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此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除科技政策与发展战略 热断层（TTM）技术发展中的科学问题香山科学会议第207次学术讨论会综述 2010年9月35日香山科学会议在北京香山饭店召开了主题为“热断层（TTM）技术发展中的科学问题”的第207次学术讨论会。刘德培院士、周立伟院士、曾毅院士和马俊如研究员担任会议执行主席，来自全国科研院所、高等院校红外、医学及其他相关学科的40多名专家学者参加了会议。国际红外知名专家、美国红外学会主任委员Nicholas A.Diakides博士应邀参加了本次会议。 会议的中心议题有：TTM技术的科学问题；TTM技术的医学应用问题；TTM技术与亚健康的关系；TTM技术的标准化问题以及TTM技术的产业化发展问题等。TTM技术的发明者刘忠齐教授作了“TTM技术的现状与展望”主题评述报告。他的报告主要阐述了TTM的原理、与普通红外热像方法的主要区别点以及在医学领域的应用价值。 TTM技术是一种锁定细胞新陈代谢强度的功能影像医学评估技术，该技术利用热电类比，找到人体表面热分布和热源深度的关系，即高斯曲线半功率点的关系，得到内部热源的深度、热辐射值及热源的形状和变化。根据人体细胞新陈代谢强度与健康状况、疾病的对应关系来评估人体的健康状况。因此TTM医学评估技术是一种高灵敏度、高特异性、无损伤、实时、原位、动态的生命状况科学评估技术。TTM医学评估技术把人体看成是一个有互相联系的统一体，并且以头顶为中心从上到下为轴全方位基本对称，在评估过程中，利用人体自身的正常细胞和非正常细胞代谢的热辐射差值为评估依据，并且认为人体的热分布是一个相对稳定的过程，在外界干扰下（包括药物、物理治疗等）只有在一定时间内（2060分钟）才能改变这种平衡状态。 TTM技术将人体全身的热源分为八大类：表面热源；浅表热源；深度热源；非平面分布热源；管状热源；腔状热源；毛发下热源；其他类热源。近八年来，大量的临床数据，尤其是对乳腺疾病的筛查确诊以及我国SARS疫病期间TTM与螺旋CT、X线胸片检查的比较工作充分证明了TTM技术是人类健康评估和疾病预测的有效手段。由于TTM医学评估对于疾病有早期发现、早期治疗的特殊作用，因此该技术的推广应用将有可能导致原有传统医学模式的变革，使人类更有效地保障自己的健康生活。 与会专家对该项技术的可靠性、成熟度以及反映问题的真实性等方面进行了严肃、认真、激烈的讨论，并取得了比较一致的肯定看法。美国 Nicholas博士作了关于“红外技术在世界范围内的现状与发展趋势”的报告。该报告给与会者带来了发展我国自己的TTM技术的紧迫感。 会议对TTM技术的原理、TTM技术的成像原理、TTM技术的断层原理进行了深入讨论。王大珩院士在讨论中对TTM技术的成像原理、断层原理作了精辟的阐述。他认为TTM技术是运用了在科学界普遍应用的聚焦原理，是在红外技术中的具体体现，在原理上是一个创新。它规避了其它医学影像如X射线、CT、磁共振成像(MRI)等设备的缺陷，可免去沉重的附加设备。TTM是利用人体本身的热辐射作为信息载体，使仪器比较轻便，便于携带。从功能上来说，X射线、CT等是用来观察静态的存在，而TTM技术则是用来研究生理动态过程的，并准确地反映了细胞代谢水平的能量变化的特点和规律。比起静态观测有“先兆性”，这对于筛选病因，对病症有预测性（预测医学），如对SARS的确诊具有很高的应用价值，尤其是其确认过程时间短的特点，对疫情的鉴别是非常有利的。为医学提供了一种新的检测手段，对提高诊断的准确率是非常有益的。当然，每一项新技术从产生到成熟，需要经历时间和不断的积累。从现在已有的工作看来，TTM技术已经具备了方便、经济、无害、省时等特点，并在人体的整体综合评估、亚健康状态评估、药物疗效等多方面的评估以及对一些疾病的诊断方面有着不可替代的作用和优势，特别是早期诊断乳腺癌的评估标准体系方面，已获得国际上的公认。然而，新的技术尤其是中国自有知识产权的技术，获得公认和推广，一直存在着重重困难。因此，我们有责任和义务推动该项技术的发展和完善。 周立伟院士在发言中谈到，以前红外成像技术主要用于军事方面，总以为军事是最重要的。此次会议上听到一种“老百姓的健康关系到千家万户，比军事更重要”的观点，很受启发，今后我们应该注意如何将军用技术转化为民用，为民造福。这一点，美国的Nicholas博士比我们做得好，他们就是将美国的军用红外技术转化为民用，“从坦克到肿瘤”这个口号提得非常好。 对于热断层的原理问题，有专家提出，TTM技术讨论的是均匀介质中的热传导问题，但实际人体远比理想的状态复杂得多，那么如何证明这一理论的适用性呢？Nicholas博士回答了这一问题，他认为不论人体多么复杂，在人体内的热总是会热传导到表面的，其热的分布是许多简单概数分布的叠加。 关于TTM技术的临床应用价值和应用范围的讨论也十分热烈。与会专家指出，科学家总是追求结果的完美性，要好上加好没有终点；而企业家首先关心的是市场和利润。