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人體數(shù)字孿生構建方法及其在骨骼分析中的應用

2022-06-29 13:23李忠海孫天澤張警何西旺宋學官
中華骨與關節(jié)外科雜志 2022年2期
關鍵詞:腰椎骨骼人體

李忠海,孫天澤,張警,何西旺,宋學官

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能及機器人等新興技術的發(fā)展,醫(yī)學模式面臨又一次重大變革,工程醫(yī)學最終進化到“智能醫(yī)學”階段。近年來,數(shù)字孿生(digital twins,DT)技術的應用日漸廣泛,其在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧交通等領域都有廣闊的應用場景[1,2]。DT技術是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等,其融合了三維建模、仿真與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、人工智能和虛擬現(xiàn)實等一系列新型高級信息技術[3-5]。為每位患者提供量身定做的診斷及治療是精準醫(yī)學的愿景,DT 技術的出現(xiàn)使之成為一種可能[6]。本研究嘗試從人體骨骼入手,通過DT技術構建腰椎骨骼系統(tǒng),實時動態(tài)顯示骨骼的動作狀況和生物力學性能,忠實映射骨骼的姿態(tài)信息和健康信息,為骨骼健康監(jiān)測提供寶貴的實驗數(shù)據(jù)和參考案例,并對未來的挑戰(zhàn)和機遇進行探討。

1 資料與方法

1.1 靜態(tài)物理實體模型的建立

本研究選取1 名健康成年男性志愿者,28 歲,身高180 cm,體重72 kg,既往無外傷史、脊柱疾病史,拍攝腰椎正側位、過伸過屈側位、左右斜位X線片及進行CT掃描,以排除腰椎損傷、退變、畸形等疾病,對L1-L5節(jié)段行CT薄層掃描。掃描條件:120 kV,125 mA,層厚0.625 mm,層間距0 mm,自上而下行螺旋周圍掃描。對原始數(shù)據(jù)進行插值、放大等處理,并以DICOM格式存儲。利用Mimics(Materialise NV,Ann Arbor,MI)、3dMax(Materialise NV,Ann Arbor,MI)、CATIA V5(Dassault Systemes Inc,CGD,F(xiàn)rance)和Unity3D 軟件進行混合建模設計。

DT仿真建模需要保持模型與真實人體實際運動狀況一致,同時保證一定的動畫效果,需要對模型進行一定處理。將3dMax處理過的零件模型逐一導入Unity3D,一個虛擬模型由多個零件模型組成,這些子模型含眾多變量,通過對這些變量進行修改,進而對整個虛擬模型的行為進行控制,模型的外形數(shù)據(jù)關系存儲在Mesh結構中。腰椎有限元模型經(jīng)過離散化后得到腰椎的三維點云數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選、約簡、轉化后,利用Unity3D 的Mesh 結構在Unity3D 開發(fā)平臺中實現(xiàn)骨骼三維模型的重構。上述建模方法只是依據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù)得到腰椎的三維模型,還需要添加虛擬材質,在其三維模型上實現(xiàn)應力云圖的顯示。

本研究獲得醫(yī)院倫理委員會批準,志愿者簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)的采集、傳輸與融合

使用DT仿真建模實現(xiàn)物理實體的狀態(tài)監(jiān)測,既需要完成模型,又需要完成數(shù)據(jù)的相關工作。腰椎骨骼模型建立完畢后,需要進行數(shù)據(jù)驅動。在數(shù)字驅動之前,首先需要解決的問題是腰椎骨骼數(shù)據(jù)的采集處理,數(shù)據(jù)主要包括來自物理實體的傳感數(shù)據(jù)。通過處在空間定位器范圍內的身體重要部位與關鍵骨骼位置處的傳感器收集所需要的多種傳感器數(shù)據(jù)信息。傳感數(shù)據(jù)具有多源異構、多維度、動態(tài)性、海量、時序性等特征。本研究考慮采集數(shù)據(jù)的完整性、冗雜性等問題,對原始數(shù)據(jù)進行“原始數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)清理→數(shù)據(jù)集成→數(shù)據(jù)變換→數(shù)據(jù)歸約”流程的預處理,對收集到的多種數(shù)據(jù)信息進行編碼讀取與譯碼寫入操作,并將譯碼后的數(shù)據(jù)信息進行分類、篩選、約簡、轉換計算后得到所需要的傳感器關鍵數(shù)據(jù)。然后,將這些關鍵數(shù)據(jù)導入計算系統(tǒng)進行計算,利用人體反向動力學與生物力學得到人體姿態(tài)與空間位置改變后的骨骼動作結果與力學結果,并與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中得到的其他多種信息數(shù)據(jù)一同傳入數(shù)據(jù)融合系統(tǒng),完成對人體骨骼動作信息與力學信息、人體動作姿態(tài)數(shù)據(jù)、人體空間位置數(shù)據(jù)等多種異維數(shù)據(jù)的融合,即將物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字空間,實現(xiàn)感知物理實體的全要素信息。

