中国数字化虚拟人体研究的发展与应用

《科技政策与发展战略》

2004年第1期

中国数字化虚拟人体研究的发展与应用

——香山科学会议第208 次学术讨论会综述

以“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”为主题的香山科学会议第208 次学术讨论会于2003年9月9～12日在北京香山举行。会议聘请第一军医大学钟世镇院士、深圳大学牛憨笨院士、首都医科大学罗述谦教授和中科院计算所李华研究员担任执行主席。会议的中心议题是：断层解剖数据获取关键技术探索、多光谱探测技术与人体组织信息获取、图形图像处理技术、网格与数据共享、神经与微小器官信息获取等在医学和相关领域的应用。

一、我国数字化虚拟人体研究进展及待解决的问题

中科院计算所李华研究员代表会议筹备组作了题为“中国数字化虚拟人体研究的

发展与应用”的总评述报告。报告中指出，我国已经基本掌握了低温冷冻标本切片的加工方法，对于0.1mm或者更薄的高精度断层切片数据的获取有较大的把握。

图像的准确分割是器官和组织三维重建的基础。如何提高人体切片图像数据图分割的精度和速度是目前公认的瓶颈。随着切片加工精度的提高，这一问题越来越迫切。如果以0.1mm间距切片计算，一个完整标本加工将获得大约2万片断层图像。因此，寻求新的技术方法解决这一问题具有重要意义。由于不同的人体组织内在的质的不同，采用多光谱技术，其中包括紫外线照射获得人体组织的不同自体荧光图像，期待能够有利于将不同组织区别开来。深圳大学利用光谱成像技术，找到对于特定组织的特异光谱区间，就可能对神经等组织的分割和建模奠定基础。在此方面的技术进展，可能使我们处于国际领先的地位。

大规模数据或者海量数据的处理是伴随数字人研究要解决的另一个关键技术。数字人的研究将伴随庞大的人体信息数据库的建设是显而易见的。数据量大，层次关系多，数据实体复杂，前所未有。以目前的实验数据集为例，0.2mm片层间距变为0.1mm间距时，数据量将由目前的近150G 变为1.2T。如果计及随后重构处理所产生的新数据，整体规模还要成倍增长。如此大量的数据，将对存储管理、维护、操作、显示带来新的挑战。网格计算的思想可能为此提供新的思路。在分布、异构的环境下，实现协同工作，共享数据和知识是目前对计算环境的新要求。

此外，有限标本数据与大规模统计数据的结合，人体标准坐标系的建立是数字化虚拟人应用必须解决的另外一个关键问题。前者需要大范围人体测量数据的支持，需要借助国家行政力量、体现国家的意志才能完成。后者的研究需要与生物力学专家、标准化专家的密切配合。三维人体标准在国际国内都还是一个尚待建立的标准。如何与临床的个体数据相结合，是数字化虚拟人医学应用要解决的问题。

钟世镇院士就人体数据获取的进展、存在的问题作了简明的报告，并提出了自己的建议。在“中国数字化虚拟人”的数据获取中，还有很多重大的科学问题有待解决。例如：在医学上有重大意义的周围神经系统、淋巴系统等。在形态学上,这些结构与邻近的组织没有明显的区分,影响到图形图像的分割处理。更为困难的是在人体框架上，赋予物理性和生理性的功能特征。人体切片数据集的构建，是为后续的信息技术专家们提供优良的精确框架，要特别注重的是质量而不是数量。为此，在数据获取时要在标志点、分辨率、对比度、灰度值、颜色值等方面精益求精，为后续的图像配准和分割技术做好准备。

深圳大学的牛憨笨院士作了“人体数据获取中的多光谱技术”的学术报告。报告认为由于处于人体各系统主导地位的神经系统并不能在人体断面成像中实现物理分割，这为通过医学图像处理的方法从人体断面提取神经带来极大的难度。他详细介绍了多光谱技术和荧光技术的原理及其在生物医学领域中的应用，利用多光谱技术，主要是利用生物组织自体荧光技术对神经组织及其它组织的特征荧光光谱做了测定，并根据建立起来的组织光谱信息，对动物断面的自体荧光成像进行了研究和实验，取得了初步成果。

