數(shù)字虛擬人的研究與應(yīng)用資料

1、數(shù)字(shz)虛擬人的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)(jch)醫(yī)學(xué)院解剖學(xué)教研室 1共四十一頁(yè)什么(shn me)是數(shù)字虛擬人？數(shù)字虛擬人簡(jiǎn)稱“數(shù)字人”或“虛擬人”目的:更加準(zhǔn)確的描述(mio sh)和研究人體自身形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化功能指標(biāo)，做到人體從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)與機(jī)能的數(shù)字化、可視化，進(jìn)而完整的描述(mio sh)基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織以及器官的形態(tài)與功能，最終達(dá)到人體信息的最終整合。為醫(yī)學(xué)其他學(xué)科的研究提供更為精致的演示條件。技術(shù)關(guān)鍵為采集各種人體數(shù)據(jù)。2共四十一頁(yè) 什么是虛擬人 ？ 數(shù)字化可視人是人們將人體的成千上萬(wàn)個(gè)斷面數(shù)據(jù)信息采集后通過(guò)計(jì)算機(jī)整合重新構(gòu)建成人體三維立體結(jié)構(gòu)模型及圖像（亦有稱其為虛

2、擬人），并可據(jù)此構(gòu)建與人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、信息相關(guān)的研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為與人類相關(guān)的醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)及工業(yè)、軍事等多種學(xué)科領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。 將人尸體冷凍后，用精密切削刀將尸體橫向切成mm級(jí)薄片，對(duì)切面拍照(pi zho)、分析，將數(shù)據(jù)輸入電腦，由電腦合成三維人體生理結(jié)構(gòu)。再將數(shù)據(jù)、生物物理和其他模型以及高級(jí)計(jì)算法整合成一個(gè)研究環(huán)境，在這種環(huán)境中觀察人體對(duì)外界刺激的反應(yīng)。 “虛擬人”沒(méi)有感覺和思想，但他們的生物數(shù)據(jù)和人相同，主要用于開展無(wú)法在自然人身上進(jìn)行的一系列醫(yī)療診斷與治療研究。3共四十一頁(yè)-4-技術(shù)(jsh)關(guān)鍵 采集各種人體(rnt)數(shù)據(jù)對(duì)真人尸體從頭到腳作高精細(xì)水平斷層處理采

3、集全部的數(shù)字高清圖像用大型計(jì)算機(jī)處理得到數(shù)字化虛擬人體4共四十一頁(yè)由美國(guó)最先進(jìn)行。他們于年提出(t ch)了“可視虛擬人”的概念，并于年制成了世界第一具男性“虛擬人” 我國(guó)對(duì)“虛擬人”的研究，在年正式列入高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃 5共四十一頁(yè)“數(shù)字化虛擬人”研究是一項(xiàng)信息醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科相互交叉、綜合發(fā)展起來(lái)的前沿性交叉學(xué)科?！皵?shù)字化虛擬人”由美國(guó)科學(xué)家于20世紀(jì)末提出，并率先進(jìn)行研究。他們于年提出了“可視虛擬人”的概念，并于年制成了世界第一具男性“虛擬人”。此后，世界許多國(guó)家都予以高度重視，特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直積極醞釀，或啟動(dòng)專項(xiàng)研究計(jì)劃。 “數(shù)字化虛擬人”包括“虛擬可視人”、“虛

4、擬物理人”和“虛擬生物人”三個(gè)階段。具有幾何圖型有視覺效果為“虛擬可視人”也稱“虛擬解剖人”；附加物理化學(xué)信息的為“虛擬物理人”；而附加人體各種生物信息的，則為“虛擬生物人”。目前，一些(yxi)發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到了“虛擬可視人”階段，即獲取了“虛擬可視人”幾何圖像信息。而對(duì)“虛擬物理人”和“虛擬生物人”的研究和探討，僅處于起步階段。數(shù)字(shz)虛擬人的研究狀況6共四十一頁(yè)7共四十一頁(yè) 他們將一具男性和一具女性尸體從頭到腳做 CT掃描和核磁共振掃描。然后將尸體填充藍(lán)色乳膠并裹以明膠后冰凍至攝氏零下80 度，再以同樣的間距對(duì)尸體作組織切片的數(shù)碼相機(jī)(sh m xin j)攝影。分辨率為2048 1

