生物医学工程文献综述精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇生物医学工程文献综述范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

关键词：三位一体化；数字医疗；生物医学工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0134-02

一、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的必要性

我国高等教育当前的任务是为社会培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，工程类和“应用型”人才培养必须面向我国经济建设主战场，应责无旁贷地为地方经济的振兴和可持续发展服务。国家“十一五”规划中把发展教育和培养德才兼备的高素质人才摆在了更加突出的战略位置[1，2]。在我国，生物医学工程专业大致可分为两种类型：“研究型的综合性的，大体是我们国立的重点大学”；“应用型的专业性的、培养各行各业的应用型的高级专门人才，包括一般的高等学校，尤其是地方高等学校”和“职业性的技术技能型”。传统的人才培养模式仍然占统治地位，其课程设置、课程内容以及教学过程中都带有浓重的学科体系特点。学生的职业能力难以提高，很难适应实际工作的需要，从而出现了人才市场上供求失衡的结构性矛盾。可以看出，传统的教育教学模式对学生能力培养的缺失决定了教学模式改革的必然性。而“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式是一种以职业能力培养为导向的教育模式，其弥补了传统的教育模式在能力培养上的不足，符合生物医学工程人才培养的需求。因此，构建“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式，切实提高生物医学工程专业人才培养质量，努力培养符合时代要求的人才，显得尤为重要。

二、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的规划

我校生物医学工程学科人才培养应以信息技术为支撑，以服务地方经济为出发点，以数字医疗仪器为特色，培养具备生命科学、电子技术、计算机控制技术及信息科学有关的理论知识，具有能将医学与工程技术相结合的科学研究能力，能从事医学电子仪器的设计制造、仪器与系统的设计制造以及在其他电子应用技术、计算机应用技术等方面从事系统分析、系统设计、系统运行等工作的高水平、创新复合型人才。因此，推进人才模式研究，合理安排知识内容，突出多学科交叉的特点，加大产学研合作力度，培养学科归属感、自豪感，让社会更了解生物医学工程学科，也为地方经济的发展提供高水平的人才储备，这些都将列入我们的学科规划。

在创新培养模式研究中注重解决三个科学问题：①交叉学科人才培养问题，实现我校独具特色的新型交叉学科研究生创新教育模式研究；②信息背景和导向问题，实现扎实的信息技术背景、服务数字医疗领域的基础研究和应用开发研究；③产学研研发平台和研究生培养平台的建设，利用现有多企业协作的省部级科技平台，培养更具活力、创新型研究生人才。

三、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的实施路径

（一）优化生物医学工程研究生教育课程结构体系

知识结构是指知识的构成状况，即所掌握的各种知识的相互比例、相互联系、相互协调、相互作用以及它们所形成的整体功能。知识结构通常包括核心知识和拓展知识，它们相对应的教育分别是核心教育和拓展教育。由于以前的人才培养目标不明确，学生所接受的核心教育内容不一致，各高校差别非常大。比如医学院校往往强调医科内容，学生最初接触的知识往往是纯医学内容，在进行后续的拓展教育时，由于工科基础太薄弱，学生感觉非常吃力。而在工科院校，核心教育内容重视工科，按理说进行拓展教育比较轻松，但问题仍然比较严重。“生物医学工程学科是干什么的？”“与自动化等专业的区别在哪里？”“重庆邮电大学的生物医学工程学科研究生培养些什么？”这些疑惑让学生的拓展教育受到制约。生物医学工程研究生教育课程群主要包括5个方面的内容：（1）科学基本知识；（2）工程专业核心课程；（3）生物医学专业核心课程；（4）人文与社会科学；（5）工程专业选修课程。

（二）突出信息特色，探索教育创新如何服务地方经济

生物医学工程学科需要宽厚的信息背景，要利用运用大量的通信、计算机领域和仪器仪表知识。重庆市“10+2”产业发展规划提出要重点发展信息（数字医疗等）、生物（生物医学工程等）等高技术产业，构建一批高技术产业基地，在生物医疗、信息、仪器仪表等重点领域形成一批国家级和市级工程技术研发中心[3]。因此，本研究将立足信息学科基础，主动服务经济和社会发展，以医学电子仪器为学科特色，培养具备生命科学、电子技术、计算机控制技术及信息科学有关的理论知识，具有能将医学与工程技术相结合的科学研究能力，能从事医学电子仪器的设计制造、仪器与系统的设计制造以及在其他电子应用技术、计算机应用技术等方面从事系统分析、系统设计、系统运行等工作的研究生创新人才。

（三）构建、探索运行具有可推广性的校企联合产学研合作研究平台

研究生创新能力很大程度体现在解决问题、理论分析、研究开发的综合能力。研究实践平台是研究生创新教育最重要的一环。在全面推进素质教育、实施科教兴国战略中，教育工作者担负了培养21世纪社会主义建设人才的重任。在以教师为主导、学生为主体的新型教学模式中，实践教学活动作为一种重要的学习过程，其目的是提高学生学习水平，开拓学生科学视野，提升学生科研素质，锻炼学生动手能力，加强学生主动思考能力，培养学生创新精神和实践能力。在为国家和社会培养高级医学工程型人才的教育工作中，生物医学工程的广大教师和教育管理者应该广开思路，不仅重视研究理论教学方法以培养和提高学生的素质，还要积极为学生实践活动提供机会，创造环境和氛围。

（四）研究生创新能力评价方法研究

目前研究生水平评价主要通过三个方面体现：第一是课程考核；第二是；第三是论文答辩。这三大模块基本上确定了研究生的学习能力、处理课题能力和总结能力。但是对于生物医学工程这种交叉学科，其评价方法应该体现学科特色，需要更加细致化、过程化和量化。主要研究内容包括：（1）评价指标体系的选用。既有学科特点，又有产学研创新，交叉学科，信息特色。比如：课程学习体系，必然要包含信息技术、工程技术、生物医学技术、健康康复要求等多方面、多模块的知识体系，包括课堂学习、文献查阅、情报检索、归纳总结等能力，知识产权申报与总结；产学研平台实习和解决企业需求能力评价；发表科技作品，不但包括科研论文，还应该强调文献综述发表，专利申报，软件著作权发表等事项。（2）指标体系权重设计和评价算法。通过充分调研、征求导师、同行、学生意见和建议设计各参数权重体系。通过评价体系和体系指标权重设计相应的评价算法，通过量化和定性评语方式确定研究生创新能力。（3）评价效果研究。通过评价体系的研究，跟踪创新人才培养效果，同时进行评价方法效果复核。

