計算機仿真技術與醫學檢測技術的融合研究

蘇虞磊，薛方，梁成

（西安醫學院衛生管理學院，陜西西安，710021）

0 引言

分析系統時，依據相似定理，利用計算機對于模仿對象進行模擬就是計算機仿真技術。研究對象可以分為想象中與真正存在的系統。計算機技術飛速發展，在醫學領域應用越來越多。人們一直以來對于醫學技術都存在陳舊觀念，認為計算機技術無法與醫學技術相結合，隨著計算機仿真技術的出現，打破了人們這種思想，同時醫學發展也迎來了新的機遇與挑戰。

1 計算機仿真技術簡介

1.1 計算機仿真技術概述

計算機仿真技術建立在數種理論與學科基礎之上，它將計算機以及相關應用系統作為重要工具，利用試驗模擬來對相關問題進行解決，屬于一種典型的綜合性技術。計算機仿真最初被稱作蒙特卡羅方法，具體就是通過隨機數實驗來對隨機問題進行相應的解決。其實現機制最早可以上溯至1773年，G.L. L. BuffON為了對圓周率進行估算，由此進行了物理實驗。按照仿真技術中所運用到計算機種類的差異，計算機仿真技術發展歷程主要涉及到三個關鍵階段：模擬機、數?；旌蠙C、數字機這三種仿真技術[1]。

1.2 實現計算機仿真

由于計算機不能直接對研究對象進行認知與處理，此時就需要構建相應的數學模型，使之可以折射出對象的本質，同時還能被計算機進行直接處理與認知。這就需要該模型能夠提取對象的本質，使之具有抽象屬性，這樣計算機就可以對這些模型進行處理，同時還對模型的數據進行輸出，從而展現對象有關特質[2]。從模型視角來分析，計算機仿真實現過程為：創建模型、轉換模型仿真試驗，計算機仿真技術三要素有計算機、系統和模型。

圖1 計算機仿真三要素

1.2.1 模型建立

基于我們要分析的問題，第一步確定抽象出一個系統依據仿真所要達成的目標，必須要規定這個系統所應該遵循的規則和條件。第二步，需通過各種有關知識，將所得系統通過計算機數學方式表現出來，而數字模型就是所表現出的內容[3]。同時這個模型也是計算機仿真的核心內容。

1.2.2 模型轉換

模型轉換就是對上一環節所抽象得到的數學表達式，利用相關的算法與計算機語言，將其轉換成可以被計算機進行處理的模型，也就是所謂仿真模型，它可以很好反映研究對象的本質。同時這個模型也是開展仿真分析的關鍵所在。當然，完成這個工作不僅可以通過獨立開發，同時也能借助于市場中已經成熟的仿真系統，譬如MAGMAsoft，就能進行直接仿真研究。

1.2.3 模型仿真實驗

把之前所獲取到的仿真模型錄入計算機內，在進行仿真模型時要根據原本預定好的實驗方案，之后獲得的結果，就叫做模型仿真實驗。計算機仿真包含三個方面內容：建模、仿真實驗、結果分析，具體情況如圖2所示。

圖2 計算機仿真流程

1.2.4 網絡化仿真

目前市場中直接使用的仿真系統數量雖然較為豐富，但是它們之間兼容性較差，很難進行共享。再加上這些系統有著較高的開發成本，這就導致效益不能充分發揮。為了對這些問題進行解決，首先，可以遴選較高兼容性的語言來對此系統進行開發；其次，借助于網絡化技術，對仿真系統進行共享。特別是后者，無疑成為今后仿真系統的主要發展方向。通過共享可以很好的消除重復開發，進而節約相應的社會資源，同時還能通過收取一定的費用，來對原先系統的開發成本進行適當補償。

1.2.5 虛擬制造技術

深入應用于虛擬制造技術范圍中就是計算機仿真技術以后發展的另一方向。二十世紀九十年代虛擬制造技術開始慢慢發展起來。在計算機上主要完成了產品設計到產品完成和控制企業一系列本質，主要是通過虛擬現實技術與計算機仿真技術通過這項技術，促使制造技術之后不用在完全按照以往經驗來進行操作，而且可以對制造過程進行監督預測，推進機械制造快速發展。

