數(shù)字化虛擬人體研究

1、第6章 數(shù)字化虛擬人體研究數(shù)字化虛擬人體的研究概況 數(shù)字化虛擬人體的科學(xué)含義 鐘世鎮(zhèn)教授：所謂“數(shù)字化虛擬人體，是將人體結(jié)構(gòu)及其功能數(shù)字化，通過計算機(jī)技術(shù)，在計算機(jī)屏幕上顯示可視的、仿真的模擬人體?！?通過現(xiàn)代信息技術(shù)對真人尸體進(jìn)行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建與真人相同的組織形態(tài)、功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人體從分子到細(xì)胞、組織、器官和整個人體的精確模擬的信息系統(tǒng)。數(shù)字化虛擬人體階段第一個階段：是“虛擬可視人” 通過對真人尸體獲取連續(xù)切片的圖像，再經(jīng)過計算機(jī)3D重建技術(shù)，形成可視的虛擬人體結(jié)構(gòu)圖像。稱為“虛擬解剖人”第二個階段是“虛擬物理人” 將人體各種不同結(jié)構(gòu)的功能特性，賦加到虛擬解剖人的框架上，使其具有某些物

2、理特性，例如骨骼遭受暴力會斷裂，肌肉切割會向兩端回縮等。第三個階段是“虛擬生物人”。 將生命科學(xué)研究的成果賦加到虛擬解剖人或虛擬物理人的框架上，具有新陳代謝、生老病死等生理學(xué)功能，甚至更進(jìn)一步將人的思維活動的高級認(rèn)知功能也賦加到虛擬人框架上，那么這種虛擬人就成了具有巨大存儲容量和并行運(yùn)算速度功能的虛擬智能人了。把“虛擬生物人”分成“虛擬生理人”和“虛擬智能人”兩個階段數(shù)字化虛擬人體研究的意義 在醫(yī)學(xué)教育上，開創(chuàng)一個全新的數(shù)字解剖學(xué)時代 在醫(yī)學(xué)臨床中，制定手術(shù)方案，對患者的數(shù)字化虛擬人體實(shí)施仿真模擬手術(shù) 腫瘤病灶生長和治療過程的模擬、血流動力學(xué)的模擬、新藥試驗(yàn)及其藥代動力學(xué)的模擬等方面也都具有重

3、要意義 計算機(jī)虛擬技術(shù)、航空航天、防護(hù)安全、服裝產(chǎn)業(yè)、競技體育、軍事訓(xùn)練等多個學(xué)科和領(lǐng)域的發(fā)展，都具有重大價值數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集研究的歷程 最早由美國國家醫(yī)學(xué)圖書館（NLM：National Library of Medicine）1989年正式提出，具體由科羅拉多（Colorado）大學(xué)組織實(shí)施，這就是著名的VHP（Visible Human Project）項目。 VHP項目的要求，構(gòu)建這個系統(tǒng)的目標(biāo)是首先采集人體CT、MRI和人體切片的組織學(xué)圖像數(shù)據(jù)集，然后利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)重新構(gòu)建出各種虛擬人體器官。 1994年11月和1995年11月先后公布了一男一女兩套數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集。

4、 韓國亞洲大學(xué)醫(yī)學(xué)院2001年3月完成了“可視韓國人”（VKH）男性韓國人體的數(shù)據(jù)采集工作。 中國科技部2001年11月召開了以“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”為主題的第174次香山會議數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集研究的歷程（續(xù)） 2002年6月，國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）決定將“數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)”立項，由第一軍醫(yī)大學(xué)（現(xiàn)南方醫(yī)科大學(xué)）、首都醫(yī)科大學(xué)、中國科學(xué)院計算所和華中科技大學(xué)等單位協(xié)作攻關(guān)。 2003年，國家科技部再次召開會議，將“數(shù)字化虛擬中國人的數(shù)據(jù)集構(gòu)建與海量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”課題再次立項，中國數(shù)字化虛擬人體研究計劃（VCH：Virtual Chinese Human） 2