罗述谦教授作了“数字化虚拟人图像处理及设想”的报告。报告认为人体包含2000左右器官和解剖结构，其精确分割需要大量的人力（包括计算机和医学解剖专家）的投入，美国在可视人计划(VHP)数据处理与前期数据获取的经费投入是3：1。我国也应对后期图像处理（包括图像配准、分割、3D重建、浏览及网络）给予相应的研究经费支持，否则，尽管采集的数据高分辨，没有高精度、高质量的后期处理也是没有用处的。中国数字化虚拟人女一号的数据处理工作正在紧张地进行。目前已经完成全身表面重建、全身骨骼提取，体数据集三个正交平面快速浏览以及局部器官（心、肝、肺，头部，盆腔）3D重建。

秦笃烈教授作了“数字化虚拟人体的国内外可持续发展的跨学科整合和展望”的

报告。报告认为，数字化虚拟人体是一项深思熟虑的长期科学规划。鉴于可视人体和数字解剖学对医学发展的重要性，美国已经将可视人体的研究成果和全民卫生教育相融合。鉴于美国众议院下达文件要求各个政府部门支持数字人研究，要求使用数字人概念，建议今后在国家规划或立项中采用数字人的提法。在信息时代，科学数据成为战略资源。科学数据的共享成为国家综合国力的衡量标准，信息化时代“国家科技素质”高低的尺度，也是推动科学技术可持续高速度发展的驱动力。

林宗楷研究员作了“数据网格与大规模数据管理”的报告。数字化虚拟人体的数据量非常庞大，如何方便、高效和安全地存储与管理这些数据，已是一个突出的问题。他通过分析数字化虚拟人体数据的特点及其对数据管理的基本要求，认为数据网格比较符合需求，因而基于数据网格的思想，提出了一个数字化虚拟人体海量数据进行管理的方案，并对开始建立的一个基于数据网格的数字化虚拟人体数据管理原型系统做了介绍，展示了初步的成果。

二、数字人数据获取技术

第一军医大学原林教授认为数据集的精度和质量对后续工作至关重要。就断层厚度的选择而言，其厚度的选择与环境温度的控制、刀具的数量及其刃口的几何尺寸以及采用的图像获取设备的分辨率等等有着直接的关系。就最基本的图像分辨率与断层厚度而言，断层越薄获得的断层信息就越多。而象素是图像分辨的最小单位，如果象素的小径大于层厚，意味着实际可分辨的图像达不到预期的要求。

山东大学医学院的刘树伟教授指出，在美国的VHP中缺乏人体浆膜腔和筋膜间隙的信息。在中国数字化虚拟人体研究中，应努力解决这一问题。刘教授设想可以采用以下几种方法来获取人体浆膜腔和筋膜间隙的断面数据并予以精确识别：间隙灌注后再冰冻铣切，或者锯切，薄层冰冻锯切，使用大型冰冻切片机切片，使用病理标本制作断面，使用影像学方法显示等。

复旦大学中山学院的陈中伟院士作了人体臂丛神经的三维立体结构的计算机重建

的报告。他指出，由于神经干内部各神经束的组成在功能性质上互相交叉混合，因此如何精确地显示臂丛神经内部神经束和神经纤维的错综复杂的立体结构已成为该领域的

当务之急。现有的臂丛神经断面二维图谱仅提供了臂丛神经在某一平面的二维图像信息，因此根本不能反映此神经在其全程中神经束交叉重组的错综复杂变化过程。他们应用臂丛神经连续组织切片在国内外首次较为成功地重建了臂丛神经的三维结构及其内

