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第174次香山科学会议研讨“中国数字化虚拟人体的科技问题”
  文章来源: 发布时间:2001-11-15 【字号: 小  中  大   

一个普通人要想成为一个技艺高超的外科医生,需要若干次的临床磨练。如今,随着近年来一种数字化虚拟人体技术的出现,这种拿病人“练手”的医学过程将大大缩短。
其实,医学演示只是数字化虚拟人体技术众多应用功能中的一小部分。11月5-7日,以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为研讨核心的第174次香山科学会议在京举行,与会者覆盖了国内相关领域的30多位专家,执行主席为钟世镇院士和李华、罗述谦两位研究员。
最时髦的结合:
信息技术+生命科学=?
在可预见的未来,信息技术和生命科学将是当今科技中最为活跃的两大领域。而两者的结合所形成的计算医学和计算生物学,无疑更为人们所关注。数字化虚拟人体研究就是运用现代信息技术,特别是计算机图形图像技术,与临床解剖学相结合,通过研究人体信息多模式集成技术,从而实现人体从微观到宏观的结构和功能的数字化、可视化,最终达到对人体整体的精确模拟。
据介绍,这一技术除具有重大的科学意义外,其应用前景更是难以估量。数字化三维人体数据可为医学研究、教学与临床提供形象而真实的模型,可实现完整人体手术的三维模拟以及血液动力学的模拟等,为疾病诊断、新药和新的医疗手段的开发提供参考。在人类活动的其他方面也显现除了对数字化虚拟人体模型的多层次的巨大需求,如服装、建筑、航天、体育等,其中美国斯坦福大学曾在2000年将文艺复兴时代的著名雕塑家的作品全部数字化,其中著名的大卫像的全部测量数据点数超过10亿。
美国人最雄心勃勃的研究计划:
实现人体从分子、细胞、组织、器官到整体的虚拟仿真
像其他许多领域一样,美国人在数字化虚拟人体领域同样走在了前列。近十年中,以美国为主导,国际上出现或正在酝酿着数个相关研究计划,其总和可以概括为美国科学家联盟(FAS)提出的数字人(The Digital Human)计划,其目标是实现人体从分子、细胞、组织、器官到整体的精确模拟,被誉为是有史以来最雄心勃勃的研究计划。这些计划都可以“拉丁词缀-ome”结尾,意为“作为一个整体”。这些计划相继引起了其他各国的关注、参与或效仿。它们具体包括基因组计划、可视人计划、虚拟人计划(设想)、生理人计划、脑计划等。
1989年,美国国立医学图书馆发起“可视人计划”。1994年,研究者先后获得一男(经过1年半时间的选择)、一女(经过2年多时间的选择)两组的CT、MRI断层扫描、光学照片数据和组织切片。身高1.82米的男子间隔厚度为1毫米,共1878个断面,身高1.54的女性间隔厚度为0.33毫米,共5189个断面。所得数据高达56GB。从而形成了人体断层解剖学意义上的数字化的解剖人,这一成果为人体形态的数字化以及相关医学知识演示成功提供了技术保证。
曾创建了世界上第一个可控热核反应堆的美国橡树岭国家实验室,从1996年开始,牵头酝酿“虚拟人创新计划”。经过三四年的准备后,他们向美国国家科学院以及国会递交了正式报告,国防部非致命武器委员会积极支持该项目。其主要设想是将人类基因组计划和可视人计划的研究成果结合起来,完成人体的物理建模,能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应。虚拟人计划设想的“物理人”,与可视人计划的“解剖人”对应,代表了人体信息数字化的新进展。
美国可视人计划使用的技术,已经是十年前的水平。目前,韩国人使用新技术(0.22毫米厚度)于去年开始了为期五年的韩国可视人计划。这是世界上第二例尝试,也是第一例具有东方人特征的人体数据采集的努力。据应邀参加此次会议的韩国学者郑民锡介绍,韩国可视人计划已经顺利通过了前期实验。
另外,目前正在酝酿的计划还有欧洲虚拟人计划、日本虚拟人计划等。
中国科学家的目标:
