数字化虚拟人体研究现状和展望.docx

院士论坛(本文编辑 李恩江 曾 星)编者按 最近 ,许多新闻媒体报道了我国首例女“虚拟人”问世的消息 ,医学界对此十分关心 ,同时也存有好 奇与不解。虚拟人究竟是怎么回事 ? 它有何用途 ? 针对这些疑惑与不解 ,我们特邀请第一军医大学临床解剖学 研究所所长、中国工程院院士钟世镇教授为本刊撰写专稿 数字化虚拟人体研究现状和展望 ,从科学学术领 域介绍“数字化虚拟人体”(简称“虚拟人”) 这个较新的学术名词及其科学含义和来历 ,以及在医学和其他学科领 域中的应用前景。数 字 化 虚 拟 人 体 研 究 现 状 和 展 望510515 广州 第一军医大学临床解剖学研究所 钟世镇摘 要 “数字化虚拟人体”还是较新的学术名词 ,有必要说明其科学含义及其历 史概况、研究现状和今后发展前景。美国的可视人计划 (VHP) 已经取得显著的效益 ,并 且向虚拟物理人和虚拟生理人研究领域深入发展。人体的可视化、虚拟化和可控化 ,是 生命科学与信息科学相结合的前沿性科技领域 ,其深奥的理论有待探索 ,广泛的用途有 待开发 ,对医学有更重大的意义。北京 2001 年第 174 次香山科学会议 ,揭开了我国数字 化虚拟人体研究的序幕 ,早期的人体切片数据集构建工作进展较快 ,已有 4 个数据集的 初步报道 ;后续的图形图像处理和虚拟现实技术等正在开展。今后的工作应注意以质 量为主 ,要有应用开发的针对性。关键词 数字化虚拟人体 ;可视人计划 ;虚拟中国人中国图书资料分类号 R3222331 ;Q81118ACTUALITIES AND PROSPECTS OF RESEARCH ON DIGITIZED VIR2 TUAL HUMANZhong Shizhen. Institute of Clinical Anatomy , First Military Medical University , Guangzhou 510515 , ChinaAbstract Digitized Virtual Human is a new scientific name for most of us , so it is neces2sary to elucidate its scientific meanings , general situation , research actuality and future prospect. Remarkable benefits have been obtained from Visible Human Project (VHP) in the United States of America , and it has progressed into the research field concerning virtual physical human and physiome. It is a cutting edge scientific field combining life science and information technology inresearch on visible , virtual and controllable human body. There is an immense amount of indepth theories and technologies to be explored be2钟世镇 ,中国 工程院院士 ,博士 生导师 , 教授 , 第 一军医大学临床 解剖学研究所所 长、全军医学生物 力学重点实验室 主任、广东省创伤 救治科研中心主 任、广东省组织构 建与检测重点实 验室主任。主要从事临床应用解剖学研究工作 ,曾获国家科技进 步二等奖 4 项、全军医疗成果一等奖 1 项、国家 教委科技进步一等奖 1 项 ,被授予全国优秀教 师、全国高校先进科技工作者、全军科技先进个 人、总后勤部科技一代名师等荣誉称号。招收和 培养博士生 56 名、博士后 6 名 ,已发表论文 140 多篇 ,主编专著 18 部。