的发展提供支撑[12].华中科技大学骆清铭等在进行的基于人体数据集的生理组学研究,目前还处于起步阶段,主要成果是提出了对人体解剖结构和生理过程模型进行多层次体系的建立,并且该计划已建立了若干器官及组织的生理学模型[13].
（二）众多基于数字人的前沿临床应用研究也纷纷展开
在肝脏外科疾病治疗中,由于肿瘤部位多发,肝内管道系统错综复杂,可以在手术前应用数字医学软件对术者肝脏的体积大小及储备功能提前评估,保证术后可维持正常的肝功能[14],这样能大大提高手术的准确性.在活体肝移植方面,新疆医科大学第一附属医院的张金辉大夫认为,利用数字化三维重建软件[15]可立体显示肝脏及其内部管道结构的位置、形态,临床医生能根据情况随意调整供肝的切割平面,不仅满足了受体需要,也最大限度的保护了供体的安全[16].在妇科临床方面,南方医院妇产科陈春林教授应用血管铸型技术构建的子宫动脉血管网模型可呈现各级血管的精细结构,立体显示出子宫动脉血管网、分支和血管的交通吻合状况,对妇产科某些研究领域,如动脉栓塞、动脉化疗等疾病的诊断和治疗具有重要作用[17].
应用于骨科的数字技术主要有三维立体重建、计算机辅助设计与制造、手术导航等.尤其是在粉碎性骨折中,三维重建骨关节模型可以使医生对复杂骨折形成一个直观概念,实现复位和固定的最佳效果.同时,在假体置换领域,计算机辅助设计与计算机辅助制造的技术结合已获成效[18].在足踝外科领域,针对平足及糖尿病足已制造出个性化矫形鞋具和鞋垫,并在临床上获得好评[19].
2015年8月,上海儿童医学中心宣布与比利时Materialise公司共建国内首个“儿科3D数字医学研究中心”,此次合作将以个体化临床治疗、生物结构重建、智能化数据分析为主要目标.双方将致力于推进我国数字医学技术研究,并促进其在小儿外科的临床成果转化.
数字化技术的进步为传统外科学注入了新的血液,为21世纪的外科学引入了全新而先进的理念,如数字化微创外科、精准外科等,这些理念为外科学的发展带来了前所未有的发展契机,而数字医学正手持利剑开辟着道路.
四、数字医学的发展展望
数字医学的发展是现代医学发展的必经之路,也从各方面改变着当今医学的发展面貌.著名外科学家黄志强教授曾预言,“将来的外科医生可能不得不与机器人为伍”,可以窥见数字医学的重要性.利用虚拟手术系统展开术前模拟；在术中通过手术导航指导手术进程；3D打印技术的日益进步,加速了个性化医疗的进程；机器人的使用让手术更加精准；远程医疗使得优质医疗资源得以共享；智能临床诊断及治疗专家系统也将极大地助力医生诊疗业务；基于数字技术的介入诊断和介入治疗；数字化医院的建设；等等,这些无一例外都需要数字医学的长足发展与应用.
随着人工智能技术和计算机技术的发展和成熟,我们期待数字医学的研究能够得到社会各界广泛的支持和认同,让我们携手共进,锐意进取,共同推动中国数字医学事业的发展.
数字医学论文参考资料：
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