仿真技术离我们越来越近......

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前言

仿真科学与技术是以建模与仿真理论为基础，以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具，根据研究目标建立并运行模型，对研究对象进行认识与改造的一门综合性、交叉性学科。仿真科学与技术极大地扩展了人类认知世界的能力。它使人类可以不受时空的限制，观察和研究已发生或尚未发生的现象，以及在各种假想条件下观察和研究现象发生和发展的过程;它可以使人类深入一般科学及人类生理活动难以到达的宏观或微观世界去进行研究和探索，从而为人类认识世界和改造世界提供全新的方法和手段。

如今，仿真不再是遥不可及的高科技，它正在向我们走近......

1. 虚拟手术

（1）2014年湖南省肿瘤医院利用虚拟手术辅助系统设计出手术导板，并用游离腓骨皮瓣精确的重建下颌骨，成功地为下颌骨造釉细胞瘤患者切除了下颌骨肿瘤，完成“下颌骨切除+游离腓骨皮瓣精确重建下骨”手术。

（2）青岛大学附属医院利用CT影像精确的三维重建，虚拟手术预演肝切除，从而有效地对手术情况和风险有所估计，并且对一名肝脏携巨大肿瘤的两岁儿童成功实施了切除手术。

（3）德国不来梅（Bremen）的一位外科医生在一台iPad和虚拟现实软件的帮助下，完成了次肝脏手术通过这款虚拟现实软件，医生可以简单地在触控屏上标记来预测移除某个部位的时间，进而更准确地预测是否能够将剩下的缺口缝合起来，或者需要额外的组织。如果外科医生将某些特定的血管移除，可以通过屏幕上的橡皮擦工具将虚拟肝脏上的血管移除，从而更好地查看内部的其他构造。

（4）中南大学申请了一项人脸整形与美容虚拟手术系统的专利。利用计算机软件模拟人脸整形与美容手术可以在真实手术前预先看到整形与美容后的效果，降低手术风险。

（5）2014年南方医科大学第三附属医院通过3D打印技术打印出1:1的仿真骨头模型，并且进行手术模拟，测量了钢、螺钉的准确数据，并且对钢板预弯、螺钉进入途径设计了一系列的术前模拟手术。真正实施手术过程中，由于植入螺钉等大小精确，预弯位置掌握准确，明显降低了手术损伤

（6）瑞士科研人员开发了一种便携式的治疗系统，可以精确追踪脑卒中患者恢复的个人数据。患者可以像玩游戏一样用上肢击中目标得分，达到锻炼肢体的效果。此外，这一系统的另一效果是，假设患者左臂无法运动，身体其他部位可以运动，则可以看到虚拟肢体的运动，使得患者相信受损的肢体仍能运动，从而激活受损的神经元，恢复肢体运动。该系统经过两年的临床测试，在治疗早期急性受损的患者方面效果显著。

（7）哥伦比亚大学与俄亥俄州超级电脑中心研发了一个系统，利用这个系统进行骨切割的模拟手术，可以得到真实切割参数的有效评估。

2. 数字人

数字人的应用一般是在构建数字化虚拟人体模型的基础上开发的。数字人在医学领域中的应用，国内外已经有相当多的报道，覆盖了人体全身每个系统。运用数字人标准数据集，可以建立标准化的各种生理结构模型。这些模型不仅具备几何相似性，同时还具备物理性、功能性，所含内容除数字人数据外，还包括人体生物力学、生理组织工程等参数。在此基础上，可为疾病诊断、新药和新医疗手段的开发提供参考。在临床诊治方面，可以模拟肿瘤病灶生长或治愈的过程，还可以进行血流动力学模拟、药物代谢动力学模拟等。