世界领先水平的中国数字化虚拟人体
经过三天的热烈研讨,与会者都有一个共同的心愿:早日启动中国数字虚拟人体的重大研究计划;然后在一定工作的基础上,建立以中日韩等国为代表的亚洲虚拟人研究团体;再与欧美等国会合,形成世界性的虚拟人研究团体,从而推动这一新兴领域的全面发展;对于这一领域应给予国家层面上的关注和支持。
对于这一新鲜事物,局外人无疑会产生中国有无必要进行研究的必要。专家们这样分析:美国的虚拟人计划尚处于讨论之中;生理人计划设想尚未得到国家支持,处于起步阶段;可视人计划数据精度和深度都不够;国际上公布的结果,并无血管模型等关键部位;东方人特性和西方人差异很大,东方人体的数字信息急需建立;这一领域的商业化开发极为成功,作为国家信息基础设施的一部分,建立中国自主版权的数据集势在必行。
对国内研究力量的水平,与会者进行了深入分析。
在医学解剖学研究领域,我国学者取得了一些国际先进水平的成果,第一军医大学钟世镇院士领导的人体管道铸型技术研究及图谱获得2000年国家科技进步二等奖。这一成果所创造的独特技术将使我国有可能以崭新的研究路线建造人体结构,其分辨率将远远超过美国已有的可视人体。
我国的医学图像处理,一直得到有关研究部门的重视,取得了可喜的成绩。首都医科大学罗述谦教授的研究组在医学图像的配准等研究中,已取得世界水平的成果,中医经络项目获中国国家专利。其他相关单位也对医学图像处理有相当深入的研究。
开展虚拟人体的研究需要有高性能计算机和网络的支撑。我国已经进入世界上能够制造高性能计算机的先进国家行列,最新研制成功的曙光3000各项性能指标已经达到国际先进水平,其运算速度达到4000多亿次。
对于国内研究力量的水平,专家们很是自信:研究基础与条件基本与世界同步,某些领域处于国际领先。他们呼吁,如果能整合各方面力量,早日启动研究计划,具有世界领先水平的中国数字化虚拟人将会很快“诞生”!
射频消融“短路”变“通途”
心律失常是由于心脏激动起源的部位、频率、节律、传导时间或传导途径“短路”等一项或多项发生异常所致的一类心脏疾病,在我国仅患有心动过速的病人就达500多万。近年来一种名为射频消融术的治疗心律失常的方法开始广泛应用于临床,它通过人为地破坏心脏房室的异位旁路等恢复正常的传导途径,从而达到治疗心律失常的目的。这一新技术开辟了治疗心律失常的新途径,为心脏病患者带来了福音。
人体正常的心脏激动起源于心脏内的窦房结,然后经结间束、房室结、希氏束、左和右束支及浦肯野纤维至心室,该种心律被称为窦性心律。当心脏激动的起源和传导途径等发生改变时就会出现不同类型的心律失常,常见的心律失常有窦性心动过速、窦性心动过缓、窦性心律不齐、过早搏动、阵发性心动过速、心房颤动、房室传阻滞等。临床上以胸痛、心悸、脉象异常等为主要表现,严重者可出现头晕、目眩、气促、汗出肢冷等症状。
临床电生理研究表明:心律失常与心肌组织的内部变异有着十分密切的关系,这也成为射频消融治疗心律失常的病理解剖基础。研究证实,造成心律失常的异常心肌组织有:心房传导纤维经旁路进入心室、部分或全部房—室结及结区短路或旁路、附属结室纤维和心房异常组织等。由于这些异常心肌组织的存在而导致心肌电传导、不应期或冲动形成的异常,表现为心肌组织的收缩节律异常。因此,心律失常的治疗的原则就是通过药物、手术等方法不可逆地破坏或切除这些异常的心肌组织。
心律失常是常见的心脏病之一,发病率和致死率都较高,因此对心律失常的治疗一直受到世界各国医学界的重视。以往虽然有一些治疗心律失常的药物,但是这些药物大多仅能够对心律失常起到暂时的缓解作用;而且,由于心律失常的多样性,寻找到适合于某个患者的药物在临床上也是一件十分繁重和艰难的工作,而且长期服药会使患者产生药物依赖。而根治心律失常的最直接的方法就是心脏手术,但手术的高风险并不是对每一个人都适用的。
随着基础研究的深入和新技术、新材料的不断出现,射频消融这种介入性非手术治疗心律失常的方法开始进入临床,这种方法是将某种形式的能量经过心脏导管送到心脏内的待消融部位,并使该病变部位产生不可逆的损伤。临床实践证明射频消融为众多心律失常患者提供了一种快捷、安全有效的治疗方法,使患者摆脱了对心脏手术的依赖和恐惧,同时也大大降低了治疗费用和成本。
