计算机仿真技术与医学检测技术的融合研究

苏虞磊，薛方，梁成

（西安医学院卫生管理学院，陕西西安，710021）

0 引言

分析系统时，依据相似定理，利用计算机对于模仿对象进行模拟就是计算机仿真技术。研究对象可以分为想象中与真正存在的系统。计算机技术飞速发展，在医学领域应用越来越多。人们一直以来对于医学技术都存在陈旧观念，认为计算机技术无法与医学技术相结合，随着计算机仿真技术的出现，打破了人们这种思想，同时医学发展也迎来了新的机遇与挑战。

1 计算机仿真技术简介

1.1 计算机仿真技术概述

计算机仿真技术建立在数种理论与学科基础之上，它将计算机以及相关应用系统作为重要工具，利用试验模拟来对相关问题进行解决，属于一种典型的综合性技术。计算机仿真最初被称作蒙特卡罗方法，具体就是通过随机数实验来对随机问题进行相应的解决。其实现机制最早可以上溯至1773年，G.L. L. BuffON为了对圆周率进行估算，由此进行了物理实验。按照仿真技术中所运用到计算机种类的差异，计算机仿真技术发展历程主要涉及到三个关键阶段：模拟机、数模混合机、数字机这三种仿真技术[1]。

1.2 实现计算机仿真

由于计算机不能直接对研究对象进行认知与处理，此时就需要构建相应的数学模型，使之可以折射出对象的本质，同时还能被计算机进行直接处理与认知。这就需要该模型能够提取对象的本质，使之具有抽象属性，这样计算机就可以对这些模型进行处理，同时还对模型的数据进行输出，从而展现对象有关特质[2]。从模型视角来分析，计算机仿真实现过程为：创建模型、转换模型仿真试验，计算机仿真技术三要素有计算机、系统和模型。

图1 计算机仿真三要素

1.2.1 模型建立

基于我们要分析的问题，第一步确定抽象出一个系统依据仿真所要达成的目标，必须要规定这个系统所应该遵循的规则和条件。第二步，需通过各种有关知识，将所得系统通过计算机数学方式表现出来，而数字模型就是所表现出的内容[3]。同时这个模型也是计算机仿真的核心内容。

1.2.2 模型转换

模型转换就是对上一环节所抽象得到的数学表达式，利用相关的算法与计算机语言，将其转换成可以被计算机进行处理的模型，也就是所谓仿真模型，它可以很好反映研究对象的本质。同时这个模型也是开展仿真分析的关键所在。当然，完成这个工作不仅可以通过独立开发，同时也能借助于市场中已经成熟的仿真系统，譬如MAGMAsoft，就能进行直接仿真研究。

1.2.3 模型仿真实验

把之前所获取到的仿真模型录入计算机内，在进行仿真模型时要根据原本预定好的实验方案，之后获得的结果，就叫做模型仿真实验。计算机仿真包含三个方面内容：建模、仿真实验、结果分析，具体情况如图2所示。

图2 计算机仿真流程

1.2.4 网络化仿真

目前市场中直接使用的仿真系统数量虽然较为丰富，但是它们之间兼容性较差，很难进行共享。再加上这些系统有着较高的开发成本，这就导致效益不能充分发挥。为了对这些问题进行解决，首先，可以遴选较高兼容性的语言来对此系统进行开发；其次，借助于网络化技术，对仿真系统进行共享。特别是后者，无疑成为今后仿真系统的主要发展方向。通过共享可以很好的消除重复开发，进而节约相应的社会资源，同时还能通过收取一定的费用，来对原先系统的开发成本进行适当补偿。

1.2.5 虚拟制造技术

深入应用于虚拟制造技术范围中就是计算机仿真技术以后发展的另一方向。二十世纪九十年代虚拟制造技术开始慢慢发展起来。在计算机上主要完成了产品设计到产品完成和控制企业一系列本质，主要是通过虚拟现实技术与计算机仿真技术通过这项技术，促使制造技术之后不用在完全按照以往经验来进行操作，而且可以对制造过程进行监督预测，推进机械制造快速发展。

