虛擬模擬仿真技術在醫療器械中的應用

許 盛

(西安醫學院,陜西 西安 712000)

0 引言

我國是醫療器械大國,醫療器械企業和醫療器械產量在全球占有絕大比重。 從目前的產業發展趨勢進行分析,醫療企業仍需要進一步完善技術,這與我國醫療產業的發展現狀相差甚遠。 我國整體的醫療器械產業都需要新技術的整體融入,從而得到更大的發展。在計算機仿真技術融入醫療器械的歷程中,計算機仿真技術必須結合醫療器械產業的發展要求來獲取最佳的創新效果。

1 醫療器械虛擬模擬仿真技術分析

虛擬模擬仿真技術和醫療器械融合也被稱為醫療器械計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)技術,此技術的開展理念就是把計算機和傳統的醫療器械生產進行結合。 在醫療器械的生產過程中,虛擬技術可以有效地分析醫療器械的彈塑性、強度、剛度等所包含的力學性能,與此同時,CAE 技術在生產過程中的有效應用還可以提升醫療器械的結構性能。CAE 技術在醫療器械中的應用過程中,還涉及工程數據管理技術、數字交換技術、信息管理機智的系統應用以及計算機圖形學技術等。 CAE 技術的應用使計算機的分析更加有效,在確保精準分析的同時降低醫療器械的生產成本[1]。

2 仿真技術在醫療器械領域的應用

醫療設備具有造價昂貴、體積龐大、操作復雜、配置多樣等突出特點。 醫療設備的銷售主要是通過大型展會和銷售人員攜帶講解說明上門推薦,需要耗費大量人力、物力且很難給客戶直觀的感受。 另外,由于大型設備造價昂貴,客戶購買時需要非常小心,一旦設備更新,就需要投入大量的培訓成本,使用戶難以接受。而計算機仿真虛擬技術可達到直觀的效果,幫助銷售人員、培訓講師經濟高效地講解設備,通過虛擬演練把新機型、新技術快速展示給客戶,消除客戶對新技術的排斥心理,極大地節省了儀器的銷售成本。

醫療器械的加工和生產處于追溯系統的上游環節,包括采集原材料、加工、組裝、包裝等多種工序。 當生產任務下達后,車間主任收到含有工藝的電子標簽,利用虛擬技術讀寫器便可以讀取生產要求,如原料倉儲室申請物資需求等。 首先,物料會放在固定式讀寫器的代加工緩沖區,自動采集物料種類、物質及質量,車間主任在對比物料信息與工藝信息之后,再決定是否進行加工任務。 其次,借助無線傳感網絡實時采集醫療器械的產品各項數據指標,隨時了解、關注、查看產品加工過程是否按工藝文件上的要求進行,及時統計、分析和優化生產工序。

3 醫療器械虛擬技術模擬仿真技術現狀

3.1 醫療器械虛擬模擬仿真技術應用價值

醫療器械CAE 技術優化了醫療器械的生產過程,虛擬技術可以輔助分析、檢測醫療器械在生產中的剛度、強度以及質量,以提高醫療器械的整體性能。 虛擬模擬仿真技術包括了各種信息技術,其中圖形處理是仿真技術的基礎[2]。

3.2 驗證模型的建立和使用

從客觀的角度對醫療器械CAE 技術進行評價,仿真技術只是模仿物品的各個屬性,然后根據屬性進行模擬仿真,但當下的仿真技術也只是相對仿真,在使用時具有一定的局限性。 仿真技術在使用的過程中,在特定的要求下,首先對需要分析的事物全部屬性進行統一剝離,其次根據所得出的數據進行建模,最后再通過模擬完成后的結果進行分析判斷,才能得知建立的模型與實際情況是否相符。 根據得出的模擬結果,調整分析各種不確定因素。 驗證模型的建立要能反映模擬對象的某一特性,要符合系統各個組成部分之間的關系,還要與系統整體的輸出情況相符合。 計算機和仿真兩種技術的融合,可以更有效地發揮兩者的優點。現如今,計算機模擬仿真技術已經逐漸完善,在醫療器械中的應用效果也逐漸顯現,提高了醫療器械的生產速度以及技術含量。 醫療虛擬技術分為感知技術層面、網絡層面及應用層。

3.2.1 感知層

感知層處于體系架構的底層,由負責數據采集的感知設備和網關組成。 網關設備應具備融合易構性和協議轉換能力,以實現傳感網的無縫覆蓋,提高了傳感網絡的無線資源利用率,保證醫療設備數據的可靠傳達。

3.2.2 網絡層

為保證各種因素之間的互聯,醫療網絡層面將面臨多種網絡融合的問題,因此,醫療設備網絡中異構網的互聯互通將保障醫療數據的高效傳遞和信息共享。

3.2.3 應用層

遠程醫療需要醫療信息共享平臺的支持。 醫療信息共享平臺包含個人健康檔案數據、醫學影像數據、臨床檢驗數據及醫療設備資產數據等醫療信息數據。 因此,在醫療設備網絡應用層面建立個人健康檔案數據中心、醫療影像數據中心、臨床檢驗數據中心、醫療設備資產數據中心,實現海量醫療數據安全可靠的存儲、檢索、交換與互操作,構建海量的個人健康信息平臺及醫療信息共享的協同服務平臺,為數字化醫院提供信息保障。