（五）探索研究生研究、学习生涯规划

研究生生活时间短，而学习、研究任务重。研究旨在实现一种明确的、有序的研究生研究学习生涯规划，解决如何尽快适应交叉学科学习研究、如何规划研究生涯问题。通过研究生涯路线图的形式研究在不同学习阶段生物医学工程研究生所需从事的工作、参与的课题、掌握的技能、乃至发表的作品。通过不同类型、不同基础入学研究生的研究生涯路线图，获得更加规范、更加高效的研究过程管理。探索学习、研究过程的宏观目标与微观管理的有机联系，通过共性问题，提炼出不同类型入学研究生将要践行、实现的研究路线图。在研究中还将全面研究国际、国内生物医学工程学科中的优势体系、培养方案，进一步提炼出生物医学工程发展的新战略和人才培养新模式，优化研究生课程体系，建设课程群，提高教学效果，促进教学质量与教学改革工程的全面实施与整体提升。

四、结束语

实现独具特色的新型交叉学科研究生创新教育模式研究，实现扎实的信息技术背景、服务数字医疗领域的基础研究和应用开发研究，建设产学研研发平台和研究生培养平台，利用现有多企业协作的省部级科技平台，培养更具活力、创新型研究生人才，必须探索本学科专业硕士的培养方法和教学改革模式，在可能情况下与我国“卓越计划”进行有效接轨，探索在数字医疗人才培养领域开展应用型、工程型、创新性卓越工程师的可行性[4]。显而易见，只有注重过程管理、完善考核评价体系，学生能力的提高才有内在的驱动力，才能保证“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式成功实施。

参考文献：

[1]张阳德，，任力锋.生物医学工程教育模式和人才培养途径的探讨[J].中国医学工程，2004，12（3）：106-107.

[2]陈武凡，谭小丹，周猛.生物医学工程学科特色教育的系统规划[J].医疗卫生装备，2007，28（9）：78-79.

篇(2)

[关键词]生物交叉学科 复合式教学体系 理论 实践

[中图分类号]G633.91 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2012）10-0227-01

20世纪末与21世纪初，人们发现，当代科学的发展和重大科学技术成就的取得，越来越依赖于不同学科之间的交叉与融合，许多有影响的科技成果，都是在学科的交互和交叉点上取得的。典型的例子是2003诺贝尔医学奖，它们的获得者是物理学科（曼斯菲尔德）和化学学科（劳特布尔）的研究背景，他们的研究与医学研究的交叉结合产生了对人类发展具有极大影响的杰出成果——核磁共振图像技术在临床诊断和医学研究上的突破。

一、交叉学科内涵和生物学实例

1.交叉学科内涵。交叉学科指的是两个或多个学科相互合作，在同一个目标下进行的学术活动。

2.生物科学领域中的交叉学科实例。

（1）生物化学；（2）生物医学工程；（3）生物信息学；（4）生物物理学；（5）生物数学。

二、交叉学科复合式教学体系内涵及生物交叉学科优势

（一）交叉学科复合式教学体系内涵

交叉学科复合式教学体系是指以交叉学科为基础，以培养复合型人才为目标，遵循系统原则，采用复合式设计方法，对教学要素（教学目标、教学理念、教学主体、教学方法、教学内容、教学管理、教学原则、教学手段、教学评价等）进行交叉复合，达到优化匹配，形成高效的人才生成复杂系统，具有开放性、复杂性、实践性、实用性、创新性及综合性等特征的教学体系。[1]

（二）生物交叉学科优势

1.交叉学科的范式是：A领域的研究问题，用B领域的方法。而这种研究方法和研究问题的重新组合，往往能产生很多新的发现，从而使得交叉学科能够得以蓬勃发展。这也是最大优势。

2.生物交叉学科优势。（1）它融合了不同学科的范式，推动了以往被专业学科所忽视的领域的研究，打破了专业化的垄断现象；（2）增加了各学科之间的交流，形成了许多新的学科；（3）创造了以“问题解决”（problem-soving）研究为中心的研究模式，推动了许多重要实践问题的解决。[2]

3.生物交叉学科实例包括：（1）生物化学；（2）化学生物学；（3）生物医学工程；（4）生物信息学；（5）生物物理学；（6）生物数学。

三、佳木斯大学生物交叉学科创新人才培养模式的实践

1.本科生导师制。导师制是一种教育制度，与学分制、班建制同为三大教育模式。导师制由来已久，早在19世纪，牛津大学就实行了导师制，其最大特点是师生关系密切。[3]

2.佳木斯大学生物交叉学科本科生创新能力训练体系模式。（1）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究性学习的训练模式；（2）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究型讨论的训练模式；（3）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究课题文献资料查询和综述、成果总结发表和研究论文写作的训练模式。

3.佳木斯大学生物交叉学科本科研究型毕业设计模式。佳木斯大学生命科学学院教学指导委员会按照教育部的有关规定和人才培养目标的要求，根据生物交叉学科专业人才培养的规律、特点和实际，制定符合生物交叉学科特点的《本科毕业论文（设计）工作管理办法》。

4.佳木斯大学生物交叉学科本科生职业技能鉴定培养模式。佳木斯大学职业技能鉴定所面向佳木斯大学生物交叉学科本科生及社会需求，开展职业技能鉴定。在大学生中开展“双证书”制度，提高学生的职业技能水平和就业竞争力。

5.佳木斯大学生物交叉学科本科生攻读第二学位培养模式。

6.佳木斯大学生物交叉学科本科生课外自主科研与合作科研培养模式。（1）自主科研：佳木斯大学生命科学学院生物交叉学科本科生课外早期探索自己感兴趣的研究方向；结合毕业设计（论文），继续从事和完成他们自己的研究课题。（2）合作科研：佳木斯大学生命科学学院生物交叉学科本科生课外早期经过探索和初步训练以后，参加教师的高层次科研项目的研究，结合毕业设计（论文），继续从事和完成他们自己的研究课题。[4]

【参考文献】

[1]胡树华，兰飞，范文芳.交叉学科的复合式教学体系设计研究[J].江苏高教，2007.7：69-71.

[2]http：///view/67024.htm.

篇(3)

