医学领域中数字虚拟人的研究进展及探讨

               作者：王媛媛，王海生，闵友江，董艳，程卓，沈峰  

【摘要】  数字化虚拟人体结合了医学和机的最新成果，运用信息技术建立数字化的人体各个层次的计算机模型，实现了人体的数字化描述，为医学研究、教学与临床提供了形象而真实的模型，可提高医学教学和科研水平，指导临床诊断和。数字化虚拟人体的研究将通过对基因、蛋白质、组织和器官形态及功能的数字化描述，最终达到对人体信息的整体精确模拟。数字化虚拟人体研究是一项巨大的系统工程，集成了最新的科技成就，它的研究在医学与计算机的结合上、在涉及人体模拟的许多方面开辟了新的研究领域，将促进一系列相关学科研究的深入，具有广泛的应用前景。

【关键词】  数字化虚拟人体；医学应用；计算机模型；力反馈

   人体是由100多万亿个细胞组成的复杂整体。目前人类对自身的认识和了解还远远不够，对疾病病因、诊断、治疗方法的研究及人体与环境相互关系的研究由于缺少精确量化的计算模型而受到限制。应运而生的数字虚拟人体是利用来源于真人的人体数据集，通过计算机模拟而构造出来的一个与人类数据完全相同的虚拟人，它使计算机的定量分析计算和精确模拟成为可能，从而为研究人体在各种环境下的生理病理反应提供一个新的平台。在现有基础上，我们对数字虚拟人体的解剖及功能方面的完善及延伸进行了思索及探讨。

    1   数字虚拟人体在医学领域的应用前景

    1.1   提高医学教学和科研水平

    数字化虚拟人体结合了医学和计算机科学的最新成果，运用信息技术建立数字化的人体各个层次的计算机模型，为医学研究与教学提供形象而真实的模型［1~3］。如在外科教学上，以往培训一位合格的外科医生，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，通过数字化虚拟人体的程序设定，可在电脑上反复进行演练。又如在医学科学技术或新药研制方面，以往必须先通过动物实验、小样本临床验证才能用于临床实践，数字化虚拟人体的研究为这一过程提供模型以进行预演，从而降低医疗风险，提高科研质量，加速医学和医学研究的化。

    1.2   提供临床影像诊断的依据

    临床断层影像诊断的形态学基础是正常人体断面解剖学。已有的断面解剖学所提供的图像和数据资料，采用的断面标本最薄也有5 mm以上，无法完全满足当前临床影像诊断的需要。数字化虚拟人体数据集采集的连续断面的图像，其断层间距离的精确度可达0.2 mm，甚至0.1 mm，从而为临床断层影像诊断提供与之匹配的断面图像和数据。

    1.3   指导临床治疗

    传统的医学诊断治疗主要是靠医生的经验积累对病人进行直接治疗，一旦误诊误治，错误将无法挽回。数字人体的出现将能够解决这个问题。由于其所有信息来源于真人，因而可以在数字人体上进行在真人身上无法进行的诊断和治疗。用药之前先将药物信息赋予数字人体，来预测人体对治疗的反应，以便更好地对症下药。手术之前，先在数字人体身上进行模拟，以制定详细的手术计划。目前虽然还不足以达到这一步，但是随着虚拟现实、模拟技术、虚拟内窥镜等技术的，数字人体已经开始广泛应用于临床各科。

    1.4   为中医药学与针灸经络研究开拓新领域

    祖国医学的理论体系的两大特点是整体观和辨证论治，数字化虚拟人体将从宏观和微观方面多指标、全方位地为科学阐述这一理论奠定基础。针灸经络学说是几千年来国人对人体结构研究的智慧结晶，融入针灸穴位数据的数字化虚拟人体，可从多层次、任意角度观察穴位的解剖结构、毗邻结构和针刺要点，为探讨针灸经络实质提供数字化平台，从而为中医药学与针灸经络的深入研究开拓新领域［4~8］。

    2   数字化、可视化虚拟人体的研究

    “数字化、可视化虚拟人体”是指通过先进的信息技术和生物技术相结合的方式，把人体形态学、物和生物学等信息与高级计算法整合成一个研究环境、研究人体对各种刺激的反应、实现人体的数字化描述，为医学及多学科的研究和应用提供一个基础技术的研究平台。

    数字化虚拟人体的研究目标是通过将人体的结构和机能数字化、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［9~11］。其可经历“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”4个发展阶段。“虚拟可视人”是从几何学角度定量描绘人体的解剖结构，属于“解剖人”；如果考虑人体组织的力学特性和形变等物理特性，就是第二代的“虚拟物理人”；包括生理特性的数字化人体被列为第三代的“虚拟生理人”；研究人体微观结构及生化特性的则属于更高级的“虚拟智能人”［12］。

    数字化虚拟人体研究是一项巨大的系统工程，集成了最新的科技成就，代表了当代最高的科技发展水平。它的研究在医学与计算机的结合上、在涉及人体模拟的许多方面开辟了新的研究领域，将促进一系列相关学科研究的深入。

