數(shù)字化虛擬人體研究

1、第6章 數(shù)字化虛擬人體研究,,數(shù)字化虛擬人體的研究概況,數(shù)字化虛擬人體的科學(xué)含義鐘世鎮(zhèn)教授：所謂“數(shù)字化虛擬人體，是將人體結(jié)構(gòu)及其功能數(shù)字化，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示可視的、仿真的模擬人體?！蓖ㄟ^(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)真人尸體進(jìn)行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建與真人相同的組織形態(tài)、功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人體從分子到細(xì)胞、組織、器官和整個(gè)人體的精確模擬的信息系統(tǒng)。,數(shù)字化虛擬人體階段,第一個(gè)階段：是“虛擬可視人”通過(guò)對(duì)真人尸體獲取連續(xù)切片的圖像，

2、再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)3D重建技術(shù)，形成可視的虛擬人體結(jié)構(gòu)圖像。稱為“虛擬解剖人”第二個(gè)階段是“虛擬物理人”將人體各種不同結(jié)構(gòu)的功能特性，賦加到虛擬解剖人的框架上，使其具有某些物理特性，例如骨骼遭受暴力會(huì)斷裂，肌肉切割會(huì)向兩端回縮等。第三個(gè)階段是“虛擬生物人”。將生命科學(xué)研究的成果賦加到虛擬解剖人或虛擬物理人的框架上，具有新陳代謝、生老病死等生理學(xué)功能，甚至更進(jìn)一步將人的思維活動(dòng)的高級(jí)認(rèn)知功能也賦加到虛擬人框架上，那么這種虛擬人就成了具有

3、巨大存儲(chǔ)容量和并行運(yùn)算速度功能的虛擬智能人了。把“虛擬生物人”分成“虛擬生理人”和“虛擬智能人”兩個(gè)階段,數(shù)字化虛擬人體研究的意義,在醫(yī)學(xué)教育上，開創(chuàng)一個(gè)全新的數(shù)字解剖學(xué)時(shí)代在醫(yī)學(xué)臨床中，制定手術(shù)方案，對(duì)患者的數(shù)字化虛擬人體實(shí)施仿真模擬手術(shù)腫瘤病灶生長(zhǎng)和治療過(guò)程的模擬、血流動(dòng)力學(xué)的模擬、新藥試驗(yàn)及其藥代動(dòng)力學(xué)的模擬等方面也都具有重要意義計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)、航空航天、防護(hù)安全、服裝產(chǎn)業(yè)、競(jìng)技體育、軍事訓(xùn)練等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的發(fā)展，都具有重

4、大價(jià)值,數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集研究的歷程,最早由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館（NLM：National Library of Medicine）1989年正式提出，具體由科羅拉多（Colorado）大學(xué)組織實(shí)施，這就是著名的VHP（Visible Human Project）項(xiàng)目。VHP項(xiàng)目的要求，構(gòu)建這個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)是首先采集人體CT、MRI和人體切片的組織學(xué)圖像數(shù)據(jù)集，然后利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)重新構(gòu)建出各種虛擬人體器官。1994年11月和1

5、995年11月先后公布了一男一女兩套數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集。韓國(guó)亞洲大學(xué)醫(yī)學(xué)院2001年3月完成了“可視韓國(guó)人”（VKH）男性韓國(guó)人體的數(shù)據(jù)采集工作。中國(guó)科技部2001年11月召開了以“中國(guó)數(shù)字化虛擬人體的科技問(wèn)題”為主題的第174次香山會(huì)議,數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集研究的歷程（續(xù)）,2002年6月，國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）決定將“數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)”立項(xiàng)，由第一軍醫(yī)大學(xué)（現(xiàn)南方醫(yī)科大學(xué)）、首都醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)

6、算所和華中科技大學(xué)等單位協(xié)作攻關(guān)。2003年，國(guó)家科技部再次召開會(huì)議，將“數(shù)字化虛擬中國(guó)人的數(shù)據(jù)集構(gòu)建與海量數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”課題再次立項(xiàng)，中國(guó)數(shù)字化虛擬人體研究計(jì)劃（VCH：Virtual Chinese Human）2003年2月和5月，完成并發(fā)布了虛擬中國(guó)人女性1號(hào)（VCH F-1）和虛擬中國(guó)人男性Ⅰ號(hào)（VCHⅠ）兩套人體切片數(shù)據(jù)集的采集工作。,6.2 數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的采集,數(shù)據(jù)集采集的基本原理選擇符合要求的標(biāo)本對(duì)標(biāo)本進(jìn)

