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计算机世界的虚拟机,容器和医学界的人工硬脑膜

原创 IT综合 作者:i042416 时间:2020-07-15 15:24:26 0 删除 编辑

这是Jerry 2020年的第 69 篇文章,也是汪子熙公众号总共第 251 篇原创文章。


本文不含惊悚内容的图片,请大家放心阅读。


医学界的虚拟化技术挽救了Jerry的生命,所以有了这篇文章。


计算机世界的虚拟机和容器这些虚拟化技术,已经直接或间接地影响着我们相当一部分人的日常生活。普通人每日滑开手机,从BAT,TMDJ等国内互联网巨头的App上获取海量信息。普通人同时也是互联网上海量信息的生产者,即所谓的 UGC (User Generated Content,用户生成内容)场景。普通人早已习惯了这一切,比如在微信上发一个朋友圈,点击发送之后被其他微信好友看见,我们觉得这一切都是理所当然,天经地义的事情,殊不知像微信这种用户数量用亿作为单位来衡量的国民级移动应用,背后不知道凝聚了多少优秀程序员的心血。


国内互联网巨头的解决方案和产品,其背后的架构和基础设施都离不开云计算。而云计算和虚拟化技术(Virtualization)更加密不可分。在 Monolithic (单体式)架构的On-Premises时代,产品的部署是一件相对轻松愉快的事情,比如Jerry在做微信和SAP Commerce集成的时候,把Commerce的安装包拷贝到一个目录下,然后依次执行几个脚本,再去咖啡机边上转一圈,回来就完成Commerce开发环境下的部署了。到了基于微服务架构的云原生应用时代,云产品架构的复杂性,使得通过人工方式去部署产品成为了一项不可能完成的任务,自动化部署势在必行。而自动化部署,离开了虚拟化技术就只是空谈而已。



我的虚拟化技术学习之路


Jerry对于虚拟化技术只学到了一些皮毛,最开始使用虚拟机的场景是,我想在Windows 7下重温一些只能运行在纯DOS系统的经典软件,比如光荣的 《三国志IV》《三国志V》. 然后是因为工作需要,学习了容器技术,掌握了把常见的应用类型打成Docker镜像并运行的方法。后来公司组织了容器编排系统,即Kubernetes的内部培训,我也从三位培训老师那里,了解到了虚拟机和容器技术的差异。培训老师告诉我们,虚拟机和容器的目的类似,都致力于对应用程序及其关联性进行隔离,从而构建起一套能够不依赖于具体环境而运行的应用单元。虚拟机是在物理服务器的上层用软件来模拟特定的硬件系统,其技术核心是 Hypervisor,位于硬件和系统之间,是创建虚拟机必须的一个部分。虚拟机软件使用 Hypervisor作为中间层,当宿主操作系统启动虚拟机时,通过 Hypervisor给虚拟机分配内存,CPU,网络和磁盘等资源,并加载虚拟的操作系统,因而需要消耗宿主机大量的物理资源。


另一方面,一台宿主机上运行的多个容器化应用共享这台宿主机操作系统的内核,因而不需要虚拟机技术中的Hypervisor中间层。同虚拟机技术相比,容器更加轻量化,启动速度更快。



当组成一个应用的容器数量突破了人工所能管理的极限之后,就需要Kubernetes这种容器编排平台。有了Kubernetes的基础后,下一步就是学习SAP自己的产品,构建于Kubernetes之上的SAP Cloud Platform Extension Factory(基于开源项目Kyma).



沿着虚拟机->容器->Kubernetes->Kyma这条路线走过来,我的一些学习笔记:



国内程序员里熟悉云计算虚拟化技术的同仁数不胜数,然而熟悉颅内虚拟化技术的程序员想必不多,Jerry就是其中之一,只因 it's online within my brain ever since this May!!!


虽然虚拟机和容器内都似乎能像物理服务器一样地运行应用程序,然而这一切都是镜花水月:虚拟机和容器运行时均无法脱离宿主机而单独存在。一旦宿主机出故障宕机,运行在之上的虚拟机和容器也难逃厄运。



人工硬脑膜,和硬脑膜的区别,在于后者是我们每个人从亲妈那里继承来的 原生(native) 脑膜,而前者是人工合成,作为原生硬脑膜的补充,无法脱离后者而单独工作。


Jerry之前的文章  有感而发 - 日新月异的SAP开发技术和手术方式  曾经提到,硬脑膜是人类颅内组织的最后一道防线,然后向外依次是骨膜和头皮。


科学家们为了测量成年人硬脑膜的面积,先将硬脑膜剪为12块,即双箍、双顶、双挽、双额及小脑区等区域,再将其平摊在复印机上复印后,用定积分法计算结果,结论是成年男性硬脑膜的平均面积为 0.08平方米,女性为 0.076平方米,大约相当于体表皮肤面积的 1/22. 硬脑膜的厚度并非一张纸那样均匀,而是随着膜区位置不同而有所变化,平均厚度约为0.7到1毫米。