1研究生教学内容和模式的创新与实践

当前教学体系存在的主要问题：口腔医学研究生课程内容或多或少存在与本科课程的交叉重复，研究生部分课程内容的高深层级性只是体现在对本科生课程内容上，难以体现不同层次人才培养在课程设置上的递进性，客观上降低了研究生的课程要求，影响了研究生培养质量。口腔研究生阶段课程设置的涵盖面较窄，课程体系相对局限于特定学科范围之内，如专业选修课的设置多数按三级学科设置，不能很好体现知识扩展的功用，导致研究生知识面的狭窄，研究视野受到很大的局限。此外，授课方式仍然以课堂讲授为主，过多强调教师在教学中的主导地位；在对学习效果的评估考核上，考核的范畴更多地限于教师讲授的内容。教学目标的改革：坚持把研究方法的学习和练习放在首要位置。熟练地掌握研究方法是科研能力的核心要素，能够直接决定一项科学研究的质量，所以应该坚持把研究方法的学习和训练作为重要的一环。作者在课程学习的早期阶段开设研究方法学课程，向研究生介绍研究的一般程序、基本原则和基本方法，学习如何提出问题、如何查阅文献、如何收集材料、如何分析数据、如何得出结论、什么是合理借鉴与引用等等。教学内容的改革：开设跨学科、跨专业课程。当前的研究生课程各个学科间的相互渗透、交叉、继承性和综合性都表现的极为突出，知识界限也日趋模糊，课程设置应多样而灵活，才能使研究生具有全面的知识结构，激发研究生的创新意识，提高其创新能力。作者在医学院公共学位课中，也开设了《诺贝尔奖论文剖析》等课程，受到研究生的广泛欢迎；在专业课方面，在我国国内较早开设了《口腔分子生物学与口腔实验动物模型》、《口腔颌面部发育生物学与再生医学》及《口腔生物材料学》等口腔医学研究生“十二五规划教材”课程，初步实现了从传授型课程向创造型课程的转变，提升了研究生科学思维和创新思维的能力和水平。教学方式和评估体系的改革：努力改变研究生被动参与教学的情况，提升其学习的主动性。在授课上主要采用专题讲座、论文和综述汇报、专题讨论、学习班等方式，着重提出“以干促学”、“以干代训”的理念，即针对研究生科研工作的实际需求，组织教学活动，促进其学习知识的主动性。如针对文献管理，组织研究生参加本校图书馆举办的《NoteExpress学习班》，针对临床研究，组织了《Cochrane－Style系统评价培训班》，针对SCI论文写作，组织了《SCI插图规范化操作研讨班》，针对基因组学、蛋白组学等前沿研究，邀请校内外专家及著名生物医学厂商举办各种学习班等等。这些工作不但提升了研究生学习的热情和效率，还促进了作者所在医院的科研产出，很多研究生也据此获得了“光华基金”、“吴世华基金”及“国家奖学金”等奖励和荣誉。

2研究生创新平台建设的创新与实践

研究生培养平台的不足：近年来，各种大型精密仪器在高校逐渐普及，然而，硬件设施具备了，相应的管理工作却没有跟上，取得的效果却并不理想。首先，某些专业性很强的仪器被不科学地安置于常规实验室中，使它们不能被充分利用，即使应用，也大大降低了其在科研中的价值。其次，研究生进入实验室做实验，由于实验技术人员的缺少及精力所限，使研究生缺乏正规的指导与培训，即便是技术人员，也存在专业水平差，对新技术、新方法掌握不熟练等问题，不能正确引导研究生分析和思考在科研实践中遇到的理论或技术难题，这些都直接地影响了研究生创新能力的提高。整合现有研究生创新平台：在西安交通大学“行动计划”的支持下，作者及所在团队整合了当时医院的3个研究所组建了统一的“口腔医学研究中心”。研究中心建设的基本原则是“三个集中和一个避免”：①集中实验区域；②集中设备和材料，将原有实验室的全部设备和材料无偿划拨给实验中心；③集中人力，采用引进、培养和调整的方针，建立了一支专职的研究和管理队伍，即中心实验室不但要有设备还要有思想；④避免重复建设，与校内其他平台建设交流，共享大型设备，节省资金用于必需设备和有特点的设备的购买。该医院实验室由专人负责日常的维护和管理，研究生进入实验室之前进行培训，并针对每个研究生开设课题方向进行实验技术指导，使其基础实验能力与理论水平相匹配；同时，要求研究生学会详细观察实验的现象、综合分析实验的结果，切实提高了其实验的操作能力。搭建校企产学研战略合作平台：实践证明，遵循“临床到实验室再回到临床的道路（bed－beach－bed）”的转化医学规律的产、学、研联合，无疑是一种非常好的研究生培养模式。咸阳西北医疗器械（集团）有限公司是目前我国规模最大、综合实力最强的口腔医疗器械专业制造厂商，经过较长时间酝酿和深入磋商，作者所在医院已与其初步搭建了一个校企产、学、研战略合作平台。目标是在口腔医疗设备器械领域开展更广泛的技术合作，旨在实质性地加强高等学校与企业间的密切合作，积极开展口腔医学工程技术和相关医疗设备的开发和应用研究，研发具有自主知识产权的、高科技含量的先进仪器技术，促进向先进产品的转化。合作除了可充分发挥该院口腔医疗特色及优势，面向区域服务地方，不断提升区域创新能力，实现自身发展和区域发展良性互动之外，还可以共同培养研究生，并为他们提供科研实践的最好基地。

3研究生交叉、开放式培养模式的创新与实践

3．1研究生传统培养模式的弊端

单一导师制：我国的研究生招生规模逐年扩大，导师少、研究生多的结构性矛盾日益突出，单一导师制带来的弊端日益凸现。首先，师生人数比例失调，严重制约了研究生培养质量的提高和研究生知识水平的发展；其次，为了满足研究生教育的需求，各个学校都降低了硕士生、博士生导师的遴选标准，导致研究生培养质量出现参差不齐的现象；最后，知识时代的学科交叉性要求研究生具有宽广的知识面，而单一导师的知识局限性会导致研究生学习范围过窄、知识结构不宽，单一导师制度已经无法适应当前科学技术多学科交叉融合发展的趋势。研究生培养模式封闭：目前的研究生教育仍然满足于传统意义的教学与科研上，医学院临床医学和基础医学的区分较为严格，造成在招生方面，由于就业容量的限制，口腔基础医学招生较为困难；而口腔临床医学专业的研究生，又对从事基础研究缺乏积极性，因此，培养出来的学生也不可避免地存在医学创新能力上的不足。在封闭的培养模式下，优秀的研究生教育资源，包括导师资源、课程资源、科学研究试验条件等无法在国内各高校之间相互开放，更缺乏国际学术交流、讲座、合作科研等培养研究生所不可或缺的国际性育人氛围和环境。

3．2以学生为主体的、多导师合作制的改革

在研究生培养教学中，导师对研究生培养质量起着举足轻重的作用，如何保持导师队伍的质量是保证研究生培养质量的关键。为提高口腔医学研究生的培养质量，充分发挥导师的指导作用，作者所在医院采用合作导师培养模式，建立合理的导师引入机制，并不断探索研究生培养的“导师负责制”、“导师组”、“合作导师”相结合的多元化的研究生培养新模式，以期全面提升学科综合力。在学科交叉的氛围和环境中，激发学生的创新思维，拓宽学生的知识面，进而提高研究生的创新和实践能力。尤其是该医院与西安交通大学的基础研究和材料学院等相关研究教师合作，共同指导研究生完成课题研究，这种校内跨学科合作导师模式，既可以让学生掌握系统化的专业理论知识，开拓了思维，又发挥学校不同学科的综合优势，并且直接推动了该医院交叉学科“口腔生物医学”的成立。西安交通大学口腔医学与生物学、基础医学、临床医学、材料科学与工程和生物医学工程等多学科共同建设“口腔生物医学”交叉学科博士点，依托该校优势学科和“医工”结合的优势，为培养具有国际视野和交叉学科思维能力、深谙生物学、材料学及生物医学工程学技术和实验研究方法，并能够从生物学理论的高度解决复杂的社会－心理－生物医学模式下的口腔医学问题的高端医、教、研人才提供了新的思路。

