浅谈虚拟人技术.docx

浅谈虚拟人技术生物医学工程是兴起于20 世纪50 年代的一门边缘学科，它是在电子学、微电子学、现代计算机技术，化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械和近代高科技发展的基础上，与医学结合的条件下发展起来的；它综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化【1】。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科。有识之士认为，在新世纪随着自然科学的不断发展，生物医学工程的发展前景不可估量【2】。1.生物医学工程中的虚拟人“虚拟人”是指把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体，可代替真实人体进行实验研究的技术平台。“虚拟人”将从各个角度形成人体数字模型，即将人的动态生物学和物理过程用数学方法进行精确描述，并建立相应的、等效意义上的数字化模型。它的研究目标，是通过人体从微观到宏观结构与机能的数字化、可视化，进而完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能，最终达到人体信息的整体精确模拟。研究者利用来源于自然人的解剖信息和生理信息，集成虚拟的数字化人体信息资源，经计算机模拟构造出虚拟人，可以开展无法在自然人身上进行的一系列诊断与治疗研究。如果用仿生人来得出真人对于诸如药物之类外界作用的反应数据，是需要依赖诸多的仪器；而用真实人体切片得来数字化虚拟人的数据这里所说的“虚拟人（Visual Human）”，并不是互联网上的那种虚拟主持人，而是通过数字技术模拟真实的人体器官而合成的三维模型。这种模型不仅具有人体外形以及肝脏、心脏、肾脏等各个器官的外貌，而且具备各器官的新陈代谢机能，能较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化。用电脑制作“虚拟人”，最关键的环节是采集各种人体数据。首先需要确定出一个理想的人体样本，然后经过尸体解剖、拍照、分析，再将数据输入电脑进行合成，从而制成一个完整的立体人类生理结构。 这项研究工作，由美国最先进行。他们于年提出了“可视虚拟人”的概念，并于年制成了世界第一具男性“虚拟人”。年，又通过对一具女尸的解剖，在电脑中储存了高达的数据，从而形成了数字化的女性“虚拟人”。现在，美国正在制造第二代有物理性能的“虚拟人”和第三代有生理功能的“虚拟人”。韩国从年开始进行“虚拟人”的研究，计划利用年时间建立具有东方人特征的数据库。我国对“虚拟人”的研究，在年正式列入高新技术发展计划中。2003年2月18日17时18分，我国首例女性虚拟人数据集在位于广州市的解放军第一军医大学构建成功，这标志着继美国、韩国后，中国成为世界上第三个拥有本国虚拟人数据库的国家。 所谓计算机虚拟人是完全由计算机生成的模仿现实真人行为和动作的三维图形实体【3】，虚拟人可作为真人的代替者对用计算机辅助设计的产品，如车辆、工作区域、机器工具、装配线等在实际构造前进行人类工效学的评估；在真人无法到达的环境中进行各种紧密的，甚至危险的实验，在军事上代替真人接受各种训练；在医学上代替真人接受一些矫形手术；在航空航天上代替真人从事太空作业；在娱乐领域开发情节逼真的三维游戏；在电视节目中担任虚拟节目主持人等。虽然对虚拟人的研究早在20世纪80年代已经开始，但事先与当时的技术及硬件水平，虚拟人的几何模型比较简单，也未考虑虚拟人的智能行为，虚拟人技术是构造IVE的核心内容。近年来，计算机虚拟人技术正在吸收人工生命和人工智能的研究成果，并取得了一些初步的研究成果，预示了广泛的应用前景。 从20世纪80年代末以来，虚拟人技术发展的很快。一个典型的系统就是美国宾夕法尼亚大学（Pennsylvanta）开发的著名的虚拟人动画软件Jack【4】，该软件旨在能解决工业工程领域中的人机工效仿真，Jack采用的是一个多边形模型，具有刚性的分段，精确的关节运动和约束。Jack中的应以人具一定的智能性，可惜缺乏个性，他们开发了参数行为表示PAR(Parameterized Action Representation)虚拟人在中要实现逼真的运动，要解决身体运动的平衡控制，即使虚拟人的质心投影在支撑点所确定的支撑区域内，为此需要建立相应的平衡控制算法，实质上可以归结为约束优化问题【5】。 2.虚拟人医学价值研制“虚拟人”的目的，是为医学或其他学科的研究提供更为精致的演示条件。比如，研究手术方案或试验新型药物，都可以让“虚拟人”来充当试验者。美国某研究所的研究人员，为了测试一种治疗糖尿病新药的疗效，他们首先操控计算机让“虚拟人”患上糖尿病，这个过程很简单，只是用鼠标进行点击，就“切除”了“虚拟人”的胰腺或其它器官，并让“虚拟人”的体重发生变化，几秒钟后一个健康的“虚拟人”就能变成一位糖尿病患者。