担任过的主要学术职务 有 :中国解剖学会名誉理事长 ,中国解剖学会解 剖学专业委员会主任委员 ,中国神经伤残研究会 副理事长 ,全军医学科委会副主任委员 ,全军解 剖与组织胚胎学专业委员会主任委员, 中国临 床解剖学杂志主编, 中国显微外科杂志副总 编辑, Journal Clinical Anatomy主编, Surgical Ra2 diological Anatomy助理主编等。fore it is practically mature. Whereas it is very valuable for medical research. Problems in regard to Virtual Chinese Human (VCH) were discussed in174th Xiang Shan Scientific Conference which was held in 2001 , and then the research on VCH formally inargurated in China. The research project has been in rapid progress , and up to now , there are already four datasets reported in our country since then. Image processing and virtual reality technology applied in Visible Human have been in sound development. In the future research , we should pay attention to the quality of dataset and the pertinence of application.Key words digitized virtual human ; visible human project ; virtual Chinese human“虚拟人体”这个较新的学术名词 ,经过新闻媒体介绍 ,加了一些不够准确的渲染 ,近期曾引起不少似是而非的议 论 ,有些还属于猜测性的误导。为此 ,有必要从学术角度加以澄清 ,说明这个新事物的来龙去脉 ,了解其历史概况、研 究现状和今后的发展前景。1 数字化虚拟人体的科学含义数字化虚拟人体是指将人体结构数字化 ,通过计算机技术和图像处理技术 ,在电脑屏幕上出现一个看似真实的模国家高技术研究发展(863) 计划基金(编号 2001AA231031、2002AA231021) 和广东省科技重点基金(编号 2002B30611) 资助课题 拟人体 ,再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化 ,由信息科学家将其转变为电脑的语言符号 ,赋加到这个人体 形态框架上 ,经过虚拟现实技术的交叉融合 ,通过操作者的调控 ,这个“虚拟人”将能模仿真人做出各种各样的反应。 若设置有声音和力反馈的装置 ,还可以提供视、听、触等直观而又自然的实时感。按照上述数字化虚拟人体所包含的内容“, 虚拟人”这个名词 ,需要经历 4 个发展阶段 ,即“虚拟可视人”“、虚拟物 理人”“、虚拟生理人”和“虚拟智能人”,这 4 个阶段不一定截然分开 ,各阶段的内容也可能交叉重叠。在“虚拟可视人” 阶段 ,电脑屏幕上见到的仅是人体的形态结构 ,经过计算机技术处理 ,虽然可以分割为不同的系统或器官 ,也可以剖视 为不同的切面或层次 ,但是这一阶段的人体还没有任何功能性的反应 ,因此也可称之为“虚拟解剖人”或“虚拟几何 人”,仅是具有人的形态结构而已。只有借助信息科学的高超技术 ,不断地将人体的物理性、生理性和智能性参数加以 数字化 ,赋加在可视人的框架以后 ,才有“虚拟人”的功能。目前 ,我国在这个领域的研究实况 ,只是迈出最初阶段的第 一步 ,仅仅在“虚拟解剖人”方面构建了一部分数据库 ,为后续的研究提供了初步资料。