数字化虚拟人体研究

1、第6章 数字化虚拟人体研究数字化虚拟人体的研究概况 数字化虚拟人体的科学含义 钟世镇教授：所谓“数字化虚拟人体，是将人体结构及其功能数字化，通过计算机技术，在计算机屏幕上显示可视的、仿真的模拟人体。” 通过现代信息技术对真人尸体进行数字化处理，从而构建与真人相同的组织形态、功能结构，实现人体从分子到细胞、组织、器官和整个人体的精确模拟的信息系统。数字化虚拟人体阶段第一个阶段：是“虚拟可视人” 通过对真人尸体获取连续切片的图像，再经过计算机3D重建技术，形成可视的虚拟人体结构图像。称为“虚拟解剖人”第二个阶段是“虚拟物理人” 将人体各种不同结构的功能特性，赋加到虚拟解剖人的框架上，使其具有某些物

2、理特性，例如骨骼遭受暴力会断裂，肌肉切割会向两端回缩等。第三个阶段是“虚拟生物人”。 将生命科学研究的成果赋加到虚拟解剖人或虚拟物理人的框架上，具有新陈代谢、生老病死等生理学功能，甚至更进一步将人的思维活动的高级认知功能也赋加到虚拟人框架上，那么这种虚拟人就成了具有巨大存储容量和并行运算速度功能的虚拟智能人了。把“虚拟生物人”分成“虚拟生理人”和“虚拟智能人”两个阶段数字化虚拟人体研究的意义 在医学教育上，开创一个全新的数字解剖学时代 在医学临床中，制定手术方案，对患者的数字化虚拟人体实施仿真模拟手术 肿瘤病灶生长和治疗过程的模拟、血流动力学的模拟、新药试验及其药代动力学的模拟等方面也都具有重

3、要意义 计算机虚拟技术、航空航天、防护安全、服装产业、竞技体育、军事训练等多个学科和领域的发展，都具有重大价值数字化虚拟人体数据集研究的历程 最早由美国国家医学图书馆（NLM：National Library of Medicine）1989年正式提出，具体由科罗拉多（Colorado）大学组织实施，这就是著名的VHP（Visible Human Project）项目。 VHP项目的要求，构建这个系统的目标是首先采集人体CT、MRI和人体切片的组织学图像数据集，然后利用计算机图像处理技术重新构建出各种虚拟人体器官。 1994年11月和1995年11月先后公布了一男一女两套数字化虚拟人体数据集。

4、 韩国亚洲大学医学院2001年3月完成了“可视韩国人”（VKH）男性韩国人体的数据采集工作。 中国科技部2001年11月召开了以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的第174次香山会议数字化虚拟人体数据集研究的历程（续） 2002年6月，国家高新技术研究发展计划（863计划）决定将“数字化虚拟人体若干关键技术”立项，由第一军医大学（现南方医科大学）、首都医科大学、中国科学院计算所和华中科技大学等单位协作攻关。 2003年，国家科技部再次召开会议，将“数字化虚拟中国人的数据集构建与海量数据库系统”课题再次立项，中国数字化虚拟人体研究计划（VCH：Virtual Chinese Human） 2

5、003年2月和5月，完成并发布了虚拟中国人女性1号（VCH F-1）和虚拟中国人男性号（VCH）两套人体切片数据集的采集工作。6.2 数字化虚拟人体数据集的采集数字化虚拟人体数据集的采集 数据集采集的基本原理 选择符合要求的标本 对标本进行CT和MRI人体断层扫描，以获取标本的CT和MRI图像数据集 CT和MRI数据集作为一种参考或对比之用 对标本进行极度冷冻和其它各种物理处理，为下一步真正获取人体切片数据集作好准备 切片间距一般小于1mm 对标本进行切片并记录每一个切片的图像数据，所需数字化虚拟人体图像数据集数据集采集的基本方法1.标本的选择u标准化问题。选择代表性强、覆盖面广的最具特征的“