硬脑膜到底有多硬?每平方毫米的硬脑膜,能承受 37千克 左右的抗张力强度。人类通过漫长的进化史,得到了这道天然的保护大脑的坚实屏障。然而,如果颅内组织自身出了问题,这道保护屏障的坚固也会给神经外科医生带来一些麻烦。为了能够进入颅内切除病变组织,神经外科医生不得不借助各种器械,在坚实的硬脑膜上钻孔。医院用的开颅钻头们有国内生产的,也有国外进口的,都是大家伙:



另一方面,神经外科医生们钻开硬脑膜,打开颅内切除完病灶后,手术也还远远不算完。有一种疾病叫做 细菌性脑膜炎,由流感嗜血杆菌B型、脑膜炎奈瑟菌和肺炎链球菌这三种病菌,通过咳嗽或者打喷嚏进行传播。人在患感冒时容易被这三种病菌传染,病菌进入颅内引起颅内感染。既然硬脑膜完好无损时,尚且有病菌侵入的风险,更不用说做了开颅手术后留下这么大的窟窿,如果不采取任何修复措施,术后感染的风险极大。这时就轮到人工硬脑膜上场了,目的就是填补开颅钻生成的窟窿。



人工硬脑膜作为原生硬脑膜的补充,二者的关系就如同虚拟机/容器之于宿主操作系统一样:前者不能脱离后者而单独存在。


人工硬脑膜(Artificial Dura Mater) 是人工制成的一种虚拟硬脑膜,作为人类原生硬脑膜的替代物,用于因颅脑、脊髓损伤、肿瘤及其他颅脑疾病造成的硬脑膜缺损的修补,防止脑脊液外漏、颅内感染、脑膨出、脑粘连等各种严重的并发症。


为了寻找到合适的材料制作人工硬脑膜,科学家们走过了一条漫漫长路。早在1890年,第一例以 金箔为材料的人工硬脑膜应用在神经外科手术中,治疗由于脑膜粘连而诱发的癫痫症。很快,科学家们发现,金属材质会刺激颅内产生过多的肉芽组织,最后该材质被禁用。



后来科学家们想到了采用 自体筋膜,即从病人身上选取合适的材料来制作。自体材料虽然不会发生排斥反应,但其提取需要另行手术,取材来源有限,并且仍易和脑组织存在一定程度的粘连而易诱发癫痫,故现在很多国家也不再采用。


科学家们也尝试过 同种异体组织,比如 冻干人硬脑膜(Lyophilized Human Dura Mater,LHDM), 其优点是具有正常人体脑膜的超微结构,能够像原生硬脑膜一样工作,但材料来源有限,并且具有潜在感染病毒性疾病的可能,故也未成为主流。



爱迪生成功发明电灯之前,为了找到一种合适的灯丝材料而苦苦探索,一共尝试过1600多种不同的耐热材料,最后决定用炭丝来做灯丝。之后他集中全副精力,下功夫寻找合适的碳化材料,仅植物类的碳化试验就做了6000多种。


研制人工硬脑膜的科学家们也是如此。在发现金属,自体筋膜,同种异体组织等材质效果均不如人意后,科学家们把研究方向放到了 生物材料上。近年来随着 组织工程学的兴起,科学家们致力于将生物材料的复合物植入颅内病损部位,期望在生物材料逐渐被机体降解和吸收的过程中,形成在形态和功能方面与人工硬脑膜相一致的组织,达到修复颅内创伤和重建功能的目的。


目前国内临床上绝大多数病人使用的都是生物膜材料的人工硬脑膜,Jerry也不例外。我用的是这一款: 规格为40毫米 × 30毫米,全自费,很贵



之前Jerry文章  今天我拿到了医院发的纸质版手术记录......  提到的我手术记录上标注的 颅底重建术 ,做的事情就是把颅骨上钻的窟窿用人工硬脑膜修补好。


下面是从密封包装里取出的人工硬脑膜:



人工硬脑膜的具体使用方式,可以类比通过补丁修复衣服窟窿的过程。从我的纸质手术记录,我才知术中使用了两块40毫米 × 30毫米的人工硬脑膜,医保不cover,囧。



活着真好。


感谢阅读。


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SAP成都研究院开发专家,SAP社区导师,SAP中国技术大使。

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