2 計算機仿真技術在中醫理論研究方面運用

中國最為傳統的醫學無疑就是中醫，中醫幾千年來始終秉承著辯證論治觀念。完整性與同意性是指整體觀念。中醫非常注重人體自身與自然界之間的相互關系。多年來，中醫學一直在進行實驗研究，但少部分研究效果較差。實驗模型設計齊全，無法實質性地解決很多研究問題。隨著隨機時代的到來，人們可以將生物信號利用現代技術轉變為可識別輸的電子信號，這些信號經過一系列處理，最終演變成計算機處理的計算機模型。信息技術的不斷發展，計算機仿真技術可以模擬中醫學各種機制與原理等，創建出各類模型。計算機仿真技術還可以表現出氣候環境，這對于中醫學與自然環境緊密關聯有很大的幫助。當前計算機仿真技術可以辯證治療，還可以解決之前一整因為相關資料太少，對于復雜疾病無法進行救治等問題。

3 虛擬仿真技術在醫學研究方面應用

隨著醫學技術不斷發展，所遇到的困難源源不斷，給醫學人員帶來許多挑戰，需要他們戰勝困難，不斷探索。進而醫學領域中最不可缺少的就是科學技術?？茖W研究較為復雜，耗費時間又較長，無法確定最終是否可以成功，導致科研工作無法正常開展。計算機仿真技術是可以根據醫療工作者需求建立出仿真環境模型。計算機仿真技術的快速發展，將會大大改善醫學研究的研究條件。計算機仿真數字化虛擬人體與儀器都會為科研工作者帶來很大便利?？蒲泄ぷ髡邆兓ㄙM較少經費就可以得到很多實驗素材，并且可以一直使用，直到最終實驗成功。之后可以經所研究出來的實驗方案運用到實際實驗環境中，驗證此方案是否可行，這樣可以減少很多實驗費用，減少實驗所花費的時間。美國 Physiome公司經過不斷地研究，成功制造出一個虛擬心臟，很多研究者們用虛擬心臟來進行試藥和分析心率等問題。

4 虛擬仿真技術在臨床醫學方面應用

因醫學研究員對于三維醫學解剖有強烈需求，而虛擬仿真技術正滿足此需要，進而創立了為手術前進行實驗的虛擬環境。多媒體與計算機技術快速發展，實際應用中也逐漸出現了虛擬現實技術身影，不再禁錮于實驗室中。在仿真訓練與醫學手術教學中，虛擬仿真技術發揮著不可磨滅的作用。計算機仿真技術為醫學界創造了良好發展前景[6]。計算機仿真技術可以對手術、診斷和互利進行模擬，會給醫療工作者展現出一個相當逼真的環境。任何事物好處都取決于它的使用者，我們必須認識到計算機仿真技術不會突然地創造奇跡。醫學界要深入了解計算機仿真技術，與現代可以相結合，這樣才能促進醫療事業發展。

4.1 制定醫療手術方案與預測治療效果

醫生在進行手術之前，醫生會利用仿真系統將病人的磁共振檢查與電子計算機斷層攝影傳入到系統中，對比仿真系統中專家庫相關材料，定制出病人的手術方案。如果有把握不大的方案，還可以在計算機仿真系統中先進行演練，分析其可行性。對模擬系統的出的治療效果，進行相關研究分析，醫療工作者就可以進行對應的方案，進而預料手術得各種可能性，增強手術操練熟練性，有效避免了手術風險。計算機仿真技術的誕生，為醫療工作者提供了很大便利。在計算機仿真技術下進行手術演練，可以提供更加廣泛的手術思想，可以對比不同手術方案。

4.2 有助于術前準備工作

醫生在進行手術前，一般會利用虛擬現實系統提前練習，研究病灶附近解剖狀況，仿真手術整個過程，分許出重要器官與手術路徑之間的聯系，有助于后續手術操作，獲得最佳手術方案，將手術方案打印出來，存儲病例報告。

4.3 利于培養醫務工作人員

虛擬仿真技術中最為重要一項操作就是虛擬手術操作教學。因為虛擬仿真技術可以將真是世界虛擬出來一個環境，這項技術對于醫學研究者非常重要，可以使醫務者在虛擬環境中，學習和體驗真實手術情況，通過各個感官感受手機各項操作。對于缺乏實戰經驗的醫生，可以在專業醫生看管指導下，進行計算機手術仿真聯系，積累經驗，為之后沾上手術臺奠定基礎，減少培訓時間與成本。