4 醫療器械的市場供應份額情況

在中國的高端醫療器械市場中,世界行業巨頭旗下拳頭產品由于企業的財力較為雄厚、技術水平較高,一直以來都引導著醫療器械市場的各種需求和產品升級方向。 雖然外國企業融入我國市場對我國的醫療器械帶來了強有力的發展,也給我國醫療器械的升級轉型帶來了技術支持,但是外企的融入對我們國產醫療器械企業的生存帶來了嚴重的影響。 外企研制的高端醫療器械產品的技術含量較高,價格非常昂貴,而我國研制的醫療器械產業主要針對中低端市場,競爭格外激烈[3]。

5 醫療器械虛擬模擬仿真技術的發展趨勢

5.1 實現醫療器械生產的智能化一體化

目前,醫療器械的生產已經到了轉型的最佳時期,計算機模型仿真技術作為醫療器械企業的突破點被廣泛應用。 醫療器械CAE 技術與傳統的生產技術相比,具有巨大的優勢。 在如今的醫療器械行業中,該技術已經逐漸得到應用。 例如,在進行醫療器械生產的過程中,計算機可以有效分析煉化、固型等各種操作,在生產之前利用計算機模擬仿真技術建立試驗模型,從而避免生產中可能遇到的問題,使生產出來的醫療器械產品更完美,讓整個生產過程得到優化升級。 計算機模擬仿真技術的應用實現了醫療器械生產的智能化和一體化,人工、成本隨著減少,計算機輔助設計(Computer Aided Design,CAD)和CAE 兩種技術的聯合,讓醫療器械的制作工藝得到優化。

5.2 積極開展農村醫療器械的生產

我國農村在很長時間內都沒有得到強有力的發展,基層的醫療器械也蘊含著很大的發展空間。 據調查,我國的基層醫療機構只占全國醫療機構的5%,而基層醫療機構的就診數量卻占我國總體的65%,因此,我國基層醫療器械的市場需求很大。 基層醫療機構中網絡服務的建立非常缺乏,但需求都較高。 統計顯示,我國將近35 萬所鄉鎮醫院都需要升級醫療器械,這其中大型醫療器械急需更換。 隨著人們越來越重視口腔健康,口腔治療設備亟需更換,而我國口腔醫療設備大多數都需要進口,這說明口腔醫療設備也是我國未來醫療器械計算機模擬仿真技術的發展方向之一[4-6]。

5.3 醫療器械企業提高自身創新能力

醫療器械企業只有提高自身的創新能力,才能讓我國的醫療器械計算機模擬技術在將來的應用發展中取得良好的效果。 目前,我國的醫療器械企業創新力遠遠不足,生產的醫療器械產品缺少首創產品,與發達的西方國家相比,生產技術水平仍有很大差距。 首先,在將來的發展中,數字技術的開發和利用在醫療器械的生產中一定會有較好的成效[4]。 例如,研究人員通過藍牙技術研制的全新智能醫療器械,可以在電腦上把病人的身體體征傳輸到醫生的移動設備上,可以讓醫生實時監控病人的身體特征。 這種全新的醫療器械設備已經在發達國家研制并應用,為了使我國的醫療器械技術可以更快地與發達國家接軌,國內醫療器械企業應當大力創新,在醫療器械和計算及仿真技術上開發全新的醫療器械設備。

5.4 與藥品的聯系日益緊密

以發達國家生產的智能胰島素泵為例,該企業就是藥和器械的組合體,設備會根據病人的所需糖量進行智能判斷分析,不僅可以判斷出病人是否該注冊胰島素,而且還能計算機病人所需量進行注射,該器械的研制是為了避免一些患者由于突發低血糖而面臨生命危險。 該產品的推出在醫療器械市場產生了較大的轟動,為此,藥和器械的聯合也是將來醫療器械發展的主要方向之一。 在整個醫療器械的開發、研制、創新的過程中,有效地利用計算機模擬仿真技術可以減少安全隱患和生產中所遇到的各種問題,能夠為醫療器械生產過程提供保障[7]。

5.5 推進醫療器械法規建設

建設相關醫療器械法規,將工作機理明確、方案設計定性及生產工藝成熟、無嚴重不良事件記錄的激光醫療設備列入《免于進行臨床試驗醫療器械目錄》,進一步降低成熟度高、風險較低產品在臨床試驗方面的要求,使得企業投入更多精力在新型產品的研發上[8-10]。 全面推進醫療器械注冊人制度,實行產證分離,為醫療器械加速產品技術創新、縮短研發周期提供規范便利的環境,加大知識產權保護力度并落實專利法規,保護醫療器械創新成果,激發創新意愿。

6 結語

醫療器械產業作為我國工業發展的基礎,對我國整體經濟發展有著重要的推動力。 作為制造業的核心,醫療器械的發展面臨著轉型,在如今信息化、新型工業化不斷成熟的今天,計算機技術融入醫療器械的生產過程儼然成了必要的發展趨勢。 在計算機模擬仿真技術應用的過程中,高性能、高精度的醫療器械的生產是我國整個工業發展的主要方向。