7、行CT和MRI人體斷層掃描，以獲取標(biāo)本的CT和MRI圖像數(shù)據(jù)集CT和MRI數(shù)據(jù)集作為一種參考或?qū)Ρ戎脤?duì)標(biāo)本進(jìn)行極度冷凍和其它各種物理處理，為下一步真正獲取人體切片數(shù)據(jù)集作好準(zhǔn)備切片間距一般小于1mm對(duì)標(biāo)本進(jìn)行切片并記錄每一個(gè)切片的圖像數(shù)據(jù)，所需數(shù)字化虛擬人體圖像數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集采集的基本方法,標(biāo)本的選擇標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。選擇代表性強(qiáng)、覆蓋面廣的最具特征的“典型標(biāo)準(zhǔn)”人體標(biāo)本。年齡和健康兩個(gè)基本的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)。美國(guó)VHP男性標(biāo)本是3

8、9歲，且生前曾因病手術(shù)切除過(guò)左睪丸和闌尾；女性標(biāo)本已經(jīng)59歲，生殖系統(tǒng)已萎縮，VHP標(biāo)本存在明顯缺陷。我國(guó)VCH25項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)體系。VCHⅠ號(hào)28歲的漢族健康男性，2002年4月意外死亡，自愿捐獻(xiàn)尸體做科學(xué)研究，祖籍湖南，身高1.66米，體重58公斤，沒(méi)有任何傳染病和代謝疾??；VCHⅠ號(hào)19歲的廣西女孩，身高1.56，雖因誤食毒蘑菇而不幸，但由于她是急性死亡，年紀(jì)很輕倫理和法律問(wèn)題。接受遺體捐獻(xiàn)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究,數(shù)據(jù)集

9、采集的基本方法,2. CT、MRI掃描選擇的標(biāo)本死亡后，應(yīng)立即對(duì)標(biāo)本進(jìn)行全身CT和MRI斷層掃描。掃描的時(shí)間應(yīng)盡可能縮短3. 標(biāo)本預(yù)處理尸體冷凍：先對(duì)尸體進(jìn)行包埋處理，在將其置于零下70℃的冷凍室進(jìn)行冷凍組織標(biāo)識(shí) ：VCH采用鐘世鎮(zhèn)院士人體管道鑄型新技術(shù)，分別對(duì)女性和男性標(biāo)本的血管進(jìn)行了以朱砂、明膠和淀粉為主要材料的混合顯色填充劑的標(biāo)識(shí)灌注。,數(shù)據(jù)集采集的基本方法（續(xù)）,4. 切片并記錄圖像數(shù)據(jù)切削機(jī)械的選擇選擇高品質(zhì)的切削

10、銑床和切削刀具，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)固的機(jī)床基座，需要制定和設(shè)計(jì)靈活的切削工序切片間距的確定切片的間距（厚度）越小得到的圖像數(shù)據(jù)越豐富，由此而重建的虛擬人體就會(huì)越逼真。VHP男性和女性的切片間距分別是1mm和0.33mm，切片總數(shù)分別是1878個(gè)和5190個(gè)VKH男性的切片間距是0.2mm，其切片總數(shù)是8590個(gè)VCH F-1和VCHⅠ的切片間距分別是0.2mm和0.1mm，其切片總數(shù)分別是8556個(gè)和9232個(gè),數(shù)據(jù)集采集的基本方法（

11、續(xù)）,圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)切片過(guò)程中將每一個(gè)切片的斷面圖像用圖像采集設(shè)備記錄下來(lái)并存放在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)里。分辨率和圖像數(shù)據(jù)庫(kù)VHP采用的設(shè)備是分辨率為2048×1216像素的膠卷相機(jī)，總數(shù)據(jù)量男、女分別為15G和43GVKH采用的設(shè)備是高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，總數(shù)據(jù)量為153.7G。VCH采用的設(shè)備是分辨率為3024×2016像素的數(shù)碼相機(jī)和同步進(jìn)行掃描儀，相機(jī)得到的總數(shù)據(jù)量男Ⅰ號(hào)和女1號(hào)分別為161.6G和14

