數(shù)字化虛擬人體研究

1、1整理ppt 數(shù)字化虛擬人體的科學含義 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，通過計算機技術(shù)，在計算機屏 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)，實現(xiàn)人 體從分子到細胞、組織、器官和整個人體的精確模 擬的信息系統(tǒng)。 2 整理ppt 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， 使其具有某些物理特性，例如骨骼遭受暴

2、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、生老病死等生理學功能，甚至更進一步將 人的思維活動的高級認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 3 整理ppt 在醫(yī)學教育上，開創(chuàng)一個全新的數(shù)字解剖學時代 在醫(yī)學臨床中，制定手術(shù)方案，對患者的數(shù)字化虛 擬人體實施仿真模擬手術(shù) 腫瘤病灶生長和治療過程的模擬、血流動力學的模 擬、新藥試驗及其藥代動力學的模擬等方面也都具 有重要意義 計

3、算機虛擬技術(shù)、航空航天、防護安全、服裝產(chǎn)業(yè)、 競技體育、軍事訓練等多個學科和領(lǐng)域的發(fā)展，都 具有重大價值 4 整理ppt 最早由美國國家醫(yī)學圖書館（NLM：National Library of Medicine）1989年正式提出，具體由科 羅拉多（Colorado）大學組織實施，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)的目標是首先采集人 體CT、MRI和人體切片的組織學圖像數(shù)據(jù)集，然后利 用計算機圖像處理技術(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。 韓國亞

4、洲大學醫(yī)學院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 5 整理ppt 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（現(xiàn)南方醫(yī)科大學）、首都 醫(yī)科大學、中國科學院計算所和華中科技大學等 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） 2003年2

5、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 整理ppt 數(shù)據(jù)集采集的基本原理 選擇符合要求的標本 對標本進行CT和MRI人體斷層掃描，以獲取標本的 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?對標本進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)集作好準備 切片間距一般小于1mm 對標本進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 7 整理ppt 1.標本的選擇 u標準化問題。選擇代表性強、覆蓋面廣的最具特征的“典 型標準”人體標本。 年齡和健康兩個基本的

6、標準化指標。 美國VHP男性標本是39歲，且生前曾因病手術(shù)切除過左睪丸和闌尾； 女性標本已經(jīng)59歲，生殖系統(tǒng)已萎縮，VHP標本存在明顯缺陷。 我國VCH25項指標的標準化評價體系。VCH號28歲的漢族 健康男性，2002年4月意外死亡，自愿捐獻尸體做科學研究， 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，年紀很輕 倫理和法律問題。接受遺體捐獻用于醫(yī)學教學和科學研究 8 整理ppt 2. CT、MRI掃描 選擇的標本死亡后，應立即對標本進行全身CT和MRI 斷層掃描。掃描的時間應盡可能縮短

7、 3. 標本預處理 尸體冷凍：先對尸體進行包埋處理，在將其置于零下 70的冷凍室進行冷凍 組織標識 ：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本的血管進行了以朱砂、明膠和 淀粉為主要材料的混合顯色填充劑的標識灌注。 9 整理ppt 4. 切片并記錄圖像數(shù)據(jù) u切削機械的選擇 選擇高品質(zhì)的切削銑床和切削刀具，需要設計穩(wěn)固 的機床基座，需要制定和設計靈活的切削工序 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男性的切片間距是0

8、.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 10 整理ppt u圖像采集系統(tǒng)的設計 切片過程中將每一個切片的斷面圖像用圖像采集設 備記錄下來并存放在計算機的存儲系統(tǒng)里。分辨率 和圖像數(shù)據(jù)庫 VHP采用的設備是分辨率為20481216像素的膠卷相機， 總數(shù)據(jù)量男、女分別為15G和43G VKH采用的設備是高分辨率的數(shù)碼相機，總數(shù)據(jù)量為 153.7G。 VCH采用的設備是分辨率為30242016像素的數(shù)碼相機和 同步進行掃描儀，相機得到的總數(shù)據(jù)量男號和女1號分 別為161.6G和149.7G。 11 整理