    2.1   国际相关研究

    数字化虚拟人体研究的起源要追溯到美国国立医学图书馆（NLM）发起的可视人体计划。1989年美国国立医学图书馆开始酝酿建立一个医学图像库，以提供生物医学的图像检索系统，这需采集人体横断面、CT、MRI和组织学数据集，目的是为利用计算机图像重构技术建造虚拟人体做准备，此项目名称为“Visible Human Project（VHP）”，即“可视化人体计划”。VHP的人体断面数据获取工作由科罗拉多大学健康科学中心承担实施，第一套男性、女性VHP数据集分别于1994年、1995年完成并向世界公布。美国“VHP计划”的实施在全世界引起了巨大反响，不少研究机构或大学利用VHP数据集开发新的计算机人体模拟系统和实用产品，如华盛顿大学开发的数字化解剖学系统、汉堡大学开发的Voxel-Man系统、斯坦福大学开发的虚拟内窥镜系统等。

    VHP数据集的出现改变了医学可视化的模式，为计算机图像处理和虚拟现实技术进入医学领域敞开了大门，使三维重构图像处理技术以空前的速度得以普及，VHP项目是信息技术和医学结合的重大创新工程［13~16］。其他国家也相应展开了本国的VHP计划，如日本、韩国等，但也都存在一定的问题，如美国可视人计划获得的数据由于受到当时技术水平的限制，无法提供重要的血管和神经内容。虚拟人体的神经显示目前仍属世界性难题，我国国内学者在该研究方面有初步尝试。

    2.2   数字化虚拟人体研究动态

    2001年在北京香山召开了主题为“中国数字化虚拟人体科技问题”的第174次香山科学会议，香山会议启动了中国数字化虚拟人体的研究［17］。会议后，我国的解剖学专家们加强协作，目前提供了虚拟中国人体（Virtual Chinese Human， VCH）数据集、中国数字化可视人体（Chinese Digitized Visible Human，CDVH）数据集和中国穴位三维人体（Chinese Acupoint Visible Human，CAVH）数据集参与国际科研大协作。

    由于可视人体研究在与人体形态结构有关的众多研究领域具有重要的理论意义及广阔的应用前景，国内不少学者一直关注着这一研究领域的进展，并利用美国的VHP数据集进行了卓有成效的研究。如清华大学利用VHP数据集，在基于虚拟人体的机医学研究方面，对人体多个器官的结构与功能进行了可视化显示；院自动化研究所构建了开放的虚拟人体试验平台，对于数据压缩、图像分割、配准与融合、三维重建与绘制等算法进行了研究［18］。

    中国数字化虚拟人体研究工作的特点是起步晚、进展快，把切入点放在解决国际上尚未解决的科学疑难问题上，创新尸体标本整体立式包埋和磨削的科学方法，进行血管灌注新配方的研究，取得血管标识的成功应用。中国数字化虚拟人体研究工作在取得断层解剖数据、获取关键技术成果之后，又进入到后期图形图像处理（包括图像配准、分割、3D重建、浏览及）、科学数据共享、神经与微小器官信息获取以及在医学和相关领域的应用等相应的研究［19］。

    3   有关问题的思索及探讨

    3.1   数字虚拟人体的血管、神经解剖结构的建模

    血管和神经系统是正常人体解剖结构的重要组成部分，但血管与神经系统的模拟仍是目前面临的最大挑战。由于原始数据采集先天缺失，我们不得不承认开发的软件在血管和神经显示上不尽如意。血管和神经由于具有管状结构细而长的特征，包含的切片层次较多，涵盖的颜色层次也很丰富并具有渐变性，且神经组织与周围脂肪组织的颜色对比度较小，故利用分割肌肉、骨骼的RGB色度空间的双色度椭球的多步分割方法［20］所得的边界较为模糊，显示效果不甚理想。因此采用图形建模的方法，利用管状图形编辑器构建重要的血管和神经模型［21］。其步骤为：① 把血管、神经在每个解剖断面切片上的形状标注出来；② 根据标注组成不同直径的球体标记；③ 通过专用程序将标记自动连接形成管状结构；④ 将通过面成像方法的多面形表面模型转化为基于体素的体数据模型。在德国汉堡大学开发的VOXEL-MAN开发平台上运用此方法较好地显示了血管及神经结构。第一军医大学80岁的钟世镇院士花了几十年的时间掌握了人体血管铸型技术，能将血管标本分离出来，做出三维立体的管道模型，若这项技术与计算机技术相结合，可能也会弥补血管显示不充分的缺陷。

    3.2   力反馈构想

    目前大部分的虚拟人研究仍集中在第一代虚拟人即“虚拟可视人”阶段。“虚拟可视人”是从几何角度定量描绘人体的解剖结构，把实体变成切片数据，然后在计算机中重建成三维人体，没有生理变化，是人体断层解剖学意义上的数字化的解剖人。如果在此基础上我们能将其更进一步，即在“虚拟可视人”的基础上加入人体组织的力学特性和形变等物理特性，在质感、质地、软硬度及温度等方面达到和人体一样的指标，如皮肤有弹性、肌肉可以收缩、骨骼遭到打击时会断裂、血管受到损伤后会出血等，那么将进一步扩大数字虚拟人的应用范围。如与相应的具有精确力反馈的触摸装置相连接，操作者就可以手持虚拟针灸针在虚拟人体上针刺，从而获得如同真实环境下针刺穴位的感觉。

    数字化虚拟人体研究是一项巨大的系统工程，在其现有的基础上加入血管、神经信息以完善虚拟人的解剖结构，同时开发虚拟人的力反馈研究领域以扩大其应用范围，将会为进一步的医学研究开辟更新的领域及促进一系列相关医学研究的深入，具有广泛的应用前景。

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