因此 ,媒体披露“中国虚拟人面 世”的报道还言过其实 ,相距甚远 ,我国在后续的三部分研究工作方面尚处于开始启动状态。由于数字化虚拟人体具 有广泛的应用前景 ,可用于医学、航天航空、国防、汽车、建筑、家具、服装、影视、广告制作、体育运动等与人直接相关的 领域 ,故引起了各行各业的重视 ,在初步提供的“虚拟解剖人”数据集基础上 ,已有许多数字医学、计算医学、生物医学 工程学、医学图形图像学、计算机学、虚拟现实技术学、可视化与图像学等科研单位开展后续的研究工作。数字化虚拟 人体在医学科学领域 ,有重大的开发应用前景。因此 ,任重道远 ,方兴未艾 ,我国医学界在这个学术领域 ,也掀起了一 个研究高潮。2 国外的可视人研究概况1989 年美国国立医学图书馆(NLM) 意图建立一个医学图像库 ,以提供生物医学文献的图像检索系统。此项计划 称为“可视人计划”(Visible Human Project , VHP) ,由 Colorado 大学的健康科学中心承担人体断面图像的获取工作 ,于 1994 年和 1996 年获得了一男一女两组包括 CT、MRI 和切片图像的数据集13 。由于 CT 和 MRI 受到断面精度和灰色 成像的限制 ,后续向“虚拟人”发展的基础框架则以切片图像数据集为主。这套由 VHP 在国际上发行并被广泛应用的 VHP 切片图像数据集 ,男性切片间距为 110mm ,共有 1 878 个横断面 ,在电脑存储的数据量 15GB ;女性切片间距为 0133mm ,共有 5 190 个断面 ,数据量为 43GB 。继美国 VHP 之后 ,韩国亚洲大学医学院在韩国科技信息研究院的资助下 ,提出一个准备在 5 年内完成 5 具尸体切割任务的“可视韩国人计划”(Visible Korean Human ,VKH) ,于 2000 年报道了其中第 1 例男性尸体的切片工作 ,其切片 间距为 0. 2mm ,共有8 590个断面 ,数据量为 153. 7GB4 。3 国际上的应用状况及相关设想3. 1 VHP 在国际上的应用概况 由于人体结构的形态学是数字化人体必须具备的框架 ,VHP 数据集很快就在国际上 大量发行 ,在英国、意大利、新加坡和日本等地建立了 VHP 镜像站点。在应用了巨型计算机以后 ,使数据处理和三维 重构的时间大为缩短。VHP 项目的社会效益和经济都很巨大 ,已经陆续推出各种级别的数据集和数字解剖图谱产品。 例如由美国金标准多媒体公司在 2 年时间内开发的18 000个文字标签解剖结构图谱 ,其售价曾高达 315 万美元。VHP 的立项 ,推动了医学基础和临床许多领域的发展。从 1996 年始 ,定期的可视人国际会议每 2 年举行一次 ,已经连续举办了 3 届。目前利用 VHP 数据集进行研究开 发的著名单位有美国航天航空生物计算中心、哈佛大学 (全脑图谱以及外科手术规划) 、斯坦福大学 (虚拟飞行座舱和 虚拟内窥镜) 、汉堡大学(Voxel2Man 系统) 、波士顿地区的几个实验室和科研中心 (脑模型和虚拟耳窥镜) 、华盛顿大学 (数字解剖学家项目) 及日本札幌大学等5 。美国华裔科学家徐榭博士 ,在仁斯理尔理工大学虚拟仿真的成年男子全 身模型 Visible Photographic Man(VIP2Man) ,所构建的模型包含了约 34 亿个体元 ,每一个体元大小为 0133mm 0133mm 1mm ,是目前世界上最精细的全身人体解剖模型 ,并把这种高精度的三维人体与光子、电子、中子和原子辐射模型功能 相结合。VIP2Man 能分割并归类了一百多个对核辐射敏感的器官和组织 ,能模拟这些器官和组织在接受放疗时对放 射剂量的分布作出的不同响应6 。3. 2 国外虚拟人体研究的设想 1996 年开始 ,美国橡树岭国家实验室牵头酝酿虚拟人创新计划 (The Virtual Human Project Initiative) ,其主要设想是将人类基因组计划与可视人计划的研究成果结合起来 ,完成人体的物理建模 ,使虚拟 人在外界刺激下做出带有科学规律性的反应 ,进一步提高人体信息数字化研究进展。