1.3 動態(tài)演化模型的建立

DT技術的一大重要特點是可以利用傳感器數(shù)據(jù)對物理模型進行實時更新,從而實現(xiàn)DT體與物理實體之間的同步,即使原有物理模型有了自進化能力。本研究基于已建立的腰椎骨骼靜態(tài)物理實體模型,通過對融合數(shù)據(jù)的靜力學與動力學仿真計算得到人體在實時動作時內部骨骼的生物力學性能,并通過預測算法實現(xiàn)對人體某一未知姿態(tài)時骨骼生物力學性能的預測。然后利用計算機圖形學技術將計算結果渲染為人體骨骼的高保真DT體,提供一種直觀、可信的骨骼數(shù)字化動態(tài)模型,并在此數(shù)字化模型上顯示骨骼生物力學性能完成對人體骨骼高度一致的虛擬孿生映射,最終實現(xiàn)DT體與物理實體之間的實時同步(圖1)。

圖1 人體腰椎骨骼數(shù)字孿生體的構建流程

2 結果

對靜態(tài)腰椎骨骼有限元模型進行有效性驗證。在模擬外力的作用下,測量本模型前屈、后伸、側屈和旋轉狀況下的L3/4節(jié)段椎間盤壓力和小關節(jié)接觸力,與既往尸體生物力學研究結果相比[7,8],本模型測試結果基本一致,表示所建立模型達到了生物力學要求,可應用于下一步研究。

體驗者穿戴上虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)裝備后,在基站定位空間范圍內校準姿勢與身高后與虛擬模型匹配。匹配完成后,即可實現(xiàn)人體實時動作捕捉和腰椎骨骼上應力的動態(tài)計算與應力云圖顯示。體驗者可以在基站定位空間內任意活動,做出任意的動作,如跑、跳、彎腰、俯臥撐等。虛擬模型會實時做出對應的動作,其上的DT 體會實時計算腰椎骨骼上的應力數(shù)值且動態(tài)顯示應力云圖。腰椎DT 體可根據(jù)實驗者的實時身體姿態(tài)形象展示出腰椎骨骼的姿態(tài)和其上的生物力學性能,實現(xiàn)對人體腰椎骨骼的實時監(jiān)測與評估。腰椎骨骼上的應力云圖是根據(jù)腰椎骨骼上各個頂點的應力轉化而來,代表骨骼不同位置應力的大小,對應的顏色數(shù)值段表示各個顏色代表的最大和最小閾值,紅色表示最大應力區(qū)間,數(shù)值大小依次減少,藍色為最小應力區(qū)間(圖2)。

圖2 四種狀態(tài)下腰椎數(shù)字孿生體對骨骼應力的實時監(jiān)測

實驗者在做前屈-后伸-右側屈-左側屈4 個連續(xù)動作時,其L3/4 椎間盤平均應力與小關節(jié)接觸力隨時間變化的趨勢如圖3。當動作幅度變大時,椎間盤應力和小關節(jié)接觸力均表現(xiàn)出增加的趨勢。當前屈動作達到最大幅度時,椎間盤所呈現(xiàn)的壓力最大;同樣,小關節(jié)接觸力也在前屈運動時出現(xiàn)最大值。

圖3 L3/4椎間盤應力(A)與小關節(jié)接觸力(B)隨時間變化的趨勢

3 討論

3.1 DT的概念起源與應用價值

DT 的概念最早出現(xiàn)于2003 年,由Grieves 教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出,并被定義為三維模型,包括實體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接[9]。由于當時技術和認知上的局限,DT 的概念和模型并沒有引起國內外學者們的重視。直到2011 年,DT 才迎來新的發(fā)展契機,當時美國空軍研究實驗室和NASA 合作將DT 的概念引入到航天飛行器的健康維護等問題中,并將其定義為一個集成了多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,基于飛行器的物理模型構建其完整映射的虛擬模型,利用歷史數(shù)據(jù)以及傳感器實時更新的數(shù)據(jù),刻畫和反映物理對象的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢,此時DT才引起業(yè)界的廣泛興趣[10]。此后,DT的概念得到了不斷的補充和完善[11-13]。