技术的应用要注意阶段性，在某一阶段只要有市场应用前景就要抓住机遇，推广应用，在应用中不断改进、完善，不要等到十分完美了才考虑应用。计算机刚开始一个大屋子都装不下，如果当初追求完美，一定要等到今天的笔记本电脑这样的体积才考虑开发，那就没有今天的计算机了。在应用中不断解决问题，不断改进产品，才能逐步到达完美。所以，虽然TTM技术还有许多不够完美的地方，有许多方面还有待进一步改善，但TTM技术的主要原理是讲得通的，而且在乳腺疾病的检查、健康体检方面的应用是基本成熟的，可以在应用中发展，不断完善起来。 中科院物理所赵忠贤院士在发言时讲到，2002年他陪同香港科技大学朱经武校长考察了TTM技术。一开始，朱经武教授也不太清楚TTM的原理，但经与赵忠贤院士、刘忠齐教授讨论后，他清楚了，并且也认为是一项很有使用价值的技术。在赵忠贤实验室里的一位工作人员就是由TTM技术发现的早期胃癌。他建议国家有关部门应给予支持。 曾毅院士在会上说，十多年来他一直在寻找一种能早期发现恶性肿瘤的物理技术，他自己已经有了一种生化技术可以提前五年发现一个人可能患某种癌症，但怎么进一步确定有许多困难。在2010年5月的一次香山会议上他了解到了TTM技术，非常感趣，因此愿意与刘忠齐教授合作，共同利用TTM技术在癌症早期发现方面开展研究工作。另外他建议组建一个协作组，共同推动TTM技术的发展。 上海瑞美医疗保健中心介绍了四年多来利用TTM技术进行的5万余例人群体检的工作，虽然数据还不够严谨，但可以看出，TTM技术在人群亚健康方面起到了重要的作用，是其他常规体检方法无法比拟的。 北京佑安医院放射科王微主任的报告特别引人关注，报告中介绍了佑安医院在SARS疫情期间对111例SARS患者进行螺旋CT、X光胸片和TTM技术检查的比较取得的重要成果，她认为TTM技术检查和螺旋CT、X光胸片检查相结合将会大大提高对SARS的确诊率和确诊速度。与会专家都认为这次的临床数据非常有实际意义，为TTM技术进入主流健康普查奠定了好的基础。 另外，专家们认为，TTM技术有可能在海洋资源、地矿资源的勘察、药物筛选、森林火灾、地震灾害等自然灾害的预测以及军事方面发挥一定的作用，这些方面的应用有进一步研究的价值。 有专家谈到TTM技术是我们中国人自有知识产权的重大科技成果，TTM技术的出现确实会引起一场医学领域的变革。目前美国、日本、中国台湾等地的学术界、企业界都已经开始重视这一项目的动态，并积极组织研究开发相关产品，而作为我国学术界的原创性发明，我们不应该放弃领先的地位。 关于TTM技术的标准化问题。真正成熟的标准还需要更多的临床数据支持，这就需要更广泛的专家协作和相关部门的扶持。当Nicholas博士介绍了目前美国红外医学成像工作委员会已经采纳TTM技术的图像格式作为国际标准格式时，与会专家表示了祝贺，也都希望这一标准能够掌握在中国人手中。 与会专家进行了深入交流与讨论，并亲自体验了用TTM 技术进行体检的特点，大家认为：第一，TTM技术在原理上是通的，是一项高新技术；第二，该技术已经到了应用阶段，希望得到相关部门的支持，应尽快在我国推广应用；第三，TTM技术还有待进一步发展，需要各单位部门的共同协作。与会专家认为用TTM技术进行检查有许多优越性：快速、高特异性、高灵敏度，是对人体无任何损伤、容易使用、携带方便的检查系统。 与会专家并就如何保持和发扬TTM技术的优势，防止技术浪费，让TTM技术在世界范围内发挥其应有的作用和价值等方面，提出了进一步完善的方案和中肯的建议：首先，应该尽快组成技术协作组或协作网，就TTM技术分别展开基础研究、临床研究、亚健康状态研究等科技开发工作；其次，要重视人才的培养问题，建立相应的人才培养基地，使更多的有识之士了解这一技术，从而使该技术能够更好地应用和开发；同时，应尽快向国家有关部门呼吁，将该技术的研发工作列入国家相关发展计划，使其能够获得政府的大力支持和帮助，使该项技术能尽快得到推广。 与会专家认为，TTM技术是我们中国人自己发明的一项专有技术，它的优势和潜在的价值是可见的。如该项技术在医学领域顺利发展和推广，不仅可以以崭新的视角揭示人类的生命现象，而且必将为我国的医疗诊治领域、预防领域发挥其他技术所不可比拟的作用，它不但将为我国的人民带来福音，同时也将对世界各国人民的健康保健事业产生深远的影响。(香山科学会议 杨炳忻)中国数字化虚拟人体研究的发展与应用香山科学会议第208 次学术讨论会综述 以“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”为主题的香山科学会议第208 次学术讨论会于2010年9月912日在北京香山举行。会议聘请第一军医大学钟世镇院士、 深圳大学牛憨笨院士、首都医科大学罗述谦教授和中科院计算所李华研究员担任执行主席。会议的中心议题是：断层解剖数据获取关键技术探索、多光谱探测技术与人体组织信息获取、图形图像处理技术、网格与数据共享、神经与微小器官信息获取等在医学和相关领域的应用。 