经过几年的准备和学术研讨 ,已 向国家科学院及国会递交了正式报告 ,并得到国防部非致命武器委员会的支持。美国华盛顿大学于 1997 年发起生理 人计划(The Physiome Project) ,提出开发对细胞、器官和整体功能的数据库和计算机模型的设想 ;英国 PA 咨询公司与美国菲西奥母科学公司宣布开始联合研制计算机化的“虚拟人体系统”。他们认为目前一种新药从研制成功到投入实 用 ,要经过大量的动物实验和临床试验。如果借助数字化的虚拟人体 ,模拟药物在人体中产生的作用 ,测试过程就可 以大大加快 ,成本也可得到降低。利用虚拟人体取代真人进行药物的初期测定 ,还可避免药物可能对人体造成的损 害5 。此外 ,美国人类脑计划(Human Brain Project , HBP) 的第二阶段 ,也准备将神经科学与信息科学结合起来研究 ,建 立数据库 ,绘制出相应的图谱。4 我国有关研究工作概况2001 年 11 月 57 日在北京召开的香山科学会议第 174 次学术讨论会 ,聚集了医学、计算机学、机器人学、生物医 学工程学、电子工程、机械加工、医学物理、飞行器设计、生物力学、模式识别、信息医学、航天航空、体育以及影视制作 等 42 位专家学者 ,以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题 ,研讨了在新世纪前沿科技领域中 ,生命科学与信息科 学相结合的重要课题 ,并提出我国数字化虚拟人体研究的规划和建议5 。在这次研讨会后“, 数字化虚拟人体若干关 键技术”和“数字化虚拟人体模型构建及海量储存”列入国家高技术研究发展“863”计划项目 ,揭开了我国数字化虚拟人 体研究的序幕。我国经过一年多的努力 ,由中科院计算所、第一军医大学临床解剖学研究所、首都医科大学生物医学工程学院、华 中科技大学生命科学与技术学院共同协作 ,首先完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务。在标本切削加工、冰库改 建、血管显示、数据采集等方面 ,在前人的研究基础上有所提高和改进711 。目前 ,我国上海、重庆和广州等地的解剖 学专家们 ,已先后提供了 4 个切片数据集的获取工作1215 ,为后续的多学科研究发展提供了有中国人特点的数据集。 这 4 个数据集的切片间距和断面总数分别为 :上海(男) 117mm ,断面总数1 058片 ;上海(女) 0157mm ,断面总数3 022片 ;重 庆(男) 110011mm ,断面总数2 518片 ;广州(女) 012mm ,断面总数 8 556 片。依据后面的 2 个数据集 ,现有香港大学计算 机科学与工程学系、北京同仁医院耳鼻喉研究所、复旦大学数字医学研究中心、澳门科技大学资讯技术学院、中科院自 动化所、大连理工大学机械工程学院、厦门大学计算机系、清华大学生命科学与工程研究院、解放军总医院神经信息中 心等众多科研、教学、医疗单位倡议加强协作 ,科学数据共享 ,参与国际科研大协作 ,跟踪科学研究前沿。5 科学意义和应用前景医学研究的对象是人。21 世纪被认为是以人为中心的科技得到充分发展的世纪。数字化虚拟人体的科学意义 , 在于将人体结构数字化与可视化 ,建立起能够为计算机处理的数学模型 ,使计算机的定量分析计算和精确模拟成为可 能。随着信息获取和处理技术的进步、数据采集精度的提高 ,将在越来越广泛的领域内更加精确地模拟人体的功能和 行为 ,这将为多学科研究与应用提供基础。有效利用人的信息 ,开发多层次需求 ,将成为许多高新技术产业发展的关 键因素。研究和开发有完全自主权的数据集 ,建立起有中国民族特点的多层次数字化虚拟人体模型 ,将具有重大的科 学技术意义和社会经济价值 ,特别是在医学科学上有着重大的意义。运用数字化虚拟人体 ,可以加速医学教育和医学研究的现代化。