從誕生之初就可以看到,DT是融合了三維建模、仿真與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、人工智能和VR等多種新興技術在內的復合技術。DT技術能迅速成為研究熱點,也源于數(shù)字化設計、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關鍵技術的蓬勃發(fā)展與交叉融合。DT作為連接物理世界和信息世界的紐帶,致力于建立物理空間和虛擬空間的實時交互映射,通過定義物理實體對應的數(shù)字化孿生體,實現(xiàn)對物理世界中隱藏的、有價值的信息的挖掘,即以數(shù)字鏡像為載體,延伸和豐富物理實體所蘊含的信息,突破數(shù)據(jù)堡壘,聯(lián)通信息孤島,貫穿結構設計、加工制造、運維管理等全生命周期階段。目前,DT技術已應用于航空航天、智能制造、智慧城市、建筑、醫(yī)療、機器人、船舶、汽車、軌道交通、工業(yè)工程、農業(yè)、采礦、能源和環(huán)境等15個領域[1,2]。2017年中國科協(xié)智能制造學術聯(lián)合體在世界智能制造大會上將DT列為世界智能制造十大科技進展之一。

3.2 DT與智慧醫(yī)療

隨著工程技術、科學水平的提高,醫(yī)療行業(yè)也隨之發(fā)展,并逐步實現(xiàn)從傳統(tǒng)醫(yī)學到數(shù)字醫(yī)學再到信息醫(yī)學的轉變,形成如今的“智慧醫(yī)療”概念,更大程度上滿足了人們預防性、個性化的醫(yī)療需求。智慧醫(yī)療強調以智能的方式主動管理并滿足醫(yī)療衛(wèi)生領域的多方需求,并憑借其在系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、智能處理等方面的高水準,保證人們適時獲得預防性和治療性的醫(yī)療服務,激勵個人做出更明智的決策,是醫(yī)療衛(wèi)生領域信息化建設的更高階段。智慧醫(yī)療帶來了更高效的就診體驗,更便捷的醫(yī)療服務,更公平、開放的醫(yī)療資源供給,并滿足了更高效、更少失誤的發(fā)展需求,符合醫(yī)療改革的發(fā)展需要。

DT以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構建了與物理世界一致的高保真模型,通過與物理世界間不間斷的閉環(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合,能夠模擬對象在物理世界中的行為,監(jiān)控物理世界的變化,反映物理世界的運行狀況,評估物理世界的狀態(tài),診斷發(fā)生的問題,預測未來趨勢,乃至優(yōu)化和改變物理世界。DT技術的發(fā)展和應用使其成為了改變醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)狀的有效切入點。盡管醫(yī)療領域DT 的開發(fā)要比工程設備的DT難得多,但它們已經(jīng)開始在改善人類健康方面得到應用。Lal 等[14]設計出一種危重癥患者的DT模型,模擬臨床多個階段的治療效果以及主要器官系統(tǒng)(心血管、神經(jīng)、腎臟、呼吸、胃腸和血液)之間的相互作用,進而預測膿毒血癥最初24 h 內對特定治療的反應,結果顯示在對真實患者使用某些特定治療之前,精確的DT 模型可用于預測治療的效果。Zohdi[15]構建了一個DT和機器學習相結合的系統(tǒng),通過建立快速可計算的呼吸排放模型優(yōu)化通風系統(tǒng),利用該系統(tǒng)可確定多個通風裝置的位置和流速,進而降低由咳嗽等呼吸道排放物引起的傳染病傳播。胡天亮等[16]針對現(xiàn)代診療系統(tǒng)“患者-醫(yī)療設備-治療方案”三要素存在的問題,從孿生數(shù)據(jù)、孿生機理模型和智能決策三個方面,給出了建立DT診療系統(tǒng)的方法,并探討了在臨床診療、基礎醫(yī)學研究、教育培訓、醫(yī)療設備研發(fā)等領域的應用。此外,DT也相繼應用于心血管疾病、腎臟疾病、糖尿病等疾病的診斷及治療[17-21]。基于DT 模型,醫(yī)護人員可通過各類感知手段獲取人體動靜態(tài)多源數(shù)據(jù),以此來預判患病的風險及概率;通過信息反饋,可以及時了解機體功能狀態(tài),及時調整活動模式和生活方式;一旦出現(xiàn)相關疾病,可根據(jù)各類數(shù)據(jù)和模型進行精準分析,確定病因并制定治療方案[22-24]。此外,在虛擬模型上進行藥物研發(fā),結合分子細胞層次的虛擬模擬來進行藥物的虛擬實驗和臨床試驗,可以大幅度降低藥物研發(fā)周期[25]。這些醫(yī)療領域DT 技術的運用,不僅對整個醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展起到極大的推進作用,也極大地造福了身患疾病的患者群體。