部神经束的立体行径，确立了一种人体周围神经显微结构三维重建的实用方法，为中国数字化虚拟人的神经系统模型的构建作了尝试，为临床上臂丛神经损伤修复方式的选择提供了良好帮助。

深圳大学郭宝平研究员介绍了时间分辨多光谱技术研究的进展。通过光与物质的相互作用使光发生某种变化，并探测光的变化获取物质的有关特征信息，如荧光强度、荧光光谱分布、荧光寿命和荧光偏振状态等。生物组织的发光强度比较弱，需要高灵敏度的探测技术，特别是在不同生物体的分割中，不同生物组织的荧光波长相差不大，利用窄带滤波片提取所需测量的组织发出的荧光，窄带滤波片对被测光的衰减大，需对荧光图像进行增强以利于记录。

天津大学徐可欣教授认为随着光学技术、激光技术和计算技术的发展，应用光学方法进行人体健康信息的诊断和对于疾病的治疗技术正在急速地发展，诊断仪器的开发也正在从人体形态信息的图像化向着基于生理、生化学的机能信息的图像化发展。比如研究应用近红外的光学方法、以光CT为代表的图像诊断技术和人体生理信息的光学检测技术，正在为人体健康信息的无创伤获取和健康状态的监测开辟了新篇章。

西安交通大学生物工程学院的张镇西教授认为要深入了解心律失常的机制，必须研究动作电位及其在细胞间传播的电特性。他列举了从细胞水平获取身体信息的三种新方法：膜片钳技术（测量单个心肌细胞各种离子通道特性与动作电位，以及它们与发生心律失常的关系）、计算机模拟技术（利用心肌细胞数学模型模拟动作电位的形成和心律失常的发生）和光学标测技术。

北京同仁医院耳鼻喉专家韩德民教授介绍了耳鼻咽喉解剖结构影像学数据、组织学数据的获取和处理方法，为进行数字化耳鼻咽喉解剖学研究提供了参考；他们利用中国首例女性虚拟人数据集对耳鼻咽喉解剖结构进行了三维重建，在进行中国数字人精细结构的重建上积累了有益的经验。

三、图像图形处理技术、网络与数据共享

中科院自动化所田捷研究员的工作组正在开发一套三维医学影像处理的支撑开发包——MITK(Medical Imaging ToolKit)。MITK集成了可视化和图像分割、配准等图像处理功能，并且具有功能图像的处理和分析功能，这些都将以开放的、跨平台的、具有一致编程接口的C++类库的形式呈现。作为MITK的应用，他们还在其基础上构建了新的基于虚拟中国人数据集的三维医学影像处理与分析平台（3DMED），支持Windows、Unix/Linux平台；支持Plugin架构；支持中、英文界面的切换等。

上海交通大学的庄天戈教授认为传统的腧穴形态学的图片都是两维图像或静态的三维照片，不能详尽地显示腧穴的三维层次结构。目前，依据CT、MRI等断层图像和VHP 数据集，虽然可以得到人体的三维数据，并可通过体视化技术获得人体三维影像，但未能包含中医腧穴的丰富信息。这是由于腧穴的形态和细微结构还很难直接由CT、MRI和通过VHP数据等手段反映。他们基于中医理念将腧穴融入人体模型中，由于起步工作较早，原始数据暂时取自美国 VHP数据集。建模过程基于德国汉堡大学开发的VOXEL-MAN 三维体视化模型，实现分割、定义、体视化及文本知识的组织。

中国科技大学的冯焕清教授报告了采用真实色彩的虚拟人彩色解剖切片图集的绘制，他们采用色彩空间转换的方法进行绘制。他指出根据对应的CT或MRI体数据确定不透明度转换函数，仅把彩色体数据作为辅助数据场，直接检索得到色彩值，要解决两个数据场的配准问题，而且内存消耗大。他们采用前一种方法，并运用高质量成像算法进行渲染，从而能给出直观而真实的图像，实现虚拟人及其内部器官的多方式浏览。