3．3研究生交叉、开放培养模式的改革

为提高研究生教育水准，应当全面开放研究生培养的客观环境，把加强研究生学术活动品牌建设作为提高研究生创新能力和培养质量的重要手段。研究生的培养不仅需要加强与其它高校的合作与交流，还应该通过国际合作和交流开拓学术视野，改善研究生教育的学术生态环境。近年来，作者所在医院同美国、德国、日本、挪威等国家的10余所著名大学口腔医学研究领域的国际顶级专家和知名学者建立了广泛的学术交流与课题合作，选送研究生到国外高水平实验室开展科研工作，并取得了一定的成果，为构建以创新为核心的开放式多学科交叉培养机制建设贡献了力量。同时，为推动创新人才的培养，吸引研究生优秀生源，鼓励和支持优秀研究生从事科研创新研究，学校设立“西安交通大学口腔医院科研创新基金”，各项目资助经费已经开始在研究生科研活动中发挥效应，对研究生创新能力的培养和训练起到了激励和支持的作用。此外，还广泛招收国际留学生，在国际研究生的创新性教育方面积累了相当多的经验，扩大了该医院的国际知名度。实践证明。只有通过以创新能力为核心的交叉、开放式研究生培养模式的探索和一系列创新举措的实施，才能构筑与高水平研究型大学相适应的开放式研究生培养体系，不断提升研究生培养质量和创新能力。

4结语与展望

篇(4)

关键词： 步态研究 研究方法 正常步态 不正常步态 应用

人出生后大约12―15个月就开始独立行走。此后一生中，步行成为人体活动最基本的方式之一，人的步行姿态在一定程度上是与人体所处生物学因素及环境因素相互作用的体现。步态分析是对人体步行从运动学、动力学、肌肉工作特征及其运动控制等方面，进行系统的分析研究。研究者们通过对步行姿态（步态）的研究，对人的行走功能进行评定、对疾病的恢复效果进行评价、对不正常步态进行矫正、对行走辅助功能提供参考。步态研究已经成为生物力学及医学界的一个重要课题，国内外学者们对此做了广泛而深入的研究。本文通过对步态研究的方法、研究进展等方面作综述，希望为以后步态问题的深入研究提供参考。

1.步态研究的方法的发展

随着人类科技的进步，步态研究的方法在不断更新。从原始的肉眼观察、简单工具测量到应用数码摄像技术、计算机模拟，到目前最为先进的步态系统研究方法。方法的更新和进步使步态研究更加准确和丰富，为人类的健康作出了巨大的贡献。

1.1肉眼观察法

19世纪德国生理学家webers兄弟首先发表了对人体的基本位移形式―步行的研究。由于受到当时条件的限制，他们采用了观察法，通过素描及绘画的方法对步态进行了描述［1］。这也是较早对人体步态的研究之一。很显然，这种方法的精确性差，而且仅能够粗略地描述人体的步态。所以，这种方法随着时代的发展已经不再为人们所采用。但是，他们的研究方法引发了人们对步态研究的无穷探索。

1.2走纸法［2］

走纸法是一种较为古老的步态研究方法。它是通过对测试者所走过的足迹进行测量，借助简单的工具进行步态分析的方法。这种研究法所能得到的参数很少，而且测试的工作量较大，且因为测量工具问题误差较大。至今，这种方法逐渐被淘汰。从研究方法学来说，这种方法是人类利用测量工具研究步态的开始。

1.3摄影摄像法

随着科学技术的发展，人们开始利用性能较高的摄影摄像技术分析人体步态。使用两到三台互相垂直的摄像机对人体正常步行进行拍摄。然后利用计算机分析系统对步态参数进行测定。这种方法的精确度较高，参数分析的范围比以往任何方法都要大。通过这种方法，我们可以得到步态的时间、空间、时间―空间参数，包括人体步行时的重心曲线，肢体各关节的运动曲线等。通过这些数据，我们可以对人体步行的稳定性、协调性、节奏性、对称性进行评价，从而为疾病恢复、步态矫正、假肢研制等提供重要的参考。这种方法的缺点是反馈速度慢，以及对一些力学参数的测定无能为力等。所以目前研究者主要用摄影摄像法与三维测力台配合使用，使研究更加全面，更加有说服力。

1.4三维测力台法

这种方法是让测试者在测力台上按测试要求正常步行，测力台的内部的电阻受压后，应变片因拉伸或压缩而产生电阻的电信号变化，通过放大后进入连接的计算机处理［3］。通过这种方法，我们可以获得步态的力学参数，如足底压力分布、空间各方向的分力、与地面的支撑反作用力等。通过这些参数，我们可以对行走的稳定性、对称性等进行评价。目前这一技术已经比较成熟，典型的有kistler测力台和AMFI测力台。测力台所得力学参数与数码影像分析所得的时空参数相结合，综合人体相关生理知识，我们已经能够对步态进行较为精确的描述。

1.5步态分析系统法

它由计算机、测力板和测角仪组成，利用随身携带的单片机，记录由测角仪测得的关节角度信号，并由与测力板以及安装在步行道上的压力开关相连的光电装置，控制单片机和测力板的同步周期采样，测试完毕后，用串行通讯方法将单片机的采样信号输入计算机处理，而整个步行采用无电线连接测试，并针对以往简易步态测试装置不能确定人置的不足，建立了能确定着地足位置的积分方程，再利用测角仪测得的关节角度信号和用多刚体力学建立的人体步行运动学、动力学程序，使得它像各种先进的红外步态分析系统一样，计算出步行的各种能量变化、人体行走位置、关节受力和肌肉力矩等。我国也开展了各种简易步态分析系统的研究，较有代表性的工作有：微机化步态分析系统［4］和靴式步态分析系统［5］。

2.步态研究的进展及对人类健康所作的贡献

2.1对不正常步态的研究及对人类健康的贡献

所谓不正常步，即步态特征的变化超出正常范围。whittle（1996）列出四点被视为不能正常行走的特点，一是两腿不能交替支持人体重量，二是在单腿支撑时不能静力性或动力性保持平衡，三是摆动腿不能前摆到一位置上从而变为支撑的作用，四是力量不足以令下肢移动的同时带动上肢。异常步态有时很明显仅凭肉眼观察就可看出，而有时必须通过实验仪器才可以得出步态异常。

