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生物建模技术的研究现状与未来发展

2007/2/5    来源:e-works    特约撰稿人:戴春祥  胡庆夕  方明伦      
关键字:生物建模  骨缺损  三维重建  仿生支架  
生物制造是先进制造技术的一个分支,而生物建模是生物制造的前提。本文论述了生物建模技术的研究现状、未来发展及应用前景等,包括骨移植与骨修复的研究与发展,仿生骨建模与制造流程,组织工程对仿生支架的要求,医学图像的三维重建及骨缺损仿生支架的构建原理与方法,生物建模与生物制造的研究热点及应用前景。

2.3 三维重建

    对于医学图像的三维重建(3D reconstruction )及仿生支架的构建,国内外均有文章报道。

    虽然目前基于断层数据的三维重建算法和理论已较成熟,但用于对断层数据进行模型三维重建、显示、编辑等功能的软件却非常少,特别是仿生支架的构建,总体上仍处于研究与实验阶段。

    通过计算机断层摄影(Computerized Tomography :CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Image:MRI)、超声(Ultrasonic )等技术可以无损伤地获取人体内部几何数据,这些数据都是由二维图像组成的序列,它们互相平行、等距分布。如何将这些二维医学图像数据三维可视化,这就是三维重建所需要解决的问题。虽然可以有多种算法处理三维重建问题,但大致可分为两类,一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构,称为面重构方法(或面绘制方法);另一类是直接将体素投影到显示平面的方法,称为体重构方法(或体绘制方法)。其中,面重构方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取,并借助传统图形学技术及硬件实现的,而体重构方法则是直接应用视觉原理,通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。

    在对医学图像进行外观三维模型重建后,如何构建非均质、多孔、互连通的、具有一定孔隙率的内部微观结构,是骨生物建模的一大难点。前已述及,骨组织仿生支架的理想结构形态应该既有宏观孔结构又有微观孔结构。已有文献报道[8][9] ,根据分形理论,可对骨骼微观组织的医学显微图像进行数字化处理, 由人体骨骼的灰度图得到其微观结构的边缘轮廓,从而建立具有内部微孔结构的三维模型。

    与此同时,国内的少数高校及研究所也正在研究、开发相关的软件,但与国外相比差距较大。值得一提的是,中科院自动化所在这方面已经做了相当的基础工作,他们开发的用于医学图像处理的软件包MITK(Medical Imaging ToolKit)为医学图像的三维重建、图像分析提供了集成化的模块。

3 未来发展与应用前景

    已经有专家预言生物医学工程在本世纪将成为继信息产业之后最重要的科学研究和经济增长的热点,其中与生命体的人工合成和人工修复相关的生物制造和组织工程将成为全球瞩目的学科前沿。组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一新的里程碑,标志着医学将走出器官移植的范畴,步入制造组织和器官的新时代,从某种意义上讲,它己成为一个国家医学发展水平的标志之一。目前生物制造的研究集中在以下几个方面:

    ◆信号分子诱导及生长因子的基础研究;

    ◆采用各种组织工程材料替代生物材料作为仿生载体框架结构的应用研究;

    ◆有关骨形态发生蛋白的临床实验;

    ◆专门用于生物制造的快速成形设备研究。

    其中设计制造新型材料的仿生支架结构是目前国内外骨组织修复领域的研究热点。

    在医学图像处理技术方面,研究开发人员正在探索运用当今最新技术或理论对图像感兴趣部分进行识别、提取并重建三维模型,这些技术或理论包括人工神经网络技术、遗传算法、小波理论等[11] 。在缺损骨仿生支架建模方面,已经有学者提出运用数学上的反算双三次样条插值曲面算法来拟合缺损骨三维模型,同时采用分层网格划分法构建曲面形值点网状结构,从而生成具有内部微观结构的缺损骨仿生支架模型。