12、9.7G。,數(shù)據(jù)集采集的基本方法（續(xù)）,數(shù)據(jù)后期處理數(shù)據(jù)集采集完成后，華中科技大學(xué)國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室、首都醫(yī)科大學(xué)和中科院計(jì)算所等單位進(jìn)行了高分辨率的三維解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的可視化處理、數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)與共享機(jī)制的建立、三維圖像的分割、配準(zhǔn)和3D重建,6.3 數(shù)字化虛擬人體的開發(fā)應(yīng)用和發(fā)展策略,開發(fā)應(yīng)用回顧 世界各國(guó)的應(yīng)用概況美國(guó)VHP數(shù)據(jù)集在英國(guó)、意大利、瑞士、日本、新加坡等很多國(guó)家相繼建立了VHP鏡像站點(diǎn)。研究和應(yīng)用數(shù)字化虛擬人體提供了重

13、要條件美國(guó)華盛頓大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集開發(fā)了計(jì)算機(jī)人體模擬系統(tǒng)和數(shù)字解剖學(xué)家項(xiàng)目斯坦福大學(xué)開發(fā)了虛擬飛行座艙系統(tǒng)和虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)波士頓大學(xué)開發(fā)了人腦模型和虛擬耳窺鏡系統(tǒng)哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院共同開發(fā)了全腦圖譜系統(tǒng)英國(guó)的PA咨詢公司與美國(guó)的菲西奧姆科學(xué)公司合作開發(fā)了用于新藥測(cè)試的虛擬人體系統(tǒng),開發(fā)應(yīng)用回顧（續(xù)）,國(guó)內(nèi)的應(yīng)用概況清華大學(xué)利用VHP數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體骨絡(luò)進(jìn)行了3D重建，并應(yīng)用到本地和遠(yuǎn)程的教學(xué)中。第三軍醫(yī)大學(xué)應(yīng)用

14、三維虛擬人進(jìn)行椎間盤介入術(shù)的模擬穿刺；女性盆腔臟器的輻射計(jì)量的模擬仿真研究；3D重建和立體定位技術(shù)進(jìn)行腦部腫瘤的虛擬切除手術(shù)的研究北京同仁醫(yī)院韓德民教授應(yīng)用VCH F-1數(shù)據(jù)集對(duì)耳鼻喉解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3D重建解放軍總醫(yī)院盧世壁院士利用數(shù)據(jù)集構(gòu)建了人體關(guān)節(jié)功能的三維虛擬圖像系統(tǒng)，對(duì)骨組織結(jié)構(gòu)的三維顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和骨小梁數(shù)字信息的篩選廈門大學(xué)王博亮教授構(gòu)建了中國(guó)人虛擬眼系統(tǒng),開發(fā)應(yīng)用回顧（續(xù)）,上海交通大學(xué)莊天戈教授根據(jù)中醫(yī)的理論，將

15、腧穴融入到由VHP數(shù)據(jù)集和漢堡大學(xué)的Voxel-Man三維體視系統(tǒng)所開發(fā)的人體模擬系統(tǒng)中，基本實(shí)現(xiàn)了腧穴的形態(tài)和細(xì)微結(jié)構(gòu)的分割、定義和體視化上海中醫(yī)藥大學(xué)余安勝教授運(yùn)用斷層數(shù)據(jù)集開發(fā)了虛擬的“中國(guó)針灸穴位人”的三維圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和3D重建軟件田捷研究員等開發(fā)了一個(gè)開放的、跨平臺(tái)的和具有一致編程接口的三維醫(yī)學(xué)圖像處理軟件包（MITK：Medical Imaging Toolkit）實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像可視化、圖像分割、配準(zhǔn)和其它分析處理。上海

16、海歸胡博士和相關(guān)公司開發(fā)了一個(gè)內(nèi)容涵蓋人體解剖學(xué)、臨床解剖學(xué)、表面解剖學(xué)、局部解剖學(xué)和中醫(yī)針灸經(jīng)略穴位等方面可視化的虛擬人體解剖學(xué)軟件,發(fā)展前景及其策略探討,數(shù)字化虛擬人的發(fā)展趨勢(shì)是從“虛擬可視人”，向著“虛擬物理人”和“虛擬生物人”階段發(fā)展。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1999年10月提出了關(guān)于實(shí)施虛擬人體創(chuàng)新計(jì)劃（The Virtual Human Project Initiative）的報(bào)告。這個(gè)計(jì)劃的主要宗旨是將人類基因組計(jì)劃、人體

17、機(jī)能建模和VHP計(jì)劃的研究結(jié)果結(jié)合起來(lái)，完成人體的物理建模，使虛擬人在外界的刺激下能做出帶有科學(xué)規(guī)律性的反應(yīng)美國(guó)科學(xué)家聯(lián)盟提出了 “數(shù)字人體計(jì)劃”實(shí)現(xiàn)人體從基因到分子、細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)和全身整體的全方位模擬；實(shí)現(xiàn)生物信息從離體到活體的連續(xù)提?。粯?gòu)建的有關(guān)虛擬模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、程序源代碼等軟件資源應(yīng)廣為開放等,發(fā)展前景及其策略探討,我國(guó)學(xué)者中國(guó)科學(xué)院畢思文研究員2002年提出了“數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué)”概念 按照作者的定義，