6、典型标准”人体标本。 年龄和健康两个基本的标准化指标。美国VHP男性标本是39岁，且生前曾因病手术切除过左睾丸和阑尾；女性标本已经59岁，生殖系统已萎缩，VHP标本存在明显缺陷。我国VCH25项指标的标准化评价体系。VCH号28岁的汉族健康男性，2002年4月意外死亡，自愿捐献尸体做科学研究，祖籍湖南，身高1.66米，体重58公斤，没有任何传染病和代谢疾病；VCH号19岁的广西女孩，身高1.56，虽因误食毒蘑菇而不幸，但由于她是急性死亡，年纪很轻 伦理和法律问题。接受遗体捐献用于医学教学和科学研究数据集采集的基本方法2. CT、MRI扫描选择的标本死亡后，应立即对标本进行全身CT和MRI断层扫

7、描。扫描的时间应尽可能缩短3. 标本预处理尸体冷冻：先对尸体进行包埋处理，在将其置于零下70的冷冻室进行冷冻组织标识 ：VCH采用钟世镇院士人体管道铸型新技术，分别对女性和男性标本的血管进行了以朱砂、明胶和淀粉为主要材料的混合显色填充剂的标识灌注。数据集采集的基本方法（续）4. 切片并记录图像数据u切削机械的选择选择高品质的切削铣床和切削刀具，需要设计稳固的机床基座，需要制定和设计灵活的切削工序u切片间距的确定切片的间距（厚度）越小得到的图像数据越丰富，由此而重建的虚拟人体就会越逼真。VHP男性和女性的切片间距分别是1mm和0.33mm，切片总数分别是1878个和5190个VKH男性的切片间距

8、是0.2mm，其切片总数是8590个VCH F-1和VCH的切片间距分别是0.2mm和0.1mm，其切片总数分别是8556个和9232个数据集采集的基本方法（续）u图像采集系统的设计切片过程中将每一个切片的断面图像用图像采集设备记录下来并存放在计算机的存储系统里。分辨率和图像数据库VHP采用的设备是分辨率为20481216像素的胶卷相机，总数据量男、女分别为15G和43GVKH采用的设备是高分辨率的数码相机，总数据量为153.7G。VCH采用的设备是分辨率为30242016像素的数码相机和同步进行扫描仪，相机得到的总数据量男号和女1号分别为161.6G和149.7G。数据集采集的基本方法（续）

9、u数据后期处理数据集采集完成后，华中科技大学国家光电实验室、首都医科大学和中科院计算所等单位进行了高分辨率的三维解剖结构数据集的可视化处理、数据集存储与共享机制的建立、三维图像的分割、配准和3D重建6.3 数字化虚拟人体的开发应用和发展策略u开发应用回顾 世界各国的应用概况美国VHP数据集在英国、意大利、瑞士、日本、新加坡等很多国家相继建立了VHP镜像站点。研究和应用数字化虚拟人体提供了重要条件美国华盛顿大学利用VHP数据集开发了计算机人体模拟系统和数字解剖学家项目斯坦福大学开发了虚拟飞行座舱系统和虚拟内窥镜系统波士顿大学开发了人脑模型和虚拟耳窥镜系统哈佛大学和麻省理工学院共同开发了全脑图谱系

10、统英国的PA咨询公司与美国的菲西奥姆科学公司合作开发了用于新药测试的虚拟人体系统开发应用开发应用回顾回顾（续）（续）国内的应用概况清华大学利用VHP数据集，实现了对人体骨络进行了3D重建，并应用到本地和远程的教学中。第三军医大学应用三维虚拟人进行椎间盘介入术的模拟穿刺；女性盆腔脏器的辐射计量的模拟仿真研究；3D重建和立体定位技术进行脑部肿瘤的虚拟切除手术的研究北京同仁医院韩德民教授应用VCH F-1数据集对耳鼻喉解剖结构进行了3D重建解放军总医院卢世壁院士利用数据集构建了人体关节功能的三维虚拟图像系统，对骨组织结构的三维显微结构进行分析和骨小梁数字信息的筛选厦门大学王博亮教授构建了中国人虚拟眼