例如在外科教学上 ,以往培训一位技艺高超、手 到病除的外科医生 ,要在上级医生带领下 ,长期在病人身上积累开刀的经验 ,这种“练手艺”的过程 ,通过虚拟人体的程 序设定 ,可在电脑上反复进行演练。在医学应用上 ,可设定各种虚拟环境 ,例如开发各种虚拟内窥镜(虚拟腹腔镜、直 肠镜、鼻镜、耳镜、胃镜、关节镜等) ,可以在有关结构内部进行“漫游”,也可进行介入的微创手术模拟 ;开展基于图像导 航的外科手术 ,可以提高手术的安全性和成功率 ;可为各种手术预期结果做出虚拟模型。以面部整形手术为例 ,依据 数据库的资料分析 ,对颜面部软组织进行计划 ,可以预示手术结果 ;对复杂疑难的手术 ,可在赋加有病人影像资料相融 合的虚拟人体上 ,反复探究各种不同手术入路所遇到的问题 ,提高术前准备工作的质量。此外 ,还可为疾病诊断、新药 和新医疗手段的开发提供参考 ,促进形成新一代医疗高新技术产业 ;在临床诊治方面 ,可以模拟肿瘤病灶生长或治愈 过程 ;还可以进行血流动力学模拟、药物代谢动力学模拟等。6 对后续研究工作的见解数字化虚拟人体在医学应用开发上的宽广前景确实令人振奋 ,但要完成和实现这些需求 ,还要付出巨大辛勤的努 力。数字化虚拟人体是一项浩大的系统工程 ,是生命科学与信息科学相结合的前沿性项目。要将医学领域的研究成 果通过信息技术实现可视化、虚拟化和可控化 ,有很大的难度。特别要理解的 ,在有了数据集这个必要基础后 ,艰难的 工作还在后续的开发研究。后续研究的重担有三个组成要素 :一是要有应用的针对性 ,通常是由医务工作者或其他行 业的应用部门 ,从实用需求出发 ,提出应用意义和目的性 ;二是要有可行性 ,要请图像处理专家、虚拟现实专家 ,看能否 将这些预期的要求 ,转化为电脑符号和语言 ,在屏幕上演示 ;三是要有硬件装备 ,要有实现上述要求相匹配的计算机。因此 ,必须有一个通力协作 ,多学科和衷共济的科技队伍。 今后切片数据集的构建要点是质量第一。人体切片数据集的构建 ,是为后续的电脑专家们提供精确优良的框架 ,要特别强调的是质量而不是数量。我国在这个领域起步较晚 ,更应重视质量指标 ,应该吸取前人的经验和教训 ,少走 弯路 ,有一个较高的起点。更重要的是要潜心思考 ,能寻找出前人科研工作中存在的缺点和不足之处 ,针对这些问题 提出解决的办法 ,才能有所发现 ,有所前进。以质量取胜 ,才有可能后来居上 ,青胜于蓝。现在很多新闻媒体提出一个问题 ,是不是将人体材料切削得越薄越好 ? 从理论上说 ,似乎是肯定的 ,因为切片间 距的精度越高 ,将来赋加到这个框架上的信息参数就越精细 ,能表达的信息量就越大。但是 ,作为发展前景侧重于解 决实际应用的虚拟人体项目 ,就一定要考虑形成配套实用的针对性。其实 ,以机械切削加工的科技力量来说 ,我国已 研制有纳米级切削机械 ,但当前若用于虚拟人数据库的建模 ,却尚无可行性。因为切削的精度越高 ,图像采集的数据 存储量越大 ,要配备的计算机等级就越高。我们目前已完成的 012mm 断面间距的一个女性数据集的电脑存储量 ,已达 到了 14917GB ,在一般个人电脑上就不容易运转了。如果切得再薄一些 ,那么后续的开发应用范畴 ,只能在很少数拥有 海量存储和超高速运算的计算机才有可能运转。如果科研成果没有普及推广应用的针对性、可能性 ,就容易把科研成 果束之于高阁 ;过高的切削精度 ,势必出现巨大的存储量 ,无法造福于广大群众 ,只能存放在文献堆里 ,可望而不能用 , 形成不了社会效益和经济效益。今后 ,在整个人体切削间距精度的提高 ,可能不是最主要的指标 ;但在个别局部和小 器官(如眼球、内耳等) ,体积较小 ,精度要求较高的部位 ,仍有更薄的切削要求。数字化虚拟人体属于应用理论性范 畴 ,它的研究成果不应搁置在理论性的深宫大院 ,还要能“飞入平常百姓家”,让数量较多的医院和院校都有可能开发 应用 ,才能发挥良好的效益。参 考 文 献1 Spitzer VM , AcKerman MJ , Scherzinger AL et al . 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