近年来，以步态分析的方法来评估及治疗肌肉骨骼和神经方面的研究发展迅速，并由此进一步推动了对不正常步态的深入研究。这方面的研究很多，如刘永斌［6］等人对三截一瘫残疾者进行步态测试，以反映人体行走姿态变化时间历程的周期、时相及反映支撑反力的三维离曲线为基础，用特征函数的基本概念进行归类组合，提出5个相应的经验公式，以此对三截一瘫患者的行走功能进行评定。Rozendal［7］等通过三维步态分析系统提供三维平面的地面与反力的向量图，绘出偏瘫病人足―地接触力的向量环，可以发现健侧和患侧下肢的力量环和形态明显不同，借此可客观评定步态异常机理。Granataetal.（2000）［8］通过步态分析，研究延长肌腱的治疗方法对儿童脑瘫病人的影响，等等。除此以外，临床步态实验室也在不断增加。对于不正常步态的研究，可以帮助早期偏瘫、脑瘫等功能性疾病的诊断，还可以通过矫正促进疾病的恢复。医学界正在越来越多地应用步态研究成果为人类健康服务。

2.2对正常步态的研究及应用

一个正常的步态周期，通常由脚跟着地开始，至同侧脚跟再次着地为止，包括支撑和摆动阶段［9］。对正常步态的研究主要是从步态的时间、空间、时―空、力学等参数入手研究各年龄段、各类不同职业的群体、不同形体特征的步态差异，对人类的步行规律及相关影响因素进行探讨。

国内外研究主要集中于老年人、儿童等特殊人群的步态。而对于成年人特别是与步态与运动能力的关系的研究较少。如Hills and parker（1991）［10］研究表明身高与步幅显著相关。Mann and hagg（1980）研究表明，正常儿童以自然步速行走，支撑时间是整个步行周期的62%，且支撑时间似乎并不随年龄而变化。只有在步行节奏改变时，如跑或快速步行时变化才比较明显，其他学者的研究也支持了这一点。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［11］对下肢关节角度和关节角速度的变化做了研究，指出步行时关节角度的大小是与肌肉的活动和发力是相关的。北京体育大学赵芳、周兴龙等（1996）［12］分析139名普通中老年人在正常步行下的步态，其目的是研究从中年到老年这一衰老过程步态指标的变化，希望能将步态指标作为中老年人体质衰老的评价标准。另外，一些学者对肥胖儿童、长期负重、高跟鞋等对步态的影响也做了一些研究。这些研究对于人体步态矫形，塑造人的形体美，以及利用人体步态参数为肢体残疾者制作合适的假肢，促进青少年形体的健康发展等起到了巨大的作用。不足的是对健康成年人步态与身体功能、步态与人体运动功能关系的研究还较少，相信随着研究手段的日益完善，这方面会取得较大的进步。

3.讨论

3.1随着科学技术的发展，对步态研究的方法也日益完善。从原始的观察法、走纸法等发展到准确全面的影像技术、测力台技术和步态测试系统。国内外很多学者仍然在努力尝试研究更为科学的研究方法，并且陆续有报导。另外，因应医学上对病态步态分析应用的要求，临床步态实验室不断增加，并且朝向实用性、准确性、系统性、低成本方向发展。

3.2随着研究方法的不断进步，步态研究也在不断深入，通过对正常步态从时间、空间、时间―空间、力学等参数的测定，对人体正常行走的规律及不同人群的步态特征的研究也取得了很大的成功。对一些特殊形体如肥胖、长期负重及等人群的步态也开始研究。这些研究对评价人体行走功能、矫正不正常步态等提供了科学的依据。病态步态方面的研究如“三截一瘫”者步态，为科学诊断及恢复治疗、恢复评定提供了重要参考。不足的是，对步态与运动功能的关系，健康成年人步态与身体功能的关系等的研究还较少，希望这方面能够引起研究者的重视。

参考文献：

［1］郑秀瑗等.现代运动生物力学.国防工业出版社，2002：404-405.

［2］陆明钢等.步态参数的测定.上海大学学报（自然科学版），1998，4：87-91.

［3］张潇等.运用三维测力台系统对正常人步态的分析.医用生物力学，1996.，4：211-215.

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篇(5)

关键词：有限元法；手部；建模；生物力学

1 有限元法的发展历史及在人体生物力学中的运用

1.1有限元法的发展历史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学、生物力学等问题。其基本思想是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。通过对每个单元的力学分析，获得整个连续体的力学性质。有限元法最早可上溯到20世纪40年代。现代有限法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时成功应用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人们认识到它的功效。我国河海大学教授徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。

1.2有限元法运用于人体生物力学研究 1972年，Brekelmans[2]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。80年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。随着计算机技术的发展、分析工具的完善以及实践的增多，有限元方法显示了极大的优越性并已逐渐成为研究人体生物力学的重要手段。人体力学行为研究基本无法采用传统的力学实验方式来进行，因而有限元建模愈来愈成为深化人体认识的有效措施。基于有限元软件日益完善的建模功能及兼融其它计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件特性，真实再现三维人体骨骼、肌肉、血管、器官等组织成为可能，并在虚拟现实实验中，通过材料赋值、几何约束、固定载荷等过程，对挤压、拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验进行模拟，能求解获得给定实验条件下模型任意部位变形、内部能量变化、应力/应变分布、极限破坏等数据[3]。

1.3有限元法在人体生物力学研究中的建模思路 有限元建模即建立为数值计算提供原始数据的计算模型，需要通过建立几何模型、材料赋值、网格划分、施加约束与载荷，最后进行求解等步骤实现，是有限元法仿真试验最关键环节。摸型的几何相拟性直接影响计算的结果，医学有限元模型的建立首先需要获得人体特定部位的几何数据，数据可以从几何参数设定、激光扫描、标本切片和磨片以及医学影像图像获得。其中医学影像法最为以无创的方式提供了高精度的人体解剖结构形态，基于医学影像技术建模是目前人体有限元建模的主要手段，可以实现人体解剖结构的可视化乃至生物力学仿真的有限元模型。包括X射线、超声、CT、MRI等途径，其中CT扫描是主流方式，CT结合MRI是新亮点。