一、我国数字化虚拟人体研究进展及待解决的问题 中科院计算所李华研究员代表会议筹备组作了题为“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”的总评述报告。报告中指出，我国已经基本掌握了低温冷冻标本切片的加工方法，对于0.1mm或者更薄的高精度断层切片数据的获取有较大的把握。 图像的准确分割是器官和组织三维重建的基础。如何提高人体切片图像数据图分割的精度和速度是目前公认的瓶颈。随着切片加工精度的提高，这一问题越来越迫切。如果以0.1mm间距切片计算，一个完整标本加工将获得大约2万片断层图像。因此，寻求新的技术方法解决这一问题具有重要意义。由于不同的人体组织内在的质的不同，采用多光谱技术，其中包括紫外线照射获得人体组织的不同自体荧光图像，期待能够有利于将不同组织区别开来。深圳大学利用光谱成像技术，找到对于特定组织的特异光谱区间，就可能对神经等组织的分割和建模奠定基础。在此方面的技术进展，可能使我们处于国际领先的地位。 大规模数据或者海量数据的处理是伴随数字人研究要解决的另一个关键技术。数字人的研究将伴随庞大的人体信息数据库的建设是显而易见的。数据量大，层次关系多，数据实体复杂，前所未有。以目前的实验数据集为例，0.2mm片层间距变为0.1mm间距时，数据量将由目前的近150G 变为1.2T。 如果计及随后重构处理所产生的新数据，整体规模还要成倍增长。如此大量的数据，将对存储管理、维护、操作、显示带来新的挑战。网格计算的思想可能为此提供新的思路。在分布、异构的环境下，实现协同工作，共享数据和知识是目前对计算环境的新要求。 此外，有限标本数据与大规模统计数据的结合，人体标准坐标系的建立是数字化虚拟人应用必须解决的另外一个关键问题。前者需要大范围人体测量数据的支持，需要借助国家行政力量、体现国家的意志才能完成。后者的研究需要与生物力学专家、标准化专家的密切配合。三维人体标准在国际国内都还是一个尚待建立的标准。如何与临床的个体数据相结合，是数字化虚拟人医学应用要解决的问题。 钟世镇院士就人体数据获取的进展、存在的问题作了简明的报告，并提出了自己的建议。在“中国数字化虚拟人”的数据获取中，还有很多重大的科学问题有待解决。例如：在医学上有重大意义的周围神经系统、淋巴系统等。在形态学上,这些结构与邻近的组织没有明显的区分,影响到图形图像的分割处理。更为困难的是在人体框架上，赋予物理性和生理性的功能特征。人体切片数据集的构建，是为后续的信息技术专家们提供优良的精确框架，要特别注重的是质量而不是数量。为此，在数据获取时要在标志点、分辨率、对比度、灰度值、颜色值等方面精益求精，为后续的图像配准和分割技术做好准备。 深圳大学的牛憨笨院士作了“人体数据获取中的多光谱技术”的学术报告。报告认为由于处于人体各系统主导地位的神经系统并不能在人体断面成像中实现物理分割，这为通过医学图像处理的方法从人体断面提取神经带来极大的难度。他详细介绍了多光谱技术和荧光技术的原理及其在生物医学领域中的应用，利用多光谱技术，主要是利用生物组织自体荧光技术对神经组织及其它组织的特征荧光光谱做了测定，并根据建立起来的组织光谱信息，对动物断面的自体荧光成像进行了研究和实验，取得了初步成果。 罗述谦教授作了“数字化虚拟人图像处理及设想”的报告。报告认为人体包含2000左右器官和解剖结构，其精确分割需要大量的人力（包括计算机和医学解剖专家）的投入，美国在可视人计划(VHP)数据处理与前期数据获取的经费投入是3：1。我国也应对后期图像处理（包括图像配准、分割、3D重建、浏览及网络）给予相应的研究经费支持，否则，尽管采集的数据高分辨，没有高精度、高质量的后期处理也是没有用处的。中国数字化虚拟人女一号的数据处理工作正在紧张地进行。目前已经完成全身表面重建、全身骨骼提取，体数据集三个正交平面快速浏览以及局部器官（心、肝、肺，头部，盆腔）3D重建。 秦笃烈教授作了“数字化虚拟人体的国内外可持续发展的跨学科整合和展望”的报告。报告认为，数字化虚拟人体是一项深思熟虑的长期科学规划。鉴于可视人体和数字解剖学对医学发展的重要性，美国已经将可视人体的研究成果和全民卫生教育相融合。鉴于美国众议院下达文件要求各个政府部门支持数字人研究，要求使用数字人概念，建议今后在国家规划或立项中采用数字人的提法。在信息时代，科学数据成为战略资源。科学数据的共享成为国家综合国力的衡量标准，信息化时代“国家科技素质”高低的尺度，也是推动科学技术可持续高速度发展的驱动力。 林宗楷研究员作了“数据网格与大规模数据管理”的报告。数字化虚拟人体的数据量非常庞大，如何方便、高效和安全地存储与管理这些数据，已是一个突出的问题。他通过分析数字化虚拟人体数据的特点及其对数据管理的基本要求，认为数据网格比较符合需求，因而基于数据网格的思想，提出了一个数字化虚拟人体海量数据进行管理的方案，并对开始建立的一个基于数据网格的数字化虚拟人体数据管理原型系统做了介绍，展示了初步的成果。 二、数字人数据获取技术 第一军医大学原林教授认为数据集的精度和质量对后续工作至关重要。就断层厚度的选择而言，其厚度的选择与环境温度的控制、刀具的数量及其刃口的几何尺寸以及采用的图像获取设备的分辨率等等有着直接的关系。