5、003年2月和5月，完成并發(fā)布了虛擬中國人女性1號（VCH F-1）和虛擬中國人男性號（VCH）兩套人體切片數(shù)據(jù)集的采集工作。6.2 數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的采集數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的采集 數(shù)據(jù)集采集的基本原理 選擇符合要求的標(biāo)本 對標(biāo)本進(jìn)行CT和MRI人體斷層掃描，以獲取標(biāo)本的CT和MRI圖像數(shù)據(jù)集 CT和MRI數(shù)據(jù)集作為一種參考或?qū)Ρ戎?對標(biāo)本進(jìn)行極度冷凍和其它各種物理處理，為下一步真正獲取人體切片數(shù)據(jù)集作好準(zhǔn)備 切片間距一般小于1mm 對標(biāo)本進(jìn)行切片并記錄每一個切片的圖像數(shù)據(jù)，所需數(shù)字化虛擬人體圖像數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)集采集的基本方法1.標(biāo)本的選擇u標(biāo)準(zhǔn)化問題。選擇代表性強(qiáng)、覆蓋面廣的最具特征的“

6、典型標(biāo)準(zhǔn)”人體標(biāo)本。 年齡和健康兩個基本的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)。美國VHP男性標(biāo)本是39歲，且生前曾因病手術(shù)切除過左睪丸和闌尾；女性標(biāo)本已經(jīng)59歲，生殖系統(tǒng)已萎縮，VHP標(biāo)本存在明顯缺陷。我國VCH25項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評價體系。VCH號28歲的漢族健康男性，2002年4月意外死亡，自愿捐獻(xiàn)尸體做科學(xué)研究，祖籍湖南，身高1.66米，體重58公斤，沒有任何傳染病和代謝疾??；VCH號19歲的廣西女孩，身高1.56，雖因誤食毒蘑菇而不幸，但由于她是急性死亡，年紀(jì)很輕 倫理和法律問題。接受遺體捐獻(xiàn)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究數(shù)據(jù)集采集的基本方法2. CT、MRI掃描選擇的標(biāo)本死亡后，應(yīng)立即對標(biāo)本進(jìn)行全身CT和MRI斷層掃

7、描。掃描的時間應(yīng)盡可能縮短3. 標(biāo)本預(yù)處理尸體冷凍：先對尸體進(jìn)行包埋處理，在將其置于零下70的冷凍室進(jìn)行冷凍組織標(biāo)識 ：VCH采用鐘世鎮(zhèn)院士人體管道鑄型新技術(shù)，分別對女性和男性標(biāo)本的血管進(jìn)行了以朱砂、明膠和淀粉為主要材料的混合顯色填充劑的標(biāo)識灌注。數(shù)據(jù)集采集的基本方法（續(xù)）4. 切片并記錄圖像數(shù)據(jù)u切削機(jī)械的選擇選擇高品質(zhì)的切削銑床和切削刀具，需要設(shè)計穩(wěn)固的機(jī)床基座，需要制定和設(shè)計靈活的切削工序u切片間距的確定切片的間距（厚度）越小得到的圖像數(shù)據(jù)越豐富，由此而重建的虛擬人體就會越逼真。VHP男性和女性的切片間距分別是1mm和0.33mm，切片總數(shù)分別是1878個和5190個VKH男性的切片間距

8、是0.2mm，其切片總數(shù)是8590個VCH F-1和VCH的切片間距分別是0.2mm和0.1mm，其切片總數(shù)分別是8556個和9232個數(shù)據(jù)集采集的基本方法（續(xù)）u圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計切片過程中將每一個切片的斷面圖像用圖像采集設(shè)備記錄下來并存放在計算機(jī)的存儲系統(tǒng)里。分辨率和圖像數(shù)據(jù)庫VHP采用的設(shè)備是分辨率為20481216像素的膠卷相機(jī)，總數(shù)據(jù)量男、女分別為15G和43GVKH采用的設(shè)備是高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，總數(shù)據(jù)量為153.7G。VCH采用的設(shè)備是分辨率為30242016像素的數(shù)碼相機(jī)和同步進(jìn)行掃描儀，相機(jī)得到的總數(shù)據(jù)量男號和女1號分別為161.6G和149.7G。數(shù)據(jù)集采集的基本方法（續(xù)）