通过X射线照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射线照片获得几何数据重建三维模型，是一种经济、可行的方式。但因信息获取不完整，建模过程复杂，对研究者经验要求较高，现行医学有限元建模中应用较少。还有研究者基于超声影像技术建模，如赵婷婷[4]等基于超声建立了乳腺有限元模型；张桂敏[5]等在研究二尖瓣狭窄患者二尖瓣下游湍流剪应力变化方面，运用超声影像图像建立了二维有限元模型，为心瓣流体力学研究探索新的方法学途径。目前基于超声的有限元分析研究多集中在机械制造、土木工程等领域，并多采用二维有限元法分析，还没有注意到与医学相关的基本超声影像技术的三维有限元研究相关报道。这或许是因为基于超声影像技术的力学研究本就较少，三维、四维超声的概念提出较晚，与重点应用在工程技术方面的有限元法结合运用更是鲜有。相较X线与超声而言，CT/MRI图像法在医学有限元建模中应用更为普遍。MRI技术具有很高的组织对比分辨率、解析高以及无离子化辐射等特点，能清晰显示人体结构的组织学差异和生化变化。基于MRI图像能获得细致的几何模型。但MRI偏向于对肌腱、韧带等软组织的分辨，对骨的分辨不如CT清晰。此外，目前国内常用的核磁共振机扫描层厚和扫描间距一般都在2mm以上，无法获得更详细的几何数据，影响到重建图像的清晰度精确性。基于CT扫描获得几何数据的建模的方法目前应用最为广泛。CT根据密度不同来确定信号的强弱，可以通过调节扫描条件，使任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。可清晰显示骨与软组织的边界，通过医学成像系统能获得骨骼比较准确的几何数据，其不足之处在于对软组织的分辨率相对较低，无法从医学成像系统获得准确的肌肉、韧带、腔等组织几何数据，须参考相关解剖资料。CT/MRI数据重建的三维模型，能够真实的再现被扫描对象的表面特征及内部结构，CT的空间分辨率高于MRI，CT对骨组织与软组织边界显示更为清晰，而MRI的对比分辨率高于CT，特别是软组织对比明显优于CT。通过CT结合MRI法将能融合二者优势，但对研究者图像处理技术有更高的要求。通过文献检索发现，目前CT提取骨组织结合MRI提取软组织方法的研究报道较少。徐志才[6]等基于CT影像数据构建了包含股骨、胫骨和腓骨的实体模型，并基于MRI影像数据构建了包含股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板和内外侧副韧带的三维实体模型。将CT和MRI影像数据进行配准融合，获得包含骨性和非骨性结构的膝关节三维实体模型。

2 有限元建模的常用软件

人体生物力学有限元模型的精确性对有限元分析结果的合理性有直接影响。三维重建技术与有限元方法及其他虚拟现实技术的结合是未来发展的方向，这有赖于这些集成强大图像处理功能的有限元软件的发展。常用的建模辅助软件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等软件。其中最常用的是MIMlCS软件，它的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在有限元分析中。它还可基于扫描数据的亨氏单位对体网格进行材质分配。MIMICS的网格重划功能能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片，显著提高STL模型的质量和处理速度，对输入数据进行最大限度的优化，目前版本已发展到MIMICS17.0。现常用有限元软件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys软件，目前版本已发展到Ansys15.0。

3 手部三维有限元的运用进展

手部因其解剖结构复杂、运动灵活精细、力学分析困难的周围组织对手部力学因素有重要影响等方面原因，研究较人体其它部位明显偏少。在工程领域方面，杨德伟[7]等基于CT扫描数据结合ABAQUS软件建立了手抓握模型。几何模型通过人手CT扫描后简化处理得到，建立的手模型简化为以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型两部分，手部复杂的组织结构未曾细化。抓握功能通过参数约束、程序运动规划控制下实现，而并非基于神经肌电活动模拟，也非通过骨、肌肉施加荷载得到，本模型在工程领域有一定实用价值，但远不能满足医学研究的需要；陈志翔[8]等在研究机器人虚拟手过程中，通过参考手部解剖结构，建立手部肌肉模型，并以程序设计约束指间运动关系，通过控制肌肉收缩量来实现手指运动，较好的拟真了手指运动机理。但模型基于数学方程人为控制，而非通过人手实际解剖结构获得。在医学领域方面，Carrigan等[9]通过CT扫描，最先建立了包括韧带、软骨、8块骨骼在内的手腕关节复合模型；国外的Ko等和国内的郭欣等[10]都建立了腕管的三维有限元模型，为进一步探讨腕部结构的力学行为提供了一个可操作的平台；Anderson等[11]最早通过腕关节三维有限元模型模拟了创伤性关节炎病理改变；Bajuri MN[12]等通过CT扫描，参照诊断标准，建立了首例类风湿性关节炎患者腕关节三维有限元模型。国内其它学者也以解决临床问题为出发点，对手的部分结构三维有限元模型的建立进行了积极的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三维有限元模型，并模拟Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏针内固定治疗情形，研究两种治疗方法优劣问题；董谢平等[14]以中国力学可视人原始资料为依据，构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，验证了腕保护器防护腕部骨折的有效性；颜冰珊等[15]建立了正常下尺桡关节三维有限元模型研究了前臂桡骨骨折的临床问题；张浩[16]等基于现有个人电脑平台，建立了腕关节有限元模型，进一步证明利用医学图像处理软件和三维重建软件准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型有可行性。

4 小结

手部建模是虚拟现实领域研究的热点之一，在工程领域主要是机器人手的拟真研究，尤重抓握功能，在医学领域更多涉及腕关节这一部分结构，囊括手部骨骼、关节、肌肉、韧带、筋膜、血管、神经、皮肤等组织结构较完整的手部有限元模型尚未见诸报道。手部的骨骼、关节数目较多、相互关联较复杂，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、关节面、韧带、肌腱及其它周围组织在生物力学中的作用。目前，手部有限元建模研究较人体其它部位少，还没有形成较完整、成熟的模型，更没有统一的建模标准。如何将三维可视化手建成物理手的有限元模型是现阶段研究难点，也是实现虚拟生理手模型建立的必然阶段，相信随着计算机技术的进步及多学科更好的融合，手部有限元模型研究将有更为广阔的前景。

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【关键词】脊柱；转移性肿瘤；外科治疗

【中图分类号】R738.1 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）04-0186-02

脊柱转移性肿瘤不仅是脊柱肿瘤中一种非常常见的肿瘤，还是脊柱性肿瘤外科治疗的一个重要方面。对于脊柱转移性肿瘤患者来讲，脊柱一旦发生转移，其在生存的时间上非常有限，为此，脊柱转移性肿瘤患者在何种情况下需要实施外科手术治疗成为了临床工作中一直所在研究的重点。基于此，文献选取医院的32例脊柱转移性肿瘤患者，对他们在临床治疗中所采取的外科治疗效果进行了分析和总结，现报道如下。

1资料与方法

1.1临床资料

在医院与2010年3月-2011年3月所收治的32例脊柱转移性肿瘤患者中，男性15例，女性17例，年龄35-74岁，平均年龄为54.5岁。32例患者经病理检查均证实为脊柱转移性肿瘤，原发性病灶主要为乳腺癌、前列腺癌、食管癌、肺癌等，病症的临床表现主要为背部疼痛或上下肢、双上肢麻木、无力，胸腰椎病理性骨折。

1.2方法

手术前对32例患者进行常规性的检查，对于原发性病灶未知的患者，仔细检查他们容易发生骨转移的部位。然后，根据患者在X片、CT等检查结果，对生存时间预计超过半年以上的患者实施外科治疗。经检查，本次32例患者均能实施外科治疗。

本次脊柱转移性肿瘤患者的外科治疗针对患者的病情予以实施，针对单发椎体转移灶患者采取前路或后外侧入路切除肿瘤，重建脊柱稳定性或单纯的PVP手术方法进行治疗[1]。针对多发脊柱转移灶患者，对伴有脊柱失稳或有神经压迫的节段实施后侧入路椎体病灶切除、椎弓根螺钉内固定、骨水泥充填、后路内固定、单纯后路椎板切除减压的方法进行治疗，同时，对于多发脊柱转移灶不不伴有结构性失稳或神经压迫的节段也可采取PVP手术[2]。手术结束后，根据患者的不同身体状况给予抗生素治疗，以预防感染的发生，行开发性手术的患者，伤口留置负压引流，并在术后的一到两天内将引流管拔除，根据患者的病理结果，可给予一定的化疗或放疗治疗[3]。