人体的心脏组织像人体的其它组织一样是一种热容物质。当有热流流入任一心脏组织元处或该处有热量产生时,部分热量就被该组织元吸收,这就是消融的物质基础。射频消融是一个不可逆破坏或切除异常心肌组织的方法,它是一个热输入和复杂的能量转移过程,这个过程既有心脏组织内部的热传导、热对流、热吸收和代谢生热,又有外部的产热。外部能量与热能的转换、深层心脏组织与表层心脏组织连续不断的热能交换最终完成整个治疗,在消融过程中,心脏各腔室内的血流不停地流动,这对消融有冷却散热作用并有利于保护非消融区。
射频消融20世纪90年代开始逐渐应用于临床,医生将频率在500千赫兹至700千赫兹的射频电流经过一个静脉或动脉心脏导管,在X线监视导向下送到心脏的病变部位(主动电极),该射频电流由主动电极流入消融部位的心脏组织,然后回到位于患者背部的被动电极,最后返回到产生射频信号的发生器。射频消融通过在待消融区产生焦耳热,人为地改变或除去产生心律失常的心脏异常或增生组织,从而达到治疗目的。自从第一次报道用直流电消融狗心脏的杀氏束和不久用同样的方法成功地用于消融人的房室连接来治疗执拗性室上心率过速后,射频消融疗法受到了广泛的关注并得到快速发展,临床应用范围现已扩展到心脏房室连接、房—室结及结区、附属房室旁路和心房或心室组织;同时通过生物组织的实验,人们还找出了影响包括电极尺寸、功率水平和组织温度等在内的影响射频消融治疗的各种因素,使这一技术逐渐走向成熟。
射频消融作为一种全新的心脏介入治疗技术,其安全性如何呢?由杭州市第一人民医院心内科完成的“射频消融引起心肌损伤及其对氧自由基和肿瘤坏死因子的影响”研究对此作出了回答:射频消融治疗心律失常确有轻微的心肌损伤,但不会出现明显的临床表现及不良后果,是一种安全可靠的治疗方法。通过对用射频消融技术而引起的心肌损伤及病理生理发展进行的深入研究发现,虽然心肌损伤后可引起氧自由基这一有害物质的增加和产生肿瘤坏死因子,但人体的“自卫”能力可使血液中对抗氧自由基的超氧歧化酶也增加了,由于肿瘤坏死因子没有明显增加,由此所造成的进一步损伤也是局限并且微弱的。因此,射频消融术在临床上是一种安全、可靠的心脏介入治疗方法。
有关专家指出,与任何一项先进的医疗技术一样,射频消融技术目前也不是十全十美的,主要存在的问题是:制定消除终点困难,需要长期随访确定;心律失常可能因消融病灶复发或新的病灶产生而复发等,因此需要严格掌握指征。如有明显症状且药物难以控制的房颤、病人希望不依赖药物或器械治疗而改善生活质量等。鉴于现阶段射频消融技术还是一项正在完善的技术,有专家认为,病例选择的标准应为:一、年龄小于70岁的阵发性房颤,大于70岁者根据患者体质决定;二、24小时动态心电图显示同时伴有频发房早;三、多种药物治疗无效且发作频繁、症状明显;四、既往有栓塞史或房颤发作时血液动力学明显恶化者优先考虑;五、非瓣膜病房颤;六、如为慢性或持续性房颤,应具有复律指征,且复律后有频发房早。总之,应根据不同的心室失常采用不同的治疗方式。
据北京朝阳医院心脏中心胡大一教授介绍,1991年10月3日北京医科大学第一医院成功地独立完成了我国的第一例射频消融心脏介入手术。10年来,这一技术在我国迅速走向成熟,快速增长的治疗总病例数和98%的成功率都引起世界同行的关注,许多难治性心律失常患者成为射频消融技术的受益者。通过10年的努力,目前,我国几乎所有三级医院和很多二级医院都可以开展这一技术,技术骨干已经达到四五百人。到1995年末,射频消融在我国临床应用已累计完成1.5万例,截至目前已根治超过10万例病人,一批年轻学者成为这一领域的学科带头人。 1995年“射频消融治疗快速心律失常的国产仪器研制临床研究和技术推广”科研课题还荣获国家科技进步二等奖。

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