就最基本的图像分辨率与断层厚度而言，断层越薄获得的断层信息就越多。而象素是图像分辨的最小单位，如果象素的小径大于层厚，意味着实际可分辨的图像达不到预期的要求。 山东大学医学院的刘树伟教授指出，在美国的VHP中缺乏人体浆膜腔和筋膜间隙的信息。在中国数字化虚拟人体研究中，应努力解决这一问题。刘教授设想可以采用以下几种方法来获取人体浆膜腔和筋膜间隙的断面数据并予以精确识别：间隙灌注后再冰冻铣切，或者锯切，薄层冰冻锯切，使用大型冰冻切片机切片，使用病理标本制作断面，使用影像学方法显示等。 复旦大学中山学院的陈中伟院士作了人体臂丛神经的三维立体结构的计算机重建的报告。他指出，由于神经干内部各神经束的组成在功能性质上互相交叉混合，因此如何精确地显示臂丛神经内部神经束和神经纤维的错综复杂的立体结构已成为该领域的当务之急。现有的臂丛神经断面二维图谱仅提供了臂丛神经在某一平面的二维图像信息，因此根本不能反映此神经在其全程中神经束交叉重组的错综复杂变化过程。他们应用臂丛神经连续组织切片在国内外首次较为成功地重建了臂丛神经的三维结构及其内部神经束的立体行径，确立了一种人体周围神经显微结构三维重建的实用方法，为中国数字化虚拟人的神经系统模型的构建作了尝试，为临床上臂丛神经损伤修复方式的选择提供了良好帮助。 深圳大学郭宝平研究员介绍了时间分辨多光谱技术研究的进展。通过光与物质的相互作用使光发生某种变化，并探测光的变化获取物质的有关特征信息，如荧光强度、荧光光谱分布、荧光寿命和荧光偏振状态等。生物组织的发光强度比较弱，需要高灵敏度的探测技术，特别是在不同生物体的分割中，不同生物组织的荧光波长相差不大，利用窄带滤波片提取所需测量的组织发出的荧光，窄带滤波片对被测光的衰减大，需对荧光图像进行增强以利于记录。 天津大学徐可欣教授认为随着光学技术、激光技术和计算技术的发展，应用光学方法进行人体健康信息的诊断和对于疾病的治疗技术正在急速地发展，诊断仪器的开发也正在从人体形态信息的图像化向着基于生理、生化学的机能信息的图像化发展。比如研究应用近红外的光学方法、以光CT为代表的图像诊断技术和人体生理信息的光学检测技术，正在为人体健康信息的无创伤获取和健康状态的监测开辟了新篇章。 西安交通大学生物工程学院的张镇西教授认为要深入了解心律失常的机制，必须研究动作电位及其在细胞间传播的电特性。他列举了从细胞水平获取身体信息的三种新方法：膜片钳技术（测量单个心肌细胞各种离子通道特性与动作电位，以及它们与发生心律失常的关系）、计算机模拟技术（利用心肌细胞数学模型模拟动作电位的形成和心律失常的发生）和光学标测技术。 北京同仁医院耳鼻喉专家韩德民教授介绍了耳鼻咽喉解剖结构影像学数据、组织学数据的获取和处理方法，为进行数字化耳鼻咽喉解剖学研究提供了参考；他们利用中国首例女性虚拟人数据集对耳鼻咽喉解剖结构进行了三维重建，在进行中国数字人精细结构的重建上积累了有益的经验。 三、图像图形处理技术、网络与数据共享 中科院自动化所田捷研究员的工作组正在开发一套三维医学影像处理的支撑开发包MITK(Medical Imaging ToolKit)。MITK集成了可视化和图像分割、配准等图像处理功能，并且具有功能图像的处理和分析功能，这些都将以开放的、跨平台的、具有一致编程接口的C+类库的形式呈现。作为MITK的应用，他们还在其基础上构建了新的基于虚拟中国人数据集的三维医学影像处理与分析平台（3DMED），支持Windows、Unix/Linux平台；支持Plugin架构；支持中、英文界面的切换等。 上海交通大学的庄天戈教授认为传统的腧穴形态学的图片都是两维图像或静态的三维照片，不能详尽地显示腧穴的三维层次结构。目前，依据CT、MRI等断层图像和VHP数据集，虽然可以得到人体的三维数据，并可通过体视化技术获得人体三维影像，但未能包含中医腧穴的丰富信息。这是由于腧穴的形态和细微结构还很难直接由CT、MRI和通过VHP数据等手段反映。他们基于中医理念将腧穴融入人体模型中，由于起步工作较早，原始数据暂时取自美国 VHP数据集。建模过程基于德国汉堡大学开发的VOXEL-MAN三维体视化模型，实现分割、定义、体视化及文本知识的组织。 中国科技大学的冯焕清教授报告了采用真实色彩的虚拟人彩色解剖切片图集的绘制，他们采用色彩空间转换的方法进行绘制。他指出根据对应的CT或MRI体数据确定不透明度转换函数，仅把彩色体数据作为辅助数据场，直接检索得到色彩值，要解决两个数据场的配准问题，而且内存消耗大。他们采用前一种方法，并运用高质量成像算法进行渲染，从而能给出直观而真实的图像，实现虚拟人及其内部器官的多方式浏览。 解放军总医院的尹岭教授作了科学数据共享的报告。报告认为，虚拟人体计划的研究和开发已成为发达国家信息技术和医学基础建设的重要组成部分，其研究成果可迅速转化为商业化产品技术而广泛应用于医学的各个方面，也可推广应用于智能机器人和与人相关的所有工业和军事领域。他建议尽快建立面向医学全方位应用的高精度数字化虚拟人体计划研发和应用数据共享机制，解决共享制度、技术标准和组织实施等问题。