1.3观察项目与方法

根据疼痛强度视觉模拟评分VAS和Frankel分级对脊柱转移性肿瘤患者治疗前后的疼痛感和脊柱神经系统功能的恢复情况进行评估，并分别记录好治疗前后的随访结果[4]。

2结果

3讨论

临床研究表明，任何形式的恶性肿瘤均能够想骨骼方向转移，而脊柱是其中最为常见的一个转移部位。在转移性肿瘤中，从转移发生的概率分析，肿瘤骨转移具有“亲骨性”和“厌骨性”两种。亲骨性转移中，前列腺癌是最为明显的，转移率高达80%以上，其次为乳腺癌、肺癌，厌骨性转移中，随着当前此类肿瘤患者发病率的不断上升，转移发生的概率也是随之不断的增加着，而对其治疗方案的选择也一直成为着当前医学界所非常关注的话题[5]。

随着现代外科手术和影像学技术水平的不断提高，临床治疗脊柱转移性肿瘤中将外科手术应用到了其中。从提高脊柱转移性肿瘤患者的生存时间上考虑，外科手术的实施需要多采用尽量控制患者疼痛症状、改善和维持患者的脊柱功能、神经等方面，因此，外科手术实施中，首先需要在手术前对患者进行全身性的检查，以便对患者手术实施策略的制定，而在外科手术的进行中更是需要从患者的全身状况和脊柱的不同转移情况出发。在本文此次对32例脊柱转移性肿瘤患者采取外科治疗的结果分析上，32例脊柱转移性肿瘤患者在实施外科手术中，从患者脊柱转移的单发或多发转移、全身的不同状况出发选择不同的手术方案，治疗后一个月，与术前相比，术后的疼痛感逐渐有重度疼痛向轻度疼痛转移；术后3个月对患者的脊椎神经系统功能进行评估，和手术前相比较，脊柱神经功能逐渐的由A级向E级转移，脊柱功能逐渐好转。

综上所述，脊柱转移性肿瘤患者采取外科治疗的方法，不仅能减轻患者治疗中的疼痛感，还能对患者的神经功能进行维护，对患者生存质量和生存率的提高非常重要，值得在临床中广泛的推广与应用。

参考文献

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[中图分类号]R622　[文献标识码]A　[文章编号]1008-6455(2000)05-0386-03

计算机图像处理技术在医学领域的应用日趋广泛,近20年来已成为整形外科领域研究应用的方向之一。本文将国内外近年来有关计算机图像处理技术在整形外科面积测量与结构分析、手术设计与模拟、术中导航、辅助预制假体、软组织生物力学分析、计算机整形专家系统等领域的具体应用进行了综述,并提出了需解决的问题及今后主要的发展方向。

1　具体应用领域

1.1　面积测量与结构分析　1983年,Hilger等[1]首次将计算机图像技术用于鼻成形术形态测量和结构分析。1987年,美国试制成功第一台由计算机与录像设备组成的整容检测仪并投入应用。1988年至1992年,Papel等[2～4]都先后采用计算机技术对人体,特别是面部形态进行了测量与分析。国内1990年王大章等[5,6]开始在口腔整形方面应用计算机进行测量分析、辅助诊断、疗效预测等研究。1995年,王积恩等[7]对鼻形态12个项目进行了计算机测量分析,胡志奇等[8]报告了120例隆鼻术前后做形态测量与统计分析的结果。同年,王大为等[9]用记录像素点个数测量面积的方法,精确测算了外扩张所得的二维平面"额外"皮肤面积,1999年,胡华新等[10]则将三维皮肤表面用纸基乳胶膜取模后转化成二维平面,采用类似的测量方法对三维空间的扩张皮肤面积进行了测量,最大误差小于3%。1997年,Namnoum等[11]曾用计算机重建了人类胎儿人中部位的肌纤维与皮肤组织的三维结构,帮助人们正确认识了该部位的解剖结构及人殊形态形成的机理。医学图像能直观准确地提供诊断信息,作为手术的重要依据和指导,这对以改善外观形态为主要目的的整形外科尤为重要。用计算机进行形态测量与分析,较传统的手工测绘与肉眼观察,除简便、迅速、可满足大样本多参数测量外,还可精确测算细微差别或不规则面积,并可结合黄金分割等进行美学分析。

1.2　手术设计与模拟

1.2.1　CAS、CAPS和Simulation Surgery的概念　CAS是Computer-Aided Surgery的缩写,即计算机辅助外科,指一种全新的模拟仿真及术中导航系统,对于面部整形手术而言有计算机化的手术设计与模拟系统(Computerized Surgerical Planning and Simulation Surgery System),该系统用于术前设计、术中导航、假体的辅助设计与移植模拟,目前已有商品化的产品问世[12]。应用CAS系统需要以下条件:①手术小组;②成像设备;③精确的定位装置;④交互图形工作站;⑤三维可视化软件。一般步骤是:①图像采样;②空间三维位置测量;③体数据的抽取与处理;④三维显示及交互处理等[13]。1995年,Pieper等[14]又提出了CAPS(Computer-Aided Plastic Surgery)即计算机辅助整形外科的概念,并报道了他们初步开展CAPS的情况。日本的Fujino等[15]最早提出和补充了Simulation Surgery,即模拟外科的概念,并将其分为经验模拟外科(即术者凭经验在头脑中模拟手术的过程)和计算机模拟外科两类。对于后者,术前即可在显示器上或按测量数据制作的实体模型上观察到感兴趣区域的三维解剖结构,并模拟可能的外科操作。以下按显示方式分类介绍其应用情况。