9、u數(shù)據(jù)后期處理數(shù)據(jù)集采集完成后，華中科技大學(xué)國家光電實(shí)驗(yàn)室、首都醫(yī)科大學(xué)和中科院計算所等單位進(jìn)行了高分辨率的三維解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的可視化處理、數(shù)據(jù)集存儲與共享機(jī)制的建立、三維圖像的分割、配準(zhǔn)和3D重建6.3 數(shù)字化虛擬人體的開發(fā)應(yīng)用和發(fā)展策略u開發(fā)應(yīng)用回顧 世界各國的應(yīng)用概況美國VHP數(shù)據(jù)集在英國、意大利、瑞士、日本、新加坡等很多國家相繼建立了VHP鏡像站點(diǎn)。研究和應(yīng)用數(shù)字化虛擬人體提供了重要條件美國華盛頓大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集開發(fā)了計算機(jī)人體模擬系統(tǒng)和數(shù)字解剖學(xué)家項目斯坦福大學(xué)開發(fā)了虛擬飛行座艙系統(tǒng)和虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)波士頓大學(xué)開發(fā)了人腦模型和虛擬耳窺鏡系統(tǒng)哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院共同開發(fā)了全腦圖譜系

10、統(tǒng)英國的PA咨詢公司與美國的菲西奧姆科學(xué)公司合作開發(fā)了用于新藥測試的虛擬人體系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用開發(fā)應(yīng)用回顧回顧（續(xù)）（續(xù)）國內(nèi)的應(yīng)用概況清華大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了對人體骨絡(luò)進(jìn)行了3D重建，并應(yīng)用到本地和遠(yuǎn)程的教學(xué)中。第三軍醫(yī)大學(xué)應(yīng)用三維虛擬人進(jìn)行椎間盤介入術(shù)的模擬穿刺；女性盆腔臟器的輻射計量的模擬仿真研究；3D重建和立體定位技術(shù)進(jìn)行腦部腫瘤的虛擬切除手術(shù)的研究北京同仁醫(yī)院韓德民教授應(yīng)用VCH F-1數(shù)據(jù)集對耳鼻喉解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3D重建解放軍總醫(yī)院盧世壁院士利用數(shù)據(jù)集構(gòu)建了人體關(guān)節(jié)功能的三維虛擬圖像系統(tǒng)，對骨組織結(jié)構(gòu)的三維顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和骨小梁數(shù)字信息的篩選廈門大學(xué)王博亮教授構(gòu)建了中國人虛擬眼

11、系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用回顧（續(xù)）上海交通大學(xué)莊天戈教授根據(jù)中醫(yī)的理論，將腧穴融入到由VHP數(shù)據(jù)集和漢堡大學(xué)的Voxel-Man三維體視系統(tǒng)所開發(fā)的人體模擬系統(tǒng)中，基本實(shí)現(xiàn)了腧穴的形態(tài)和細(xì)微結(jié)構(gòu)的分割、定義和體視化上海中醫(yī)藥大學(xué)余安勝教授運(yùn)用斷層數(shù)據(jù)集開發(fā)了虛擬的“中國針灸穴位人”的三維圖像數(shù)據(jù)庫和3D重建軟件田捷研究員等開發(fā)了一個開放的、跨平臺的和具有一致編程接口的三維醫(yī)學(xué)圖像處理軟件包（MITK：Medical Imaging Toolkit）實(shí)現(xiàn)對醫(yī)學(xué)圖像可視化、圖像分割、配準(zhǔn)和其它分析處理。上海海歸胡博士和相關(guān)公司開發(fā)了一個內(nèi)容涵蓋人體解剖學(xué)、臨床解剖學(xué)、表面解剖學(xué)、局部解剖學(xué)和中醫(yī)針灸經(jīng)略穴位等

12、方面可視化的虛擬人體解剖學(xué)軟件發(fā)展前景及其策略探討 數(shù)字化虛擬人的發(fā)展趨勢是從“虛擬可視人”，向著“虛擬物理人”和“虛擬生物人”階段發(fā)展。 美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室于1999年10月提出了關(guān)于實(shí)施虛擬人體創(chuàng)新計劃（The Virtual Human Project Initiative）的報告。這個計劃的主要宗旨是將人類基因組計劃、人體機(jī)能建模和VHP計劃的研究結(jié)果結(jié)合起來，完成人體的物理建模，使虛擬人在外界的刺激下能做出帶有科學(xué)規(guī)律性的反應(yīng) 美國科學(xué)家聯(lián)盟提出了 “數(shù)字人體計劃” 實(shí)現(xiàn)人體從基因到分子、細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)和全身整體的全方位模擬； 實(shí)現(xiàn)生物信息從離體到活體的連續(xù)提取； 構(gòu)建的有