18、數(shù)字人體的基本含義是借助醫(yī)學(xué)科學(xué)、生命科學(xué)與信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的高度綜合和交叉融合，對(duì)人體系統(tǒng)的定性描述進(jìn)行定量表達(dá)，以加深對(duì)人體系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)，改變未來(lái)人體系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容日本在2001年啟動(dòng)了為期10年的“日本虛擬人計(jì)劃”,發(fā)展策略探討,制定一套適合我國(guó)國(guó)情的數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集獲取的標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集的共享機(jī)制加強(qiáng)數(shù)字化虛擬人體應(yīng)用性的開發(fā)研究全局?jǐn)?shù)據(jù)集，人體解剖學(xué)局部數(shù)據(jù)集、組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)的數(shù)

19、據(jù)集。南方醫(yī)科大學(xué)已完成了13個(gè)數(shù)字人的局部數(shù)據(jù)集構(gòu)建多學(xué)科的科學(xué)協(xié)作和攻關(guān)的研究聯(lián)盟提高圖像分割的速度和精度大規(guī)模的人體數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)處理。0.2mm到0.1mm數(shù)據(jù)量150GB增到1.2T。完善國(guó)家發(fā)展數(shù)字化虛擬人體的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃,6.4 關(guān)于數(shù)字人體-人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué),數(shù)字人體的基本概念數(shù)字人體是用數(shù)字化的方法研究和構(gòu)建數(shù)字化的人體系統(tǒng)，即人體活動(dòng)的全部信息經(jīng)數(shù)字化后由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理，以了解整個(gè)人體系統(tǒng)所涉及的信息過(guò)程，并揭

20、示人體系統(tǒng)之間信息的聯(lián)系和相互作用的規(guī)律是以活人為研究對(duì)象，以醫(yī)學(xué)科學(xué)、信息科學(xué)、智能科學(xué)和計(jì)算科學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立一系列不同層次的原型、物質(zhì)模型、生理模型、力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、信息模型和計(jì)算機(jī)模型，并將這些模型集成為“有生命的”人體系統(tǒng)模型。,數(shù)字人體的提出,畢思文研究員2002年7月在中國(guó)醫(yī)藥信息學(xué)會(huì)《第九屆全國(guó)醫(yī)藥信息大會(huì)論文集》和《第四屆中日韓醫(yī)藥信息學(xué)會(huì)議論文集》，2004年8月出版了《數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué)》專著 數(shù)字

21、人體與數(shù)字化虛擬人的區(qū)別都是一門專門研究人體系統(tǒng)數(shù)字化的科學(xué)數(shù)字人體研究的對(duì)象是活人，數(shù)字化虛擬人研究的對(duì)象是死人數(shù)字人體研究的內(nèi)容包含基礎(chǔ)理論與模型、技術(shù)處理、系統(tǒng)工程和數(shù)字人體應(yīng)用等；數(shù)字化虛擬人研究的內(nèi)容主要關(guān)注的是人體標(biāo)本的選擇和處理、人體切片信息的技術(shù)處理和人體數(shù)據(jù)集的應(yīng)用等幾個(gè)方面數(shù)字人體處理的目的是為了了解人體系統(tǒng)在某一時(shí)間和空間尺度下的結(jié)構(gòu)和功能，而虛擬人處理的目的主要在于還原人體系統(tǒng)在某一位置的結(jié)構(gòu)和功能,數(shù)字

22、人體的基本理論和模型,數(shù)字人體研究的基本理論人體系統(tǒng)的分類和層次人體系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)人體系統(tǒng)的離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)人體系統(tǒng)的隨機(jī)性人體系統(tǒng)的自組織人體系統(tǒng)的巨系統(tǒng),,2. 數(shù)字人體研究的基本模型數(shù)字人體的力學(xué)模型數(shù)字人體數(shù)學(xué)模型數(shù)字人體的信息模型,數(shù)字人體的技術(shù)和方法,數(shù)字人體的基本方法基本方法論方法實(shí)施的邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)字人體的基本技術(shù)虛擬技術(shù)海量數(shù)據(jù)的處理技術(shù)數(shù)字人體的數(shù)值模擬技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)圖形可視化技術(shù)