    生物建模与生物制造的应用前景非常诱人。2001 年,全球整形外科手术费用已经达到150 亿美元,而且继续以每年13% 的速度增长[12] ,其中骨移植部分达到了10 亿美元以上。据统计,在2001 年,欧洲的骨移植手术有408000 例,而单美国就有605000 例。根据英国国民健康保险制度(NHS)记录,在2002 至2003 年期间,在英国总共617000 例骨关节手术中,有超过77000 例实施了髋骨修复手术[13] 。目前,全球65 岁以上的人口每年以2-3%的速度增长(即从2000 年到2010 年,65 岁及以上的人口将增加1 亿)。由于人们物质生活水平的提高、生活方式的改变以及科学技术的进步,特别是医学水平的提高(如微创手术、新型移植材料的发展等),人类的期望寿命已经大大提高,同时由于健康生活方式的改变,与体育运动有关的骨损伤也在增加,这些都导致了对骨移植、骨修复手术的更多需求和更广泛的应用。可以预料,生物材料技术的发展,必将促进仿生材料的使用持久性和生物兼容性,从而为生物制造奠定坚实的基础。   

    而在我国,据不完全统计,全国每年因各类交通事故、骨科疾病等因素,造成骨缺损或骨损伤的患者有300 万人,骨骼不健全的人数有上千万,据估计全国每年个体匹配骨骼的市场总额至少在五千万元以上。由此可见骨修复手术的社会需求以及由此带来的经济效益。

    美国生物学家、诺贝尔奖获得者吉尔伯特认为,由于制造科学、生物医学以及材料科学等学科的交叉及其研究所取得的进展,“用不了50年,人类将能够培育出人体的所有器官”。

[参考文献]
 [1] 戴春祥,胡庆夕,方明伦,快速制造领域中的前沿学科-仿生制造,机械制造,2004年第1期
 [2] Whang K, Thomas C H ,Healy K E. A novel method to fabricate bioabsorbable scaffolds. Polymer ,1995 (36),837~842
 [3] Karin A. Hing , Queen Mary, Bone repair in the twenty-first century: biology, chemistry or engineering? Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2821–2850.
 [4] Yoon, S. T. & Boden, S. D. Spine fusion by gene therapy. Gene Therapy, 2004, 11(4), 360–367.
 [5] Giltaij, L. R. BMP-7 in orthopaedic applications:a review. J. Musculoskel. Res. 2002, 6(1), 55 –62.
 [6] Minamide, A., Boden, S. D., Viggeswarapu, M., Hair, G. A., Oliver, C. & Titus, L. Mechanism of bone formation with gene transfer of the cDNA encoding for the intracellular protein LMP-1. J. Bone Joint Surg. 2003, Am. A85(6), 1030–1039.
 [7] Mark Borden, Mohamed Attawia, Yusuf Khan, Cato T. Laurencin,Tissue engineered microsphere-based matrices for bone repair:design and evaluation,Biomaterials 23 (2002) 551–559
 [8] 毛娅,陈作炳,余新明,饶嵩,基于医学图像的人工骨三维仿生设计,中国体视学与图像分析,2004 年第9卷第3期
 [9] http://www.materialise.com/mimics/main_ENG.html,2005-08-25,New release: Mimics 9.0
 [10]郎锐,数字图像处理学——Visual C++实现,北京希望电子出版社,2002年12月,494-509
 [11] Clinica Reports, Orthopaedics: key markets and emerging technologies, report no. CBS905E. PJB Publications Limited. 2002.
 [12] Government Statistical Service, Hospital episode statistics, England. Financial year 2002– 2003. London: Department of Health. 2003. (http://www.dh.gov.uk/assetRoot/04/06/74/03/04067403.pdf.)

作者简介:

戴春祥,男,上海大学副教授,主要研究方向:CAD/CAM,先进制造技术,生物制造、生物建模等。联系方式:上海大学快速制造工程中心,上海上大路99 号113信箱,邮编200444 电话:021-66133296-8017;传真:021-66133297;Email:dcx@shu.edu.cn

责任编辑:蒋汉桥
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