解放军总医院的尹岭教授作了科学数据共享的报告。报告认为，虚拟人体计划的研究和开发已成为发达国家信息技术和医学基础建设的重要组成部分，其研究成果可迅速

转化为商业化产品技术而广泛应用于医学的各个方面，也可推广应用于智能机器人和与人相关的所有工业和军事领域。他建议尽快建立面向医学全方位应用的高精度数字化虚拟人体计划研发和应用数据共享机制，解决共享制度、技术标准和组织实施等问题。虚拟人体数据共享的成功，可以同基因组数据共享、蛋白质组数据共享、神经信息学数据共享一样，作为信息最大程度地服务于科学和社会的具有重要价值的典型案例。

四、在医学和相关领域的应用

与会专家对虚拟人在传统医学、现代医学、工业设计、人体运动仿真等领域的应用做了介绍，大家认为虚拟人必将在这些领域发挥更大的作用。

上海中医药大学的余安胜教授认为虚拟针灸人能体现中国特色的传统针灸穴位和经络形态解剖结构。针灸穴位的准确定位以及进针的角度、深度、方向直接影响着针刺的疗效。他们运用计算机图像数字处理技术重建人体针灸穴位解剖立体结构，制作出"中国针灸穴位人"三维重构图像数据库和三维重构软件，通过三维虚拟环境，学生可以任意定位、转动和观察穴位内部结构。

上海复旦大学数字医学中心的宋志坚教授提出了建立高精度人体几何模型的方法，实现对活体人体断层数据的快速高精度重建，并通过临床试验应用对其准确性进行了验证。最后，对模拟脑部手术时组织变形的物理模型问题进行了探讨。他们还将这种方法应用于虚拟手术中，提高了虚拟手术的模拟速度，使虚拟手术的实时操作成为可能。

北京友谊医院的王宝恩教授认为目前的影像学、病理学的肝病诊断方法都有一定局限性，难于展示肝脏的三维立体结构，因而对疾病的发展、药物的疗效也难于做出准确的评价。他们应用中医中药治疗肝纤维化及肝硬化的研究有所突破，已达到使早期肝硬化可以逆转的目的，但对于致病因子所引起的纤维骨架及血管结构所引起的变化能恢复到何种程度尚不易从三维的结构的水平上判断。他们初步的工作表明，用三维成像的技术可以见到纤维组织的结构在肝硬化时成蜂窝状，血液微循环系统全部紊乱，治疗后有明显好转。

厦门大学的王博亮教授拟构建的中国人虚拟眼将在眼科教学、眼病生理研究和临床诊断及治疗等方面得到广泛的应用。他们已取得的一些阶段性成果目前已在临床得到了应用。特别是裂隙灯眼前节图像采集和分析系统，已进入临床试用阶段两年，获得了大量的数据。通过虚拟眼的研究，希望能开发出新的治疗手段。未来要建立组织级、细胞级乃至分子级的虚拟眼模型。未来的模型将可以用于生理化学过程研究进而用于新药物的开发。

解放军总医院骨科研究所的卢世璧院士通过数字化信息的采集、三维图形的重组，构建人体关节的功能三维图形，对骨组织结构的三维显微结构进行分析，经过对其有效结构——骨小梁数字信息的筛选，对完整掌握骨关节病发展中各组分在体内的变化及相互影响、完成模拟生理状态数据骨组织的结构重建具有重大的意义。

浙江大学的孙守迁教授认为虚拟人是人在计算机空间（虚拟环境）中的几何特性与运动特性的表示，是多功能感知与情感计算的研究内容。可以广泛应用于艺术与设计领域，包括非物质文化遗产保护、舞蹈编排、体育仿真、娱乐与传媒业、产品设计、服装设计与展示、会展设计等领域。

(香山科学会议李增惠)

(香山科学会议赵生才)