然后，研究人员将试用新药的数据输入计算机，不断观察“虚拟病人”的反应，调整用药剂量和用药方法，最终得出结论。这种方法至少能为研究人员节省年的时间。现在，除了用于开发糖尿病的新药以外，研究人员还在尝试用“虚拟人”对治疗风湿性关节炎、哮喘病等其它新药进行测试。有利于培养优秀外科医生。过去要培养一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式的反复实践，在病人身上练习操作技术。现在有了虚拟人，就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考。有了“虚拟可视人”，人们可以事先准确模拟各种复杂的外科手术、美容手术，以及预测术后的效果，可以利用“数字化虚拟人”这一实验平台，进行人造器官的研究、设计，改进和创新手术器械。在国防医学上它的效果也是显而易见的。比如说原子弹爆炸，原来我们都是在离爆炸地点2或3公里的地方放一群狗或者其它什么生物，炸完后通过看对生物的损伤来推测对人体的损伤，这是不人道的。有了虚拟人就可以通过对虚拟人损伤的判断来推测对人类的损伤。3我国虚拟人发展2001年11月，虚拟人研究被列入国家高技术研究发展计划“863”项目，由中国科学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第一军医大学等协作攻关，第一军医大学承担人体建模的数据采集。在第一军医大学钟世镇教授的带领下，经过1年多刻苦攻关，有针对性地解决了一系列与人体建模有关的关键性技术。按照香山会议确定的计划，我国虚拟人的切片厚度精确到0.1毫米（美国男女虚拟人分别是1.0、0.33毫米），并提出了新的设计和组装方案。与美国和韩国的“虚拟人”相比，中国将放弃对标本原型的卧姿固定切削，改为立姿固定切削。研究人员先拿一个西瓜“试刀”，将其切成薄薄的细片，见识了刀具的“软功”；再对新西兰大白兔进行切片试验，结果发现当兔子被急冻冷藏后肢体僵硬，切片效果不错，甚至可以达到0.02毫米的切削间距精度，这意味着人体的切片可以由预期的16600片增加到83000片。但由于受到计算机储存和运算能力的限制，研究小组决定还是按原计划的厚度切削。我国首个女虚拟人（“中国虚拟人号”）原型是一位身高1.56米的19岁少女，广西人。去年在广东因误食毒蘑菇而急性死亡。专家们认为虽然她不是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，生殖器官功能完全，是一个条件很不错的标本。我国虚拟人标本的切削，采用的是直立式。美国、韩国都采用躺卧式，造成了标本的头部、背部、臀部和腿部等被压成扁平失真状态。我国科学家克服直立式切割带来的不便，保证了人体建模接近正常人体形态。2003年2月18日17时18分，我国首例女性虚拟人数据集在第一军医大学构建成功。标本原型在零下70摄氏度冷冻后横向切成8556片，每片厚度为0.2毫米。此时国人万分激动，中国首位女虚拟人诞生指日可待。确切地说，虚拟人的数据集的建立还只是万里长征的开始，虚拟人的诞生还有赖于数据库的建立。2003年3月3日，研究小组向外界宣布，具有中国人生理特性的女虚拟人初步完成了三维重建。罗述谦教授领导的研究小组根据第一军医大学拍摄下的人体切片数字图片，将这些断层数据通过专门的三维软件进行信息化处理，在电脑中组建出三维人体图像。这项工作更能体现虚拟人研究的特点生物学与信息技术的紧密结合。这里完全没有了前期工作的“刀光血影”，研究人员更像是三维图像的工作者，他们个个是医学专家，同时又精通信息技术。在这些“多面手”的昼夜奋战下，女虚拟人已经恢复了皮肤、外观、骨骼、盆腔、卵巢的建构。罗教授介绍说，将来女虚拟人的肌肉、五脏六腑等主要器官都会逐渐恢复。预计在5月份，有关数据还将在互联网上公布。中国的虚拟人计划在短短一年多的时间里完成了国外三四年走的历程。不过这些还远远不够，中国虚拟人计划还不能画上句号。虚拟人分为“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生物人”三个阶段。目前，我国仅仅是踏出了“虚拟可视人”的第一步通过完成数据集建立，在电脑里构建出一个三维立体的彩色虚拟人体。参考文献：【1】医院生物医学工程的发展和创新 高原，刘洪运，张政波。解放军总医院 医学保障部， 北京100853。【2】浅谈生物医学工程的现状及前景 胡兴斌。解放军第91 医院【3】Badler,N.Phillips,C,and Webber,B.Simulating Humans:Computer Graphics Animation and Control.New York:Oxford University Press,1993。【4】