虚拟人体数据共享的成功，可以同基因组数据共享、蛋白质组数据共享、神经信息学数据共享一样，作为信息最大程度地服务于科学和社会的具有重要价值的典型案例。 四、在医学和相关领域的应用 与会专家对虚拟人在传统医学、现代医学、工业设计、人体运动仿真等领域的应用做了介绍，大家认为虚拟人必将在这些领域发挥更大的作用。 上海中医药大学的余安胜教授认为虚拟针灸人能体现中国特色的传统针灸穴位和经络形态解剖结构。针灸穴位的准确定位以及进针的角度、深度、方向直接影响着针刺的疗效。他们运用计算机图像数字处理技术重建人体针灸穴位解剖立体结构，制作出中国针灸穴位人三维重构图像数据库和三维重构软件，通过三维虚拟环境，学生可以任意定位、转动和观察穴位内部结构。 上海复旦大学数字医学中心的宋志坚教授提出了建立高精度人体几何模型的方法，实现对活体人体断层数据的快速高精度重建，并通过临床试验应用对其准确性进行了验证。最后，对模拟脑部手术时组织变形的物理模型问题进行了探讨。他们还将这种方法应用于虚拟手术中，提高了虚拟手术的模拟速度，使虚拟手术的实时操作成为可能。 北京友谊医院的王宝恩教授认为目前的影像学、病理学的肝病诊断方法都有一定局限性，难于展示肝脏的三维立体结构，因而对疾病的发展、药物的疗效也难于做出准确的评价。他们应用中医中药治疗肝纤维化及肝硬化的研究有所突破，已达到使早期肝硬化可以逆转的目的，但对于致病因子所引起的纤维骨架及血管结构所引起的变化能恢复到何种程度尚不易从三维的结构的水平上判断。他们初步的工作表明，用三维成像的技术可以见到纤维组织的结构在肝硬化时成蜂窝状，血液微循环系统全部紊乱，治疗后有明显好转。 厦门大学的王博亮教授拟构建的中国人虚拟眼将在眼科教学、眼病生理研究和临床诊断及治疗等方面得到广泛的应用。他们已取得的一些阶段性成果目前已在临床得到了应用。特别是裂隙灯眼前节图像采集和分析系统，已进入临床试用阶段两年，获得了大量的数据。通过虚拟眼的研究，希望能开发出新的治疗手段。未来要建立组织级、细胞级乃至分子级的虚拟眼模型。未来的模型将可以用于生理化学过程研究进而用于新药物的开发。 解放军总医院骨科研究所的卢世璧院士通过数字化信息的采集、三维图形的重组，构建人体关节的功能三维图形，对骨组织结构的三维显微结构进行分析，经过对其有效结构骨小梁数字信息的筛选，对完整掌握骨关节病发展中各组分在体内的变化及相互影响、完成模拟生理状态数据骨组织的结构重建具有重大的意义。 浙江大学的孙守迁教授认为虚拟人是人在计算机空间（虚拟环境）中的几何特性与运动特性的表示，是多功能感知与情感计算的研究内容。可以广泛应用于艺术与设计领域，包括非物质文化遗产保护、舞蹈编排、体育仿真、娱乐与传媒业、产品设计、服装设计与展示、会展设计等领域。(香山科学会议 李增惠)激光制造与未来技术产业的发展香山科学会议第210次学术讨论会综述 光科学与工程技术研究在经历了20世纪的探索和积累之后，将在现代工业领域里扮演重要的创新角色，促使现代制造业发生深刻的变化，并给国民经济发展以深刻的影响。当前，激光制造技术研究及其应用在国际上竞争十分激烈，光学微加工技术和具有超精细加工能力的光源的研究与开发，已经成为争夺全球制造产业市场的主流。 2010年9月1719日，以“激光制造与未来技术产业的发展”为主题的香山科学会议第210次学术讨论会在北京举行。会议聘请左铁钏教授、姚建铨院士、周炳琨院士、王大珩院士担任执行主席。来自国内高等院校、科研院所等29家单位的42位专家、学者出席了研讨会。 一、激光制造在国民经济各部门的应用及其重要性 北京工业大学左铁钏教授作了“现代激光制造及其对发展国民经济的重要意义”主题评述报告，系统介绍和讨论了激光制造技术、制造系统的状况、激光现代制造的内涵、国内外的应用现状、制造系统的发展及前沿科学问题。她指出，激光作为“光能源”和“光工具”的出现，为制造技术的发展与进步，扮演了一个创新尖兵的角色，同时也引领制造技术进入激光制造的时代。左铁钏全面综述了光束质量在激光器研制与制造应用中的重要作用，回顾了CO2激光器、工业用固体激光器的研发历史，指出其发展的趋势是：激光输出功率不断提高；光束质量越来越好；应用领域不断扩展；激光微制造正在兴起；超短、超快激光源研究受到高度重视。左铁钏就我国与现代激光制造先进发达国家的差距提出了思考与建议：(1)应制定国家对现代激光制造与产业的整体发展规划；(2)规范现代激光制造与市场产业结构；(3)政府对现代激光制造与产业的支持和资源分配；(4)重视现代激光制造的人才培养；(5)现代激光制造的国际合作。 讨论中，与会专家就激光制造在国民经济的重要性强调了以下认识：(1)不能光看产值，还要看它的社会效益怎么样；(2)激光制造在航空、造船等工业领域里国内需求巨大；(3)向制造强国转变的契机和成功点；(4)实现跨越发展要有自己原始创新的东西；可以根据激光制造的研发中心、制造企业、应用型企业、加工站这四个层次来完成；进行相应的用户市场开发；激光产品要高质量，必须是一个品牌；(5)重视市场需求和必要投资。 