13、關(guān)虛擬模型、數(shù)據(jù)庫、程序源代碼等軟件資源應(yīng)廣為開放等發(fā)展前景及其策略探討我國學(xué)者中國科學(xué)院畢思文研究員2002年提出了“數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué)”概念 按照作者的定義，數(shù)字人體的基本含義是借助醫(yī)學(xué)科學(xué)、生命科學(xué)與信息科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)及系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的高度綜合和交叉融合，對人體系統(tǒng)的定性描述進(jìn)行定量表達(dá)，以加深對人體系統(tǒng)的全面認(rèn)識，改變未來人體系統(tǒng)的研究內(nèi)容日本在2001年啟動了為期10年的“日本虛擬人計劃”發(fā)展策略探討 制定一套適合我國國情的數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集獲取的標(biāo)準(zhǔn) 建立數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的共享機(jī)制 加強(qiáng)數(shù)字化虛擬人體應(yīng)用性的開發(fā)研究 全局?jǐn)?shù)據(jù)集，人體解剖學(xué)局部數(shù)據(jù)集、組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)

14、的數(shù)據(jù)集。南方醫(yī)科大學(xué)已完成了13個數(shù)字人的局部數(shù)據(jù)集 構(gòu)建多學(xué)科的科學(xué)協(xié)作和攻關(guān)的研究聯(lián)盟 提高圖像分割的速度和精度 大規(guī)模的人體數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)處理。0.2mm到0.1mm數(shù)據(jù)量150GB增到1.2T。 完善國家發(fā)展數(shù)字化虛擬人體的長遠(yuǎn)規(guī)劃6.4 關(guān)于數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué) 數(shù)字人體的基本概念 數(shù)字人體是用數(shù)字化的方法研究和構(gòu)建數(shù)字化的人體系統(tǒng)，即人體活動的全部信息經(jīng)數(shù)字化后由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來管理，以了解整個人體系統(tǒng)所涉及的信息過程，并揭示人體系統(tǒng)之間信息的聯(lián)系和相互作用的規(guī)律 是以活人為研究對象，以醫(yī)學(xué)科學(xué)、信息科學(xué)、智能科學(xué)和計算科學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立一系列不同層次的原型、物質(zhì)模型、生理模型、

15、力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、信息模型和計算機(jī)模型，并將這些模型集成為“有生命的”人體系統(tǒng)模型。數(shù)字人體的提出 畢思文研究員2002年7月在中國醫(yī)藥信息學(xué)會第九屆全國醫(yī)藥信息大會論文集和第四屆中日韓醫(yī)藥信息學(xué)會議論文集，2004年8月出版了數(shù)字人體人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué)專著 數(shù)字人體與數(shù)字化虛擬人的區(qū)別 都是一門專門研究人體系統(tǒng)數(shù)字化的科學(xué) 數(shù)字人體研究的對象是活人，數(shù)字化虛擬人研究的對象是死人 數(shù)字人體研究的內(nèi)容包含基礎(chǔ)理論與模型、技術(shù)處理、系統(tǒng)工程和數(shù)字人體應(yīng)用等；數(shù)字化虛擬人研究的內(nèi)容主要關(guān)注的是人體標(biāo)本的選擇和處理、人體切片信息的技術(shù)處理和人體數(shù)據(jù)集的應(yīng)用等幾個方面 數(shù)字人體處理的目的是為了了解人體系統(tǒng)在某一時間和空間尺度下的結(jié)構(gòu)和功能，而虛擬人處理的目的主要在于還原人體系統(tǒng)在某一位置的結(jié)構(gòu)和功能數(shù)字人體的基本理論和模型1. 數(shù)字人體研究的基本理論u 人體系統(tǒng)的分類和層次u 人體系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)u 人體系統(tǒng)的離散動態(tài)系統(tǒng)u