9、ppt u數(shù)據(jù)后期處理 數(shù)據(jù)集采集完成后，華中科技大學國家光電實驗室、 首都醫(yī)科大學和中科院計算所等單位進行了高分辨 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 儲與共享機制的建立、三維圖像的分割、配準和3D 重建 12 整理ppt u開發(fā)應用回顧 世界各國的應用概況 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。研究和應用數(shù)字化虛擬人 體提供了重要條件 美國華盛頓大學利用VHP數(shù)據(jù)集開發(fā)了計算機人體模擬系統(tǒng) 和數(shù)字解剖學家項目 斯坦福大學開發(fā)了虛擬飛行座艙系統(tǒng)和虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng) 波士頓大學開發(fā)了人腦模型和虛擬耳窺鏡系統(tǒng) 哈佛大學和麻省理工學院共同開發(fā)

10、了全腦圖譜系統(tǒng) 英國的PA咨詢公司與美國的菲西奧姆科學公司合作開發(fā)了 用于新藥測試的虛擬人體系統(tǒng) 13 整理ppt 國內(nèi)的應用概況 清華大學利用VHP數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)了對人體骨絡進行了3D重建， 并應用到本地和遠程的教學中。 第三軍醫(yī)大學應用三維虛擬人進行椎間盤介入術(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)院韓德民教授應用VCH F-1數(shù)據(jù)集對耳鼻喉解剖 結(jié)構(gòu)進行了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)進行分析 和骨小梁數(shù)字信息的篩選 廈門大學王博亮

11、教授構(gòu)建了中國人虛擬眼系統(tǒng) 14 整理ppt 上海交通大學莊天戈教授根據(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，基本實現(xiàn)了腧穴的形態(tài)和細微結(jié)構(gòu)的分割、定義 和體視化 上海中醫(yī)藥大學余安勝教授運用斷層數(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)學圖像處理軟件包（MITK：Medical Imaging Toolkit）實現(xiàn)對醫(yī)學圖像可視化、圖像分割、配準和其它分 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、 臨床解剖學

12、、表面解剖學、局部解剖學和中醫(yī)針灸經(jīng)略穴位等 方面可視化的虛擬人體解剖學軟件 15 整理ppt 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。 美國橡樹嶺國家實驗室于1999年10月提出了關(guān)于實施虛擬人 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規(guī)律性的反應 美國科學家聯(lián)盟提出了 “數(shù)字人體計劃” 實現(xiàn)人體從基因到分子、細胞、組織、器官、系統(tǒng)和全身整 體的全方

13、位模擬； 實現(xiàn)生物信息從離體到活體的連續(xù)提?。?構(gòu)建的有關(guān)虛擬模型、數(shù)據(jù)庫、程序源代碼等軟件資源應廣 為開放等 16 整理ppt 我國學者中國科學院畢思文研究員2002年提出了 “數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學”概念 按照作者的定義，數(shù)字人體的基本含義是借助醫(yī)學科學、 生命科學與信息科學、計算機科學及系統(tǒng)科學等多學科的 高度綜合和交叉融合，對人體系統(tǒng)的定性描述進行定量表 達，以加深對人體系統(tǒng)的全面認識，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” 17 整理ppt 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 取的標準 建立數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的共享機制 加強

14、數(shù)字化虛擬人體應用性的開發(fā)研究 全局數(shù)據(jù)集，人體解剖學局部數(shù)據(jù)集、組織學、細胞 學的數(shù)據(jù)集。南方醫(yī)科大學已完成了13個數(shù)字人的局 部數(shù)據(jù)集 構(gòu)建多學科的科學協(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規(guī)劃 18 整理ppt 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)字化后由計算機網(wǎng) 絡來管理，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)學科學、信息科學、智

15、能科學 和計算科學為理論基礎(chǔ)，建立一系列不同層次的原型、物 質(zhì)模型、生理模型、力學模型、數(shù)學模型、信息模型和計 算機模型，并將這些模型集成為“有生命的”人體系統(tǒng)模 型。 19 整理ppt 畢思文研究員2002年7月在中國醫(yī)藥信息學會第九 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 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 20 整理ppt 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人體系統(tǒng)的隨機性 u人體系統(tǒng)的自組織 u人體