二、激光工业应用的国内外发展现状 中国光学学会邓树森教授在报告中评述了“我国激光加工产业现状”。经过多年发展，我国激光加工产业化进程大大加快，形成具有特色的激光加工企业群体，主要在与低功率的激光打标和要求激光光束质量不高的应用领域，如激光表面处理，激光熔覆等领域。目前在这些领域，国产激光加工产品可批量供应。他以一些具体的应用实例指出我国激光加工具有巨大市场。 中德激光技术中心肖运鸿教授介绍了“德国激光技术现状及发展战略”，指出激光技术广泛应用在德国的各个工业部门中，并扮演着一个创新尖兵的角色，且在未来市场中将起前沿开拓者的作用。他还就加速发展我国激光制造技术和产业问题提出了若干建议。 科技部科技发展研究中心盛延林分析了我国激光加工的发展情况，指出激光加工在科技部“十五”计划期间没有体现，尚未找到自己的落脚点。 三、激光制造的基础问题 周炳琨在评述报告中深入探讨了“激光制造的基础问题”，指出应重视以下研究：(1)光子与物质的相互作用；(2)激光光束质量的改善、评价与监控；(3)超快超强激光与物质的非线性相互作用；(4)激光加工新光源与新应用；(5)微纳米加工的相关基础技术问题。装甲兵工程学院徐滨士院士作了题为“激光制造技术在再制造工程中的应用及其发展”的报告，指出再制造工程是先进制造技术的补充和发展，是实现产业可持续发展的重要技术途径。在此基础上，研究快速成形、综合技术（激光清理、激光切割、激光焊接及激光打孔等综合）、激光精密加工等技术实现绿色环保再制造。 几个专题发言就“特殊制造应用中的激光技术和发展关键”和“特殊要求、特种材料激光加工的基础研究”以及激光焊接和非熔极化氩所焊接(TIG)、熔极化氩气焊接(MIG)等复合焊接技术等问题进一步做了探讨。 与会者特别关注如何结合激光光束质量因子，提高激光制造系统的配置和制造技术的完善问题，并进行了深入讨论。 四、激光微制造技术的研究开发与高新技术产业的发展 中科院安徽光机所江海河研究员以“激光微加工技术及准分子激光微加工应用”为题讨论了我国激光微加工技术研究发展的现状，并针对存在的主要科学技术问题提出了有关建议：加强政府“十一五”计划投入（重大专项）；列入国家中长期规划；光制造企业参与；鼓励和扶植国内大型光制造企业；加强微加工机理研究；重视工艺研究；重视平台建设（系统研究）；有所为，有所不为；目标明确、方向正确、切入点准确；研究探索能否有不可替代的激光制造技术；找准3D微制造的目标、方向、切入点。 北京工业大学蒋毅坚教授在“激光微细加工集成技术”的报告中探讨了激光微技术今后的研究趋势，强调要大力发展具有微加工适应性的集成准分子激光、倍频激光、飞秒激光、光纤激光四种激光优势的激光集成微制造技术，这是提高微加工作用效率和质量的有效途径。 会议上还以专题发言形式深入讨论了飞秒激光与微加工、半导体工业中关键设备光刻设备（技术）、飞秒激光微纳加工技术与机理研究等科技问题。 与会专家讨论中十分关注飞秒激光微加工技术应用问题，一致认为飞秒激光微加工应及时明晰并抓住的主要应用背景来进行发展。 五、工业制造中激光光源的重点研究领域与关键技术 姚建铨作了题为“我国在先进制造业中激光技术领域的发展现状、差距及对策”评述报告。他指出，我国激光器的性能及输出激光束的稳定性较差，综合配套能力差。提出我国在先进制造业中的激光技术领域的发展对策：以需要为牵引，以激光在制造业中应用为龙头，以提高激光器质量为重点，以总体配套技术为突破口，研发出有中国特色及有自主知识产权的激光器件及应用整机，建立我国独立自主的激光制造产业。会议安排的若干专题发言讨论了国内半导体大功率激光器供需现状与今后发展方向、快速发展的光纤激光器、研发新型气体激光器促进激光制造以及射频激励扩散型冷却波导CO2激光器关键技术等方面的科技进展。与会者关注和讨论的热门话题有以下两个重要问题：(1)我国激光器不能真正走进大工业应用的核心问题是什么；(2)激光器的研发需不需要和应用技术相结合。 六、我国激光制造未来产业化发展趋势 与会者从不同角度进行了讨论。认为：(1)光制造在大工业中的应用必须找到切入点。可归结为三个切入点：以汽车、航空航天器件为代表的轻型化制造；以微电子、生物器件为代表的微纳制造；以易损部件报废回收为代表的再制造。以航空、飞机，包括激光医疗的应用为龙头带动；(2)尽快制订新的技术标准体系；(3)激光技术对制造业的变革性影响。新一代光制造机床使机床行业发生根本性变革；(4)加强产、学、研结合。大学、研究所、企业三者应该多交流、互补，多层次、多组织、多渠道，创造条件，发展自己的技术，形成我国自己的特色产业；(5)重视利用政策和市场机制。 七、共识和建议 在评述报告和专题发言的框架基础上，会议执行主席主持并组织与会专家学者对激光制造应用、激光制造系统和技术以及激光制造未来产业化的发展趋势进行了广泛的交流与探讨, 取得重要共识： 1.光制造是先进制造技术之一，是提升我国传统制造业技术水平的重要手段，是我国由制造大国向制造强国迈进科技创新的尖兵，应支持发展激光制造技术。建议在汽车制造、航空航天、机械制造、冶金、铁路、船舶、生物医疗、微制造、再制造等工程应用中推广应用激光制造技术；2.