3.3 人體骨骼的DT

在醫(yī)療領域,DT 技術得到了廣泛的重視和認可。然而,目前針對患者自身機體狀況的DT研究十分有限,特別是對平時難以展現(xiàn)于人們眼前的人體骨骼的DT 技術研究更是少之又少。目前對于人體骨骼的健康監(jiān)測手段一定程度上可以獲得骨骼的形態(tài)和健康信息,但是并不能實現(xiàn)骨骼實時動態(tài)的高保真數(shù)字化顯示和運動時的骨骼動作實時模擬,更沒有實現(xiàn)骨骼的生物力學性能動態(tài)仿真模擬、損傷預測和危險姿態(tài)預警等,因此迫切需要在數(shù)字層面動態(tài)地對人體動作過程中的骨骼進行實時模擬與仿真分析,動態(tài)預測骨骼在各種動作下的生物力學性能,以確定骨骼的極限狀態(tài)以及這些動作是否對骨骼造成某種程度的損傷。

本研究中,通過對特定實驗者的腰椎骨骼信息定制化采集,通過數(shù)據(jù)重建和優(yōu)化處理得到可靠的有限元模型。將傳感器技術與反向動力學相結合,僅使用少量的傳感器就可以實現(xiàn)人體全身的動作捕捉,為腰椎骨骼的DT 體構建載體,可實時反映人體的動作姿態(tài)和計算當前姿態(tài)對腰椎骨骼的響應?;诖砟P?,實現(xiàn)動態(tài)計算腰椎DT 體上的力學性能,達到實時監(jiān)控和預測的目的。最后,基于計算機圖形學原理,以三維模型的形式展示真實腰椎的狀態(tài),并在其上將實時計算的腰椎各個位置的應力值利用顏色轉化算法渲染為應力云圖,以實現(xiàn)更直觀的展示和體驗。

人體DT 構建系統(tǒng)主要包括:物理裝備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)值計算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、仿真預測系統(tǒng)、孿生顯示系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。物理裝備系統(tǒng)由穿戴式VR設備、身體重要部位與關鍵骨骼位置處的傳感器以及空間定位器組成,其中通過穿戴式VR 設備實現(xiàn)在虛擬空間中的DT 體顯示,通過處在空間定位器范圍內的身體重要部位與關鍵骨骼位置處的傳感器收集所需要的多種傳感器數(shù)據(jù)信息;利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),對收集到的多種數(shù)據(jù)信息進行編碼讀取與譯碼寫入操作,并將譯碼后的數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的分類、篩選、約簡、轉換計算后得到需要的傳感器關鍵數(shù)據(jù);將得到的傳感器關鍵數(shù)據(jù)導入數(shù)值計算系統(tǒng)分析計算,利用人體反向動力學與生物力學得到人體姿態(tài)與空間位置改變后的骨骼動作結果與力學結果,并與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中得到的其他多種信息數(shù)據(jù)一同傳入數(shù)據(jù)融合系統(tǒng),完成對人體骨骼動作信息與力學信息、人體動作姿態(tài)數(shù)據(jù)、人體空間位置數(shù)據(jù)等多種異維數(shù)據(jù)的融合,為下一階段的仿真計算與預測提供數(shù)據(jù)基礎;仿真預測系統(tǒng)通過對融合數(shù)據(jù)的靜力學與動力學仿真計算得到人體在實時動作時內部骨骼的生物力學性能,并通過預測算法實現(xiàn)對人體某一未知姿態(tài)時骨骼生物力學性能的預測;最后通過孿生顯示系統(tǒng),利用計算機圖形學技術將計算結果渲染為人體骨骼的高保真DT體,提供一種直觀、可信的骨骼數(shù)字化動態(tài)模型,并在此數(shù)字化模型上顯示骨骼生物力學性能,完成對人體骨骼高度一致的虛擬孿生映射;數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)貫穿于整個系統(tǒng)架構之中,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中收集到的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中處理后的關鍵數(shù)據(jù)、數(shù)值計算系統(tǒng)中的計算結果、數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中多源異維融合數(shù)據(jù)以及仿真預測系統(tǒng)中的仿真預測結果都需要借助數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)保存在特定的數(shù)據(jù)庫或內存空間中,為后續(xù)人體骨骼醫(yī)學研究提供參考數(shù)據(jù)。

4 結論

DT技術不僅利用人類已有的理論和知識建立虛擬模型,還利用虛擬模型的仿真技術探討和預測未知世界,給當前醫(yī)療領域的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的理念和機遇。

本研究在DT 理念下探索了人體骨骼DT體開發(fā)的框架及其關鍵技術,運用人體骨骼的DT構建技術,建立了人體腰椎骨骼的DT體,實時動態(tài)展現(xiàn)人體腰椎骨骼的動作狀況和生物力學性能,忠實映射人體腰椎骨骼的姿態(tài)信息和健康信息,并通過仿真預測提前預警人體危險姿態(tài),從而避免對骨骼造成損傷,同時也為骨骼疾病預防和治療及骨骼健康的監(jiān)測提供寶貴的研究數(shù)據(jù)和參考案例。構建人體DT仍面臨諸多挑戰(zhàn),希望本研究能夠為未來計劃進行的更大規(guī)模的人體DT構建奠定基礎。

【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突

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