5、216。所得數(shù)據(jù)共56GB（男13GB，女43GB）。全球用戶在與美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館簽訂使用協(xié)議并付少量費(fèi)用后,即可獲得這一龐大的數(shù)據(jù),用于教學(xué)和科學(xué)研究。8共四十一頁(yè)美國(guó)(mi u)的計(jì)劃 美國(guó)(mi u)男性數(shù)字化人9共四十一頁(yè)10共四十一頁(yè)11共四十一頁(yè)的缺點(diǎn)(qudin)：1. 西方人種的人體器官的形狀和大小(dxio)和東方人種有所不同。2. 像素低，僅有.mm，小于其的結(jié)構(gòu)無(wú)法展示，不利于構(gòu)建，得到數(shù)據(jù)不太實(shí)用12共四十一頁(yè)VHP數(shù)字化虛擬人的標(biāo)本原體的健康狀況有缺陷。例如：VHP男性標(biāo)本在15歲時(shí)曾做右側(cè)睪丸切除，21歲時(shí)曾做闌尾切除，38歲時(shí)第14號(hào)牙齒被拔除。女性已經(jīng)是59歲

6、高齡，死于突發(fā)(t f)心臟病，生殖系統(tǒng)萎縮。VHP男性尸體灌注了36公斤低濃度防腐劑，造成標(biāo)本嚴(yán)重浮腫性失真并且失去了新鮮尸體應(yīng)有的色澤。VHP數(shù)據(jù)集獲取使用的數(shù)碼相機(jī)的分辨率已經(jīng)大大落后于今天的數(shù)碼技術(shù)。韓國(guó)可視人計(jì)劃力圖克服這些缺點(diǎn)，取得一些成效，但是一些關(guān)鍵的難題沒(méi)有突破。的缺點(diǎn)(qudin)：13共四十一頁(yè)14共四十一頁(yè)“可視韓國(guó)(hn u)人”(VHK)計(jì)劃 VHK計(jì)劃是在2000年，由韓國(guó)Ajou大學(xué)和韓國(guó)科技情報(bào)研究院共同承擔(dān)研究的，在沒(méi)有信息損失及組織切片(qi pin)為0.2間距的條件下完成CT、MRI掃描及切片數(shù)據(jù)的獲取。 其獲得的第一具人體數(shù)據(jù)量為210GB，是世界上

7、第二例嘗試。也是第一例有關(guān)東方人種特征的人體數(shù)據(jù)采集。 VHK雖然解決了標(biāo)本處理和數(shù)據(jù)完整性的問(wèn)題，但標(biāo)本為歲患腦腫瘤的老人，并且對(duì)于血管的顯示還是沒(méi)有解決。 15共四十一頁(yè) 目前，獲取“數(shù)字化虛擬人”一般采用(ciyng)的是人工斷層解剖學(xué)的方法，只能經(jīng)過(guò)對(duì)正常、健康尸體的嚴(yán)格篩選，通過(guò)高精度切削，獲取解剖形態(tài)學(xué)信息。 先要選取一具尸體，將人體切成非常薄的切片，每切一次片，都會(huì)利用數(shù)碼相機(jī)和掃描儀對(duì)已切片的切面進(jìn)行拍照、分析，之后將數(shù)據(jù)輸入電腦，最后由電腦合成三維的立體人類生理結(jié)構(gòu)。 “中國(guó)虛擬人號(hào)”是國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目之一，由中國(guó)科學(xué)院、首都醫(yī)科大學(xué)、華中科技大學(xué)和解放軍第一軍醫(yī)大學(xué)協(xié)