光束质量在激光应用过程中对加工质量、加工效率起着关键的作用。激光研究单位、应用企业都应十分重视光束质量的问题；3.在尽快普及激光大功率工业应用的同时，为适应科技发展的前沿趋势，也应加快激光微制造的研究、开发。微系统越来越复杂，结构设计应越来越多样化； 4.应集中体现光在微制造中的优势，应以具有加工适应性的准分子激光、倍频激光、飞秒激光、光纤激光等四种激光集成技术为代表性发展技术； 5.建议发展激光制造应用技术，重点发展有广泛应用的激光切割、焊接及金属部件激光成型技术；建议发展激光制造系统技术，激光光源重点发展千瓦级大功率、高光束质量、高可靠性的固体激光器、CO2激光器、直接应用的半导体激光器，发展光纤激光器、半导体泵浦固体激光器以及准分子激光器、超短脉冲激光器。 与会专家就以后我国激光制造提出了建议： 1.明确目标和重点，制定国家对激光制造与产业的整体发展规划，从基础研究、技术研发、成果转化、应用推广等方面制订一系列的中长期发展指导纲要，建立产、学、研、政、经、用紧密合作、协调促进的发展机制； 2.明确政府职能，规范现代激光制造与产业的市场产业结构，建立四级层次的激光应用实体研发中心、制造企业、应用企业和加工站； 3.凝炼我国激光制造技术重点发展方向，做到有所为、有所不为，重点发展激光制造应用技术、激光制造工艺、激光制造系统、高性能激光光源； 4.规范政府对现代激光制造与产业的支持和资源分配，加大投入，在应用工艺开发、制造系统关键技术、产业化项目等方面设立专项资金，重点扶持； 5.加强激光制造专业人才的培养和教育，设立激光制造技术、激光微技术、能量光电子等专业，以为国民经济建设服务的应用型人才培养为目标，构建多级人才培养模式； 6.加强在这一领域内的国际科技合作。(香山科学会议 赵生才)德国科学技术能力综述黄 群 随着知识经济时代的来临，知识创新对国民经济发展所起的作用日益显著。从长远的观点看，R&D投入对于提高一个国家在世界上的竞争能力至关重要。自20世纪90年代以来，德国的R&D投入资金和占GNP的比例都维持有一定的规模，其中有两个特色，一是政府在R&D投资中所占比例不断减少，二是经济界对应用研究的投资越来越多。德国是继美国、日本之后的世界第三大经济强国，科研基础实力雄厚，2001年德国GDP总值为18490亿美元。 德国政府公布的1998年的技术前瞻报告指出：德国在环保、能源、建筑和汽车工业领域超过美国，居世界领先地位；在化学、生产工艺、生物医学、航天领域仅次于美国，居世界第二位；在信息技术、服务业领域居世界第三位。德国联邦政府2002年6月出版了关于德国技术竞争力的第七个年度报告。报告指出，德国在高技术领域有实力的部门包括制药、数据处理设备、航空与航天技术、精密仪器。在生物技术和软件领域，德国在特殊部门有专长，如生物技术部门的平台技术和与软件有关的服务。20002002年，德国2/3 的公司，主要是较大的公司参与了创新活动，新创建的重视技术、以知识为基础的服务公司的数量增长了15%。信息和通信技术公司创建活动非常有活力，在这些部门新建企业数在1995年至2000年间增长了50%，诞生了许多软件公司和电信公司。以知识为基础、重视技术的服务公司的重要性日益增长，2000年约有580万人从事知识密集型的服务业。 车辆制造、机械工程仍然是德国经济的支柱和高附加值部门创新的关键。机械工程使工业部门R&D支出增长12%和使制造业中私人企业R&D总支出上升13%。 报告强调了德国在新兴的光科学和光工程领域的优势和在某些应用领域，像生物医学的领先地位。上世纪90年代，德国研究人员发表了大量的关于光科学的著作。1990年德国人的光科学著作占国际光科学著作的5.4%，2000年增加到8.9%，而2002年仅次于美国，居世界第二位。 尽管德国的劳动力非常昂贵，德国的生产能力仍然很高，出口产品的单位工资在国际上仍有竞争力；德国工业产品的出口仍创新高，人均出口额比美国高两倍、比日本高13。不可否认，德国的产品在世界市场上仍有很强的竞争力。德国的一些大公司，比如拜耳、赫司特(Hoechst)、BASF、戴姆勒-奔驰和大众汽车公司都在结构上做了调整，一种以赢利为导向的管理态度在大企业中逐渐出现。股票市场对这种态度也有正面回应，从长远走向看，这种态度带动了德国股市走向新高。尽管失业人口的比重还没有降下来，而且仇外和排外的事件时有所闻，但德国的整个社会体系还是运转良好，教育和福利体系还保持着原有的活力。 一、 德国专利、发明高速增长 德国曾是一个发明大国，印刷机、飞艇和温度计这些给人类生活带来重大影响的东西都是德国人发明的。但近数十年来，德国人发明的东西比以往少了许多，相反，美国人和日本人的新发明却层出不穷。不过，德国近几年专利申请量增长很快，1998年申请量为83338件(本国申请47633件)，1999年申请量为94067件(本国申请51105件)，2000年申请量为110392件(本国申请53521件)。2000年德国向欧洲专利局申请的专利增长16%，2001年向本国商标及专利局申请的专利增长15%。 