2 计算机仿真技术在中医理论研究方面运用

中国最为传统的医学无疑就是中医，中医几千年来始终秉承着辩证论治观念。完整性与同意性是指整体观念。中医非常注重人体自身与自然界之间的相互关系。多年来，中医学一直在进行实验研究，但少部分研究效果较差。实验模型设计齐全，无法实质性地解决很多研究问题。随着随机时代的到来，人们可以将生物信号利用现代技术转变为可识别输的电子信号，这些信号经过一系列处理，最终演变成计算机处理的计算机模型。信息技术的不断发展，计算机仿真技术可以模拟中医学各种机制与原理等，创建出各类模型。计算机仿真技术还可以表现出气候环境，这对于中医学与自然环境紧密关联有很大的帮助。当前计算机仿真技术可以辩证治疗，还可以解决之前一整因为相关资料太少，对于复杂疾病无法进行救治等问题。

3 虚拟仿真技术在医学研究方面应用

随着医学技术不断发展，所遇到的困难源源不断，给医学人员带来许多挑战，需要他们战胜困难，不断探索。进而医学领域中最不可缺少的就是科学技术。科学研究较为复杂，耗费时间又较长，无法确定最终是否可以成功，导致科研工作无法正常开展。计算机仿真技术是可以根据医疗工作者需求建立出仿真环境模型。计算机仿真技术的快速发展，将会大大改善医学研究的研究条件。计算机仿真数字化虚拟人体与仪器都会为科研工作者带来很大便利。科研工作者们花费较少经费就可以得到很多实验素材，并且可以一直使用，直到最终实验成功。之后可以经所研究出来的实验方案运用到实际实验环境中，验证此方案是否可行，这样可以减少很多实验费用，减少实验所花费的时间。美国 Physiome公司经过不断地研究，成功制造出一个虚拟心脏，很多研究者们用虚拟心脏来进行试药和分析心率等问题。

4 虚拟仿真技术在临床医学方面应用

因医学研究员对于三维医学解剖有强烈需求，而虚拟仿真技术正满足此需要，进而创立了为手术前进行实验的虚拟环境。多媒体与计算机技术快速发展，实际应用中也逐渐出现了虚拟现实技术身影，不再禁锢于实验室中。在仿真训练与医学手术教学中，虚拟仿真技术发挥着不可磨灭的作用。计算机仿真技术为医学界创造了良好发展前景[6]。计算机仿真技术可以对手术、诊断和互利进行模拟，会给医疗工作者展现出一个相当逼真的环境。任何事物好处都取决于它的使用者，我们必须认识到计算机仿真技术不会突然地创造奇迹。医学界要深入了解计算机仿真技术，与现代可以相结合，这样才能促进医疗事业发展。

4.1 制定医疗手术方案与预测治疗效果

医生在进行手术之前，医生会利用仿真系统将病人的磁共振检查与电子计算机断层摄影传入到系统中，对比仿真系统中专家库相关材料，定制出病人的手术方案。如果有把握不大的方案，还可以在计算机仿真系统中先进行演练，分析其可行性。对模拟系统的出的治疗效果，进行相关研究分析，医疗工作者就可以进行对应的方案，进而预料手术得各种可能性，增强手术操练熟练性，有效避免了手术风险。计算机仿真技术的诞生，为医疗工作者提供了很大便利。在计算机仿真技术下进行手术演练，可以提供更加广泛的手术思想，可以对比不同手术方案。

4.2 有助于术前准备工作

医生在进行手术前，一般会利用虚拟现实系统提前练习，研究病灶附近解剖状况，仿真手术整个过程，分许出重要器官与手术路径之间的联系，有助于后续手术操作，获得最佳手术方案，将手术方案打印出来，存储病例报告。

4.3 利于培养医务工作人员

虚拟仿真技术中最为重要一项操作就是虚拟手术操作教学。因为虚拟仿真技术可以将真是世界虚拟出来一个环境，这项技术对于医学研究者非常重要，可以使医务者在虚拟环境中，学习和体验真实手术情况，通过各个感官感受手机各项操作。对于缺乏实战经验的医生，可以在专业医生看管指导下，进行计算机手术仿真联系，积累经验，为之后沾上手术台奠定基础，减少培训时间与成本。