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，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)。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3D重建技術，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”兩個階段數(shù)字化虛擬人體研究的意義 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，制定手術方案，對患者的數(shù)字化虛擬人體實施仿真模擬手術 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

3、要意義 計算機虛擬技術、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，國家高新技術研究發(fā)展計劃（863計劃）決定將“數(shù)字化虛擬人體若干關鍵技術”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。 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)集數(shù)據(jù)集采集的基本方法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“

6、典型標準”人體標本。 年齡和健康兩個基本的標準化指標。美國VHP男性標本是39歲，且生前曾因病手術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病；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)學教學和科學研究數(shù)據(jù)集采集的基本方法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

7、描。掃描的時間應盡可能縮短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，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。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

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43GVKH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。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6.3 數(shù)字化虛擬人體的開發(fā)應用和發(fā)展策略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)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)應用開發(fā)應用回顧回顧（續(xù)）（續(xù)）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進行腦部腫瘤的虛擬切除手術的研究北京同仁醫(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教授構(gòu)建了中國人虛擬眼

11、系統(tǒng)開發(fā)應用回顧（續(xù)）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公司開發(fā)了一個內(nèi)容涵蓋人體解剖學、臨床解剖學、表面解剖學、局部解剖學和中醫(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。 美國橡樹嶺國家實驗室于1999年10月提出了關于實施虛擬人體創(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

13、關虛擬模型、數(shù)據(jù)庫、程序源代碼等軟件資源應廣為開放等發(fā)展前景及其策略探討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”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)集獲取的標準 建立數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的共享機制 加強數(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

14、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6.4 關于數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學 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、智能科學和計算科學為理論基礎，建立一系列不同層次的原型、物質(zhì)模型、生理模型、

15、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。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)容包含基礎理論與模型、技術處理、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)容主要關注的是人體標本的選擇和處理、人體切片信息的技術處理和人體數(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