1.2.2　在计算机上进行手术设计与模拟　1992年,Theodore等在计算机屏幕上对面部皮瓣进行简单设计与模拟,计算机被用作一张绘图纸。1993年,唐胜建等[16]采用计算机成像技术辅助面部手术设计与效果预测,临床验证312例,取得初步效果。1997年,王大为等[17]报告了应用自行研制的软件,对隆鼻术患者术前图像测量分析后通过灰度外推、坐标内插等方法,模拟术后效果。1995年,Pieper等[14]报告了结合有限元数学模型的计算机辅助面部手术模拟系统,可对颜面部的直线形伤口和菱形-W形皮肤成形术在计算机上进行设计与模拟,并预测术后效果。1993年,Altobelli等[18]进行了颅面整形手术的计算机辅助三维设计与模拟,以眼球作为定位基准,在计算机生成的表面显示三维图像上模拟截骨术和骨骼移动。1995年,Devauchelle讨论了三维图像技术与颅面整形的关系、计算机模拟手术的优点及发展前景,并指出三维成像技术的目的在于术前把畸形和所需做修复的精确空间定位提供给术者。目前,整形外科三维图像技术主要是基于CT扫描数据和计算机三维重建,故只能针对骨组织畸形或缺损,在颅面整形和牙颌面畸形矫治方面的应用较多,而在软组织结构与表面形态方面的应用,则因受图像采集生成方式的限制而仍多限于二维平面。Altobelli提出计算机辅助整形外科手术设计与模拟的10条要求:①三维数据的高解析度采样;②多个平面数据的三维重建;③交互式的图像显示与测量;④二维及三维解剖数据库的用户界面;⑤截骨术及骨块位置移动的模拟;⑥软组织手术的模拟和(或)骨骼移位对软组织影响的模拟;⑦术中导航和对患者解剖及相应计算机图像记录的方法学;⑧解剖模型和植入体的制作;⑨以往手术经验的知识数据库;10运动学与生物力学分析。显然,用计算机逼真地模拟手术过程对软、硬件的要求非常高,而且是以鼠标、键盘为工具,外科医生要能熟练操作才行,另外实际的手术器械及材料也无法在显示屏上应用,与实际手术操作情况差别较大,因此目前临床应用更多的还是实体模型。

1.2.3　在实体模型上进行手术设计与模拟　应用计算机辅助设计与制造技术(Computer-Aided Design & Computer-Aided Manufacture,CAD/CAM),采用数控机床或激光加工工艺,根据插值处理后的CT和MRI数据,可制造出轮廓光滑、与患者骨组织实际解剖结构完全相同的个体化模型。1995年～1997年,Klimek等[19,20]采用"立体石版印刷技术"(Stereolithography)以光固化塑料为材料逐层迭加制成实体模型。1993年～1996年,Rose等[21,22]则用数控机床分别以聚丙烯酸甲酯、多聚氨基甲酸乙酯泡沫或树脂加工制成实体模型。1993年,Kaneko等・[23]采用三维测量系统获得健侧耳数据,作镜像转换后制出与之对称的患侧耳模型,应用于7例小耳畸形,效果非常满意。该方法的优点有:①便于拿在手中对感兴趣区的实际结构在术前进行观察研究,消毒后还可作为模板用在手术台上,提高手术操作的精确度;②较计算机上模拟更加直观,更可直接用手术器械在泡沫模型上模拟手术操作;③可用作直观教具。但也存在缺点:制造成本高,需对CT数据进行插值处理才能保证模型边缘光滑自然。

1.3　辅助预制植入体　由正常组织轮廓及缺损边缘相减可得到植入体的数据,再用CAD/CAM技术即可制出精确的植入体。这种植入体虽然成本高,但接合非常贴切,形态好,寿命长,还可在术前预制,缩短手术时间。1995年,Eufinger等[24]将该方法应用于修复大面积颅骨缺损。1997年,Goto等[20]则在实体模型上以蜡封填缺损,再测量蜡融化后容积的方法计算缺损的体积,以指导自体植骨修补缺损时取骨量的多少。国内吴煜农等[25]尝试了采用栅线投影光测法由健侧与患侧颜面部的高程差值得到硅橡胶植入体厚度的数据,以指导植入体制作。

1.4　软组织生物力学分析　结合有限元数学模型,对皮肤软组织生物力学分析,可解决皮肤拉伸、缩短、扭转中的非线性、时间依赖性和各向异性等以往方法难以解决的问题,方便地分析各种成形术中皮肤受力、缝线张力及其对皮肤软组织重排的效果。Larabee和Galt于1986年用二维有限元模型与猪皮进行比较,分析了滑行推进皮瓣。Kawabata等[26]1989年对各种Z-成形术进行了力学分析。

1.5　计算机整形专家系统　即基于专业知识数据库,存贮专家的知识与经验,及其手术设计中的各种选择并对结果进行预测的计算机应用系统。此时计算机就象一本可用于培训或帮助分析决策的交互式教科书,可提供备选菜单,并根据使用者所做的选择给出最佳手术方案及相应结果。1994年王义彪[27]建立了小腿组织瓣手术方案优选专家系统,该系统选择结果与专家的判定基本一致。

1.6　患者咨询　计算机模拟和预测可直观显示手术过程及效果,为医生提供了有说服力的手段,提高患者对手术的理解和对医生的信任程度,加强医患交流,减少纠纷。

1.7　图像资料的管理　手术前、后照片对整形外科,特别是颜面部手术和美容外科非常重要,不但是患者咨询、学术交流的重要资料,还是医疗和法律文件。计算机可采用多种检索途径及查询方式调存资料,或附加某些指标做为分析因素,方便迅速、便于随访。我单位的魏清文等[28]已开发了专门软件,效果满意。

1.8　培训与教学　由于计算机在整形外科的上述诸多应用,它对培训和教学作用也就不言而喻了。Papel在《应用计算机成像技术进行整形外科教学和培训青年医师》一文中曾明确指出这一点[2]。

2　亟需解决的问题目前计算机图像技术已在小范围内应用于整形外科领域,从文献报道看都取得了良好效果,阻碍其推广的主要是经济因素和技术因素。由于尚处于起步阶段,经验少,往往需求助于计算机专业人员,图像处理速度与精度尚难满足临床实际需要,而且模拟出的图像、计算的结果也同手术实际情况存在一定的差距。①整形外科专业应用软件是制约计算机在整形外科应用的主要因素,应加强有关专门软件的开发和普及。②临床医师对计算机操作的水平和熟练程度也是影响计算机在整形外科领域应用的重要因素。

3　主要发展方向和展望

3.1　国际互联网(World Wide Web,WWW)的发展与应用可将本地CAS系统同具有超级计算能力的远程计算中心联结起来,实现三维图像的分布式计算,从而使三维成像具有实时显示能力。利用网络技术还可实现远程整形外科医疗、会诊与咨询,大大节省往返费用和时间[29]。

3.2　虚拟现实(Virtual Reality)技术与器官图像数据相结合,使操作者有身临其境的真实感,从而在虚拟患者身上进行手术模拟、医师培训[30,31]。

3.3　将空间不规则表面图像采集生成技术与有限元数学模型结合,应用于皮肤扩张术或颅面外科,可实现对皮肤软组织三维形态的精确计算、辅助设计模拟和预测。

3.4　通过加强对细节因素的分析与识别,实现计算机对病变部位的自动检测识别、诊断甚至分型[29],这对于肉眼下不易辨别的疾病和组织深层畸形的诊治尤其有意义。

3.5　与内镜和机器臂技术相结合,实现复杂手术时对机器臂的可视化控制,从而使内镜整形外科迈入新阶段[29]。计算机图像技术已带来许多革命性的进步,正在整形外科领域显示出强大的生命力。可以预见,这一技术必将得到广泛的普及和应用,并进一步促进本学科的发展,有着广泛的的前景。

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