运用高效能运算虚拟大脑模型 成大医工生医力学团队从力学角度探讨脑部疾病

成功大学生物医学工程学系周鼎赢助理教授。国网中心

病患与家属生活影响甚钜的失智症，一直是医界的重点研究课题，成功大学生物医学工程学系周鼎赢助理教授指出，此疾病必须与时间赛跑，越早发觉病徵，即可越早进行治疗，减缓恶化机会就越大。由于失智症病程延缓，将有机会使患者或潜在患者，因科技的与时俱进而争取更先进的治疗机会，这也就是为何学界一直努力在寻找可以及早预测失智症的生物标记。以往失智症的研究大多从生化角度着手，周鼎赢所带领的生医力学团队则另辟蹊径，以力学层面进行脑科学研究，藉由国研院国网中心的高速运算大幅缩短计算结果时程，为失智症的治疗创造更多可能。

对医界来说，脑部疾病向来是棘手问题，而精准医疗技术下的脑部相关参数获得对于后续的治疗极有助益。由于提取脑部的病理生理参数数量极为庞大，选择使用蒙地卡罗法可透过大量撒点的求解过程找到正确答案区间，由于这种方式每次都需要投入大量运算资源与时间，为解决此问题周鼎赢启动「透过高效能运算(HPC)寻找虚拟大脑模型参数」计划，先透过蒙地卡罗法找到相对应的答案区间作为机器学习时的训练集合，再使用自有开发的多目标机器学习技术学习正确答案后，建立一个多目标快速查找大脑参数之人工智能(AI)演算系统。

周鼎赢表示，现在的脑部疾病都是从分子生物学或生物化学角度进行分析，他则是由物理的力学角度出发，「透过高效能运算(HPC)寻找虚拟大脑模型参数」计划就是利用高运算效能打造出虚拟大脑模型落地的可行性，并将之应用在现行的脑神经医学领域中，此新兴技术的发展潜力雄厚，除了寻找脑部病理生理参数外，也可应用于其他难解或者不易量测到的工程参数问题。

周鼎赢接着介绍力学在脑部疾病的侦测应用。他指出大脑运作时会产生多种物理变化，只要可以精准预测相关变化，并结合医学专业，就可制定出对应的医疗手法，例如水脑症患者的脑压变化与正常情况不同，现在的阻塞性水脑治疗作法只能被动引流，但若能将脑压数据与数学模型结合，未来就有机会主动且精准的计算并预测引流量，进而搭配台湾半导体技术与芯片设计，开发此一前瞻医材。失智症亦是类似作法，失智症的脑部组织弹性会出现变化，只要结合磁振造影(MRI)、血压量测等相关生理数据监控技术，就能在病发初期及早发现，甚至做出预测让医病双方有时间延缓病症。

除了协助医师掌握病症数据外，还可进一步建立可视化虚拟数码影像，此做法是利用现在数码孪生(Digital Twin)技术，让病患的体内状况以3D虚拟数码影像呈现，医师与患者可以直观了解当下状态与预测未来可能的病程变化，除可以减少非侵入式扫描次数(如：磁振造影或电脑断层)，甚而医师可以透过模拟手术计划流程与结果，从而降低医疗疏失的发生机率并减少医疗成本及协助精算相关风险，落实精准医疗愿景。

周鼎赢提到，欧盟相当重视此一「虚拟生理人」计划，欧洲已有多国投入大量经费进行研发，他当初在牛津大学攻读博士时也是VPH-DARE@IT计划成员之一，负责发展该失智症计划关键演算法，学成归国后目前则是带领生医力学团队继续耕耘此一创新技术，希望未来透过此技术提升国内医疗品质。

寻找虚拟大脑模型参数的计划目前已有初步成果，其运算结果与神经科学界所发现之胶淋巴系统作动模式相符，证明研究方向为正确可信，并已投稿至国际重要期刊等待发表。周鼎赢认为此计划可以顺利完成，得感谢国网中心的高速运算服务，他指出脑部参数的数据量非常庞大，如果利用实验室中的电脑进行运算，其运算时间将达一年之久，国网中心台湾杉超级电脑的高速运算效能则将时间缩短至一周，成效非常巨大。因此接下来的研究，仍计划藉由国网中心的资源与服务提升效率，从而加速国内的医疗发展，让民众的健康更有保障。