8、作攻關(guān)。 16共四十一頁(yè)中 國(guó) 虛 擬 人 虛擬人體的研究(ynji)涉及到解剖學(xué)，精加工，光學(xué)，信息科學(xué)等一系列學(xué)科。中國(guó)(zhn u)虛擬人計(jì)劃應(yīng)時(shí)而生 2001年11月以“中國(guó)數(shù)字化虛擬人體的科技問(wèn)題”為主題的香山科學(xué)會(huì)議召開。會(huì)后，“數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)”和“數(shù)字化虛擬中國(guó)人的數(shù)據(jù)集構(gòu)與海量數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”兩項(xiàng)課題相繼列入國(guó)家863項(xiàng)目，由中科院計(jì)算所（李華研究員）、首都醫(yī)科大學(xué)（羅述謙教授）、華中科技大學(xué)和第一軍醫(yī)大學(xué)（鐘世鎮(zhèn)院士）等4家單位協(xié)作攻關(guān)。香山會(huì)議的重大決定17共四十一頁(yè)背景資料：原型是一位身高1.56米的19歲 少女，廣西人,2002年在廣東因誤食毒蘑菇急性死亡。完成

9、時(shí)間：2003年2月18日 地 點(diǎn)：第一軍醫(yī)大學(xué)完成虛擬人數(shù)據(jù)集構(gòu)建 ；首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系完成了三維數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。切片數(shù)：8556切片厚度：0.2mm特點(diǎn)：直立式 斷層顯示(xinsh)細(xì)微動(dòng)脈 數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到149.7GB 中國(guó)(zhn u)女虛擬人（ 號(hào)）18共四十一頁(yè)虛 擬 人中國(guó)首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集于2003年2月18日17時(shí)18分在廣州第一軍醫(yī)大學(xué)構(gòu)建成功。這標(biāo)志著我國(guó)在完成數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)之后，建立了有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)虛擬人數(shù)字平臺(tái)，為開發(fā)各種用途的軟件和參與國(guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)搶占了應(yīng)有的地位。 “中國(guó)虛擬人2號(hào)”為女性，是我國(guó)首個(gè)女虛擬人。據(jù)介紹，該虛

10、擬人的數(shù)據(jù)采集者年齡為19歲，身高1.56米，是廣西人，去年在廣東因食物中毒而急性死亡。鐘世鎮(zhèn)院士認(rèn)為雖然她不是一個(gè)健康人，但由于是急性死亡，骨骼身體結(jié)構(gòu)保持完好，加上年紀(jì)很輕，是一個(gè)條件很不錯(cuò)的標(biāo)本。 切片斷面僅0.2毫米，共切片8556片。19共四十一頁(yè)中國(guó)(zhn u)男虛擬人（號(hào) ） 背景資料：28歲的湖南籍漢族健康男子，高1.66米，體重58公斤，沒(méi)有任何傳染病和代謝疾病，具有健康中國(guó)人的代表性。 2002年4月死亡。自愿捐獻(xiàn)尸體。 完成時(shí)間：2005年8月 地 點(diǎn)：廣州南方醫(yī)科大學(xué)（第一軍醫(yī)大學(xué)）完成虛擬人數(shù)據(jù)集構(gòu)建。 切片數(shù)：9215切片厚度：約0.2mm(分辨率最高 )特點(diǎn)：直