据欧洲专利局提供的数据，2001年全球申请注册的专利项目为158200个，其中德国专利占全球专利总数的20%，仅次于美国、日本，位居世界第三位。在欧洲，德国是申报专利最多、技术创新最快的国家，法国、英国专利分别仅占6.7%和4.4%（见表1）。在全球经济低迷的环境下，2001年德国专利发明仍呈9%的高速增长，令人瞩目。2001年，德国专利局收到专利申请8.3万件，为90年代前半期平均每年4.5万件的1.8倍，德国的专利件数大约是美国的一半（欧盟每年64000件专利中，德国人占12000件，美国人占19000件，日本人占11000件），就人口比率或其他国民经济指标来看，德国人的发明能力绝对是世界一流的，可惜在行销方面落后美国太多。 对于德国的经济发展来说，这是一个积极的信号，在从工业社会向知识社会发展过程中，知识和由其产生的知识产权始终起着重要的作用。2002年在德国申请专利最多的三个领域是汽车技术、精密测量与检验仪器、通讯技术；申请专利最多的三家公司是德国西门子公司(3252件)、BOSCH公司(3156件)、大众汽车公司(1543件)。此外，2001年商标注册为67361件，比2000年减少了约2万件，商标注册减少的主要领域是计算机、通讯及软件产品。目前在德国专利商标局注册的有606637件商标，比2000年多约32000件。良好的专利发展势头也使德国在移动通讯、因特网和数据安全等领域处于有利的竞争位置，但仍面临激烈的竞争(见表1)。 二、生命科学与生物技术 近两年来，德国生物技术水平已经攀升至世界第二位，仅次于美国，而生物技术公司的数量则占欧洲的首位。1999年德国研究人员申请的生物技术专利占全欧洲的14，生物技术行业销售额达10.5亿欧元，创历史新高，加强了其欧洲生物技术研究开发中心之一的地位，亦拉近了其与处于世界领先水平的美国同行业的距离。以基因研究为主要内容的生物技术已成为带动国民经济增长的重要领域。截止2001年底，德国生物技术领域从业人员为14408人，比2000年增长了35%；生物科技公司总数达到365家，较2000年增加9.9。相比较而言，2001年德国生物技术公司数量与就业人员的增长率，低于此前高速膨胀阶段的增长速度，说明该行业已进入整合、巩固阶段。因生物技术这一新兴产业发展初期面临的诸多困难，在本行业高速膨胀发展的同时，也出现破产及转产企业数量上升的苗头。表1 在欧洲专利管理局申请的跨国界专利的国际比较(每千人申请专利权) 1991 1995 2000 德国 64 83 111美国 50 68 83日本 22 29 28法国 67 97 145英国 113 153 185意大利 53 79 106瑞典 88 102 140前苏联 187 249 248加拿大 200 203 246荷兰 119 169 158芬兰 55 81 107韩国 98 94 35来源：EPAPAT.-WOPATENT.-Berechnungen des Fraunhofer ISI. 当前德国生物技术领域的企业以从事医药产品导向的基因技术研究（业内人士称之为“红色产品”）的居多，占本行业企业总数的83%；位居其后的是绿色农业产品和绿色食品（“绿色产品”）生产企业，占11%；然后就是生产环保产品（“灰色产品”）的企业，占6%。 在生物技术制药产业舞台上，美国一直稳居榜首。它发展最早，投入最大，目前上市的基因药物最多，正在各期临床试验的药物数目也最多，2000年产值超过200亿美元。德国重视中小企业的发展，也加大了投入，其发展速度有可能超过日本，至少在上市药物数量上超过了日本。2001年头5个月就批准了12种基因药物上市，其发展速度仅次于美国。可以预计，随着人类基因组这一国际项目的深入进行，世界各科技大国既合作又竞争的关系将越来越明显，特别是在与实践应用相关的课题中，各国争夺制高点和知识产权的竞争将越来越激烈。 德国46的生物科技公司以发展产品为目标，41的公司兼具产品研发及技术服务，单纯提供服务的公司仅占13。在产品项目方面，德国生物技术公司多以医学领域为主，约有83的公司以治疗、分子诊断、药物传输系统及组织工程为主。目前，德国有61项新生物科技产品进入临床阶段；2001年，各生物科技公司处于研发之中的治疗性化合物约有183项，几乎是1999年的两倍，其中更有三项产品已经进入研发的最后阶段。在过去的两年间，德国生物科技业的专利申请数增加了88，已获得的专利授权增长了173。在公司间的合作计划中，技术授权及产品授权的项目数量也比2001年增加了两倍。目前风险投资仍是德国生物科技产业的主要资金来源，2001年获得的风险投资总额为5. 25亿欧元。 德国联邦政府借助于不断提高的项目资助经费，来保障人类研究领域不断增长的经费需求，从而使德国生物技术领域的研究与发展一直处于欧洲的最前列。今天，德国是拥有世界上最大的制药公司及其基地的国家之一。德国的符赖斯堡素来享有“生物谷”的美称，7万名科学家和研究人员在当地的大学、生物工程和医药公司工作，业已组成了一个科研和市场销售网络。那里的生物公司率先开发出了探测有机体遗传变化的生物芯片。德国巴伐利亚州拥有80多家生物工程公司，