3. 药物研发

人们用各有特点的方法建立各个水平的生物网络和计算模型。通过模型分析得到的预测和假设可以帮助人们更好地理解生物有机体的结构和功能。在计算系统生物学的研究过程中，常存在实验数据与模型预测结果的偏离，这种现象并不总是消极的，从另一个角度讲，它传达了这样一种信息:对生物系统结构的现有理解是不完整的，计算模型中存在尚未被发现的缺失组分。从这一假设出发，结合相应的实验验证，有可能获得对生物体功能完整性的认识。同时，利用已被实验证实的模型，可以考查生物系统涌现出的一些新性质，如系统对外界干扰所表现出的稳定性。概括起来，我们期望生物系统的计算模型具有以下作用:①将复杂的生物系统网络直观地表示出来，以助于理解各组分之间的相互作用;②在计算机上模拟实验过程，以节省时间、人力和物力;③可以产生由于实验条件限制而无法获得的数据;④预测生命现象并对实验数据进行合理解释;⑤理性研究系统或某一过程如何行使其功能；⑥鉴定系统过程的完整性，找出缺失的成分。可以预见，具有以上功能的系统模型有助于生物体结构和功能的认识，将在药物研发的探索中发挥重要作用。

4. 大数据

在生物医学系统研究领域，常使用统计学方法来处理和分析科学实验或临床研究的数据。为了分析结果的准确性，实验分析抽取样本的数量越来越大。例如，2009年谷歌公司根据用户上网搜索内容对甲型H1N1流感的流行与暴发进行了预测，使公共卫生机构的官员获得了非常有价值的数据信息。我国深圳国家基因库中的样本量已达130万份，其中人类样本115万份，动植物、微生物等其他样本15万份。到2013年年底，有1000万份溯源生物样本，2015年年底达到3000万份生物样本。而美国 Genbank数据库中登录的DNA序列总量在2002年就已超过了280亿个碱基对。基于大数据挖掘和分析方法的生物医学系统研究已经在保护人类健康方面取得了巨大成就。

美国一个医疗小组对一名“腓骨肌萎缩症(CMT患者和他的10余名亲属进行了全基因组测序，随后使用专用设备和先进的统计分析软件对获得的数百吉字节的数据进行对比分析，很快就精确地获得了致病基因和发生突变的位点，为该疾病的预防提供了可靠的遗传学依据。

目前，我国深圳国家基因库以生物基因资源为依托，开始了大数据与医学和其他产业的整合与应用，如“全国出生缺陷样本联盟”，针对我国高发的出生缺陷、单基因遗传病、原因不明的妊娠异常在全国10个重点省市收集3万份临床样本及表型信息。为提升我国生育健康研究的整体水平提供基础数据性支持，推动早期筛查、诊断、治疗、康复的防治技术研究。

5.脑计划

阿尔兹海默症是老年期最常见的神经退行性疾病，为一种慢性精神致残及致死性疾病。随着老龄化加剧，阿尔兹海默症对人类健康的威胁及对医疗保健设施和全球经济造成的负担越发严重，已成为不容忽视的社会问题。然而其发病原因和机理复杂且未完全清楚，目前既不能治愈，也缺乏有效的预防措施。

BRAIN计划将加快新技术的发展和应用，使研究人员能够生成大脑的动态图片，进而显示出独立的脑细胞和复杂的神经回路之间是如何在思考的速度下相互作用、相互影响的。这些技术将打开崭新的大门，探索如何记录、处理、使用、存储和检索巨量的信息，并揭开大脑功能和行为之间复杂联系的神秘面纱。其最终目标是帮助研究人员找到新的方法来治疗、治愈、甚至预防脑部疾病，如阿尔兹海默症、癲痫和创伤性脑损伤。

据英国每日邮报报道，加拿大一组科学家发明了与人类大脑功能最为接近的脑模型。这台仿真大脑的功能非常强大，甚至可以完成一些简单的IQ测试题。

为了了解和模拟哺乳动物大脑的分子结构，BRAN研究小组希望在计算机上制造一个完整人类大脑的模型。目前人脑新皮层部分的神经元计算工作已经完成，这项工程预计2023年完成，一旦成功，将有助于阿尔兹海默症和帕金森病的治疗。

结语

计算机仿真已经成为当今推进科学研究和工程实践的基础设施的关键部分。今天的仿真工程与科学的预测能力是对理论和实验/观察这两个传统的科学研究支柱强有力的补充。今天的计算机仿真技术已经比人类历史上的任何时期都更为普及，而且影响力更大。在许多关键技术的研发过程中甚至达到了如果脱离了仿真则几乎无法被理解、开发和应用的地步。

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以上内容摘编自《仿真科学与技术学科发展》一书。这部由中国仿真学会编著的蓝皮书，阐述了仿真学科的发展脉络，充分展示了我国仿真科学与技术的最新成就，全面展望学科发展的新特点和新动向。