11、立式 靜脈(jngmi)和動(dòng)脈血管區(qū)分 斷層顯示細(xì)微動(dòng)脈 數(shù)據(jù)量最大（540GB ） 20共四十一頁(yè)特點(diǎn)2特點(diǎn)1特點(diǎn)3分辨率高，標(biāo)本骨髓內(nèi)部結(jié)構(gòu)、小血管(xugun)都能辨認(rèn) 血管灌注技術(shù)(jsh)高，使最終的模型擁有豐富的微小血管所選人體具有高保真性中國(guó)特色21共四十一頁(yè)22共四十一頁(yè)23共四十一頁(yè) 中國(guó)數(shù)字人解剖系統(tǒng)建立了人體解剖學(xué)2800多個(gè)人體結(jié)構(gòu)(jigu)的三維結(jié)構(gòu)(jigu)模型(男性人體2300個(gè)，女性人體500多個(gè))。經(jīng)中國(guó)解剖學(xué)會(huì)鑒定：結(jié)構(gòu)模型精準(zhǔn)、完整，表面紋理真實(shí)；合成后的矢狀面和冠狀面結(jié)構(gòu)圖像清晰；目錄和結(jié)構(gòu)操作方便，并能進(jìn)行雙屏顯示和立體顯示，是目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有唯一擁

12、有中國(guó)人人體特征的完整數(shù)字人解剖系統(tǒng)。24共四十一頁(yè)25共四十一頁(yè) 增加了解剖結(jié)構(gòu)的說(shuō)明文件和關(guān)鍵點(diǎn)的標(biāo)注，對(duì)于學(xué)生(xu sheng)自學(xué)會(huì)起到很大的作用。 26共四十一頁(yè) 斷面顯示功能是將人體從橫、矢、冠（即上下、前后、左右）三個(gè)方向進(jìn)行切割，形成均勻的斷面展示(zhnsh)人體。 斷面的層間距最大為1mm，能夠任意放大與縮小，分辨率為0.167mm0.167mm/像素。 27共四十一頁(yè)28共四十一頁(yè)虛 擬 人 的 用 處 一、醫(yī)學(xué)參考：有利于培養(yǎng)優(yōu)秀外科醫(yī)生。以往要想成為一個(gè)手到病除、技藝高超的外科醫(yī)生，都要通過(guò)師傅帶徒弟式的反復(fù)實(shí)踐，在病人身上練習(xí)操作技術(shù)，現(xiàn)在有了虛擬人，就可以在電腦

13、操縱的虛擬人體模型上培訓(xùn)外科醫(yī)生。在動(dòng)手術(shù)之前，也可以先在虛擬人的身上開刀，電腦上會(huì)顯示刀口斷層及組織斷面，為醫(yī)生制訂術(shù)前計(jì)劃提供科學(xué)參考。二、藥理實(shí)驗(yàn)：有了虛擬人，醫(yī)生和制藥公司就可以先在與病人身體數(shù)據(jù)一模一樣的虛擬人身上試驗(yàn)新藥(xn yo)，醫(yī)生可以先將藥物影響數(shù)據(jù)輸入電腦，讓“虛擬病人”先試“吃”一下，電腦里的“虛擬病人”會(huì)顯示服藥后的生理反應(yīng)，從而協(xié)助醫(yī)生對(duì)癥下藥。這種方法可以提高用藥準(zhǔn)確性和研制新藥(xn yo)及新藥(xn yo)上市的效率。相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在美國(guó)開展。29共四十一頁(yè)30共四十一頁(yè) 直觀的為學(xué)生創(chuàng)建人體器官的空間結(jié)構(gòu)，將教學(xué)中某些難于講述的復(fù)雜的宏觀與微觀的內(nèi)容，生動(dòng)

14、地展現(xiàn)給學(xué)生。幫助學(xué)生在頭腦(tuno)中構(gòu)建復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)。 31共四十一頁(yè) 虛 擬 人32共四十一頁(yè)VH Dissector可視化人體(rnt)教學(xué)軟件 33共四十一頁(yè)34共四十一頁(yè)35共四十一頁(yè)36共四十一頁(yè)37共四十一頁(yè)VH Dissector可視化人體(rnt)教學(xué)軟件 美國(guó)科羅拉多大學(xué)與美國(guó)Touch of Life技術(shù)公司共同設(shè)計(jì)開發(fā)的VH Dissector軟件最受醫(yī)學(xué)院用戶的青睞，并已推出VH Dissector 5.0中文版。該軟件是建立在連續(xù)人體斷層數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)人體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建而研制。它有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)信息完整，該軟件由1877個(gè)連續(xù)人體斷面