11、系统开发应用回顾（续）上海交通大学庄天戈教授根据中医的理论，将腧穴融入到由VHP数据集和汉堡大学的Voxel-Man三维体视系统所开发的人体模拟系统中，基本实现了腧穴的形态和细微结构的分割、定义和体视化上海中医药大学余安胜教授运用断层数据集开发了虚拟的“中国针灸穴位人”的三维图像数据库和3D重建软件田捷研究员等开发了一个开放的、跨平台的和具有一致编程接口的三维医学图像处理软件包（MITK：Medical Imaging Toolkit）实现对医学图像可视化、图像分割、配准和其它分析处理。上海海归胡博士和相关公司开发了一个内容涵盖人体解剖学、临床解剖学、表面解剖学、局部解剖学和中医针灸经略穴位等

12、方面可视化的虚拟人体解剖学软件发展前景及其策略探讨 数字化虚拟人的发展趋势是从“虚拟可视人”，向着“虚拟物理人”和“虚拟生物人”阶段发展。 美国橡树岭国家实验室于1999年10月提出了关于实施虚拟人体创新计划（The Virtual Human Project Initiative）的报告。这个计划的主要宗旨是将人类基因组计划、人体机能建模和VHP计划的研究结果结合起来，完成人体的物理建模，使虚拟人在外界的刺激下能做出带有科学规律性的反应 美国科学家联盟提出了 “数字人体计划” 实现人体从基因到分子、细胞、组织、器官、系统和全身整体的全方位模拟； 实现生物信息从离体到活体的连续提取； 构建的有

13、关虚拟模型、数据库、程序源代码等软件资源应广为开放等发展前景及其策略探讨我国学者中国科学院毕思文研究员2002年提出了“数字人体-人体系统数字学”概念 按照作者的定义，数字人体的基本含义是借助医学科学、生命科学与信息科学、计算机科学及系统科学等多学科的高度综合和交叉融合，对人体系统的定性描述进行定量表达，以加深对人体系统的全面认识，改变未来人体系统的研究内容日本在2001年启动了为期10年的“日本虚拟人计划”发展策略探讨 制定一套适合我国国情的数字化虚拟人体数据集获取的标准 建立数字化虚拟人体数据集的共享机制 加强数字化虚拟人体应用性的开发研究 全局数据集，人体解剖学局部数据集、组织学、细胞学

14、的数据集。南方医科大学已完成了13个数字人的局部数据集 构建多学科的科学协作和攻关的研究联盟 提高图像分割的速度和精度 大规模的人体数据集的数据处理。0.2mm到0.1mm数据量150GB增到1.2T。 完善国家发展数字化虚拟人体的长远规划6.4 关于数字人体-人体系统数字学 数字人体的基本概念 数字人体是用数字化的方法研究和构建数字化的人体系统，即人体活动的全部信息经数字化后由计算机网络来管理，以了解整个人体系统所涉及的信息过程，并揭示人体系统之间信息的联系和相互作用的规律 是以活人为研究对象，以医学科学、信息科学、智能科学和计算科学为理论基础，建立一系列不同层次的原型、物质模型、生理模型、

15、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型，并将这些模型集成为“有生命的”人体系统模型。数字人体的提出 毕思文研究员2002年7月在中国医药信息学会第九届全国医药信息大会论文集和第四届中日韩医药信息学会议论文集，2004年8月出版了数字人体人体系统数字学专著 数字人体与数字化虚拟人的区别 都是一门专门研究人体系统数字化的科学 数字人体研究的对象是活人，数字化虚拟人研究的对象是死人 数字人体研究的内容包含基础理论与模型、技术处理、系统工程和数字人体应用等；数字化虚拟人研究的内容主要关注的是人体标本的选择和处理、人体切片信息的技术处理和人体数据集的应用等几个方面 数字人体处理的目的是为了了解人体系统在某一时间和空间尺度下的结构和功能，而虚拟人处理的目的主要在于还原人体系统在某一位置的结构和功能数字人体的基本理论和模型1. 数字人体研究的基本理论u 人体系统的分类和层次u 人体系统的连续动态系统u 人体系统的离散动态系统u