15、（每個(gè)斷面厚度1mm），能涵蓋人體所有的解剖結(jié)構(gòu)；（2）設(shè)計(jì)編排巧妙，能方便地觀察全身任何一個(gè)器官的形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、在人體中的位置以及斷層中的位置，并且可以做任意角度的旋轉(zhuǎn)(xunzhun)觀察，可用于系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)、斷層解剖學(xué)、顯微外科解剖學(xué)、口腔解剖學(xué)、放射解剖學(xué)、以及運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)等多門課程的教學(xué)；（3）有利于學(xué)生對(duì)人體的局部與整體之間關(guān)系的比較認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)；（4）所有解剖結(jié)構(gòu)名詞都有中英文對(duì)照，還有標(biāo)準(zhǔn)美語(yǔ)發(fā)音，便于學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)的英文詞匯，有利于雙語(yǔ)教學(xué)；（5）教師可以根據(jù)課程需要隨機(jī)選取任意結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自動(dòng)生成授課軟件，方便教師備課和教學(xué)；（6

16、）軟件操作簡(jiǎn)便，界面清楚，易于掌握和使用。（7）可重復(fù)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行解剖操作，節(jié)省了大量的資源。38共四十一頁(yè) 雖然針灸、經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)沒(méi)有得到形態(tài)學(xué)驗(yàn)證。但療效不可否認(rèn)。虛擬人體計(jì)劃(jhu)將使中醫(yī)經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)的研究通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)加以虛擬表達(dá)。 該系列軟件全面匯集了人體所有系統(tǒng)和器官的高精度三維數(shù)字解剖模型。針對(duì)中醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)的要求,最新增加了3D針灸穴位的解剖模型，是完整、精準(zhǔn)的解剖學(xué)數(shù)字圖像庫(kù)。在教學(xué)中完整地?cái)鄬訄D片以及完整的人體結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)生建對(duì)立人體整體形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知提供了可能。 39共四十一頁(yè)三、軍事應(yīng)用：虛擬人在軍事醫(yī)學(xué)上也很有價(jià)值。比如，可以用虛擬人來(lái)試驗(yàn)核武器、化學(xué)武器、生物武器的威力。

17、現(xiàn)在的核爆炸試驗(yàn)都是利用動(dòng)物進(jìn)行。試驗(yàn)前在離核爆中心的不同距離放置動(dòng)物，核爆后再把動(dòng)物收回來(lái)檢驗(yàn)。有了虛擬人就可以直接拿她來(lái)做試驗(yàn)。四、腫瘤治療：放射治療是目前治療腫瘤疾病的一個(gè)重要手段，但由于現(xiàn)在做放射治療的醫(yī)生只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行輻射量的調(diào)節(jié)，病人往往擔(dān)心在此過(guò)程中受到過(guò)量(guling)的輻射?，F(xiàn)在有了虛擬人，醫(yī)生就可以先對(duì)虛擬人作放射治療，通過(guò)其身體的變化來(lái)測(cè)定實(shí)際輻射量的使用，最后再用到真正的病人身上。這樣就進(jìn)一步提高了治療的安全性。 五、其他領(lǐng)域：如航空航天中使用虛擬人體以獲得空間運(yùn)行條件下的各種生理信息。體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中使用虛擬人對(duì)冠軍運(yùn)動(dòng)員爆發(fā)瞬間肌肉骨骼狀態(tài)的研究，可對(duì)教練員訓(xùn)練隊(duì)員提供科學(xué)指導(dǎo)。舞蹈編排、體育仿真、娛樂(lè)與傳媒業(yè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)與展示、汽車實(shí)驗(yàn)等與人體直接相關(guān)的領(lǐng)域。40共四十一頁(yè)內(nèi)容摘要數(shù)字虛擬人的研究與應(yīng)用。為醫(yī)學(xué)其他學(xué)科的研究提供更為精致的演示條件。我國(guó)