数字化虚拟人体研究共26页文档
数字化虚拟人体器官的研究进展
数字化虚拟人体器官的研究进展杨芷菁;柯泽楷;连国云;刘志刚【摘要】数字化虚拟人体器官已成为医学领域中最活跃的研究课题之一,在病情诊断和医学教学中具有广阔的应用前景.本文重点从人体的头颈部、胸部、腹部及神经系统4个方面回顾数字化虚拟的国内外研究现状,并对发展前景做出展望.数字化虚拟人体器官研究有助于提高人类对自身的认识,促进现代医学发展,并为医学研究和临床应用提供技术支撑.%Digitized virtual human organ has become one of the most active topics in medicine research fields and is widely used in disease diagnosis and medical teaching. This paper focuses on the current research situation of the digitized virtual human organs based on human body' s head and neck section, breast section, stomach section and nerve section, respectively. Digitized virtual human organ research contributes to the understanding of our organs, the promotion of the medical development and the technical support for medicine research and clinical applications.【期刊名称】《北京生物医学工程》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】6页(P309-314)【关键词】数字化技术;虚拟人体器官;三维重建【作者】杨芷菁;柯泽楷;连国云;刘志刚【作者单位】深圳大学医学院,广东深圳,518060;深圳大学医学院,广东深圳,518060;深圳大学医学院,广东深圳,518060;深圳大学医学院,广东深圳,518060【正文语种】中文【中图分类】R318.040 引言数字化虚拟人体器官已经成为医学、解剖学中一个重要的研究领域，它在医学科学研究、教育事业及临床工作中具有广阔的应用前景，包括药物的研制、外科手术的“开窗”、手术术前规划，以及人体形态学的教学［1-3］。
数字化虚拟人概述-超星数字图书馆
数字化虚拟人简介第一节数字化虚拟人概述一、基本概念数字化虚拟人体是将大量人体断面数据信息在计算机里整合重建成人体的三维立体结构图像，是医学与信息技术、计算机技术相结合的成果。
“数字化虚拟人”的发展可分为4个阶段，即“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”。
虚拟可视人阶段的任务是建立数字化几何人，将人体的形态结构通过计算机信息化手段建成系统、器官、组织等结构的数字化模型。
虚拟物理人阶段的任务是建立数字化物理人模型，在几何人的框架上，加入人体结构的物理参数，从而能够体现结构的物理性能。
虚拟生理人阶段的任务是在上述框架中，加入生理功能参数，反映人的新陈代谢、生长发育等。
虚拟智能人是最高级阶段，虚拟人能够在人工智能的支持下调节自身的物理性能和生理功能。
目前普遍开展的是虚拟可视人研究。
二、国外研发进展二十世纪八十年代末美国科学家启动了“虚拟可视人计划（Visible Human Plan，VHP）”，目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟，被认为是二十世纪震撼全球的科研计划之一。
1989年，美国国立医学图书馆（NLM）计划建立一个医学图库，为生物医学文献提供图像检索。
在该计划中，美国科罗拉多大学的健康中心负责人体断面图像的获取工作，维克托·斯皮兹尔教授带领研究小组于1994年和1996年先后获得了一男一女两具尸体的相关数据，包括MRI、CT和切片图像等。
其中男性身高1.82米，女性身高1.54米，用CT和MRI作轴向扫描，扫描间距为男性1mm，1878个断面，女性0.33mm，5190个断面。
之后，将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶冰冻至摄氏-80℃后，再以同样的间距对尸体作切片并保留断面图像资料，由于CT和MRI受到断面精度和灰色成像的限制，后续“数字化虚拟人”发展的基础框架均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，男性的电脑存储数据量为15GB，女性数据量为43GB，这些数据称VHP数据集，这是人类在信息技术基础上建立数字化解剖的首例尝试。
人体断面数字化数据库的获取与三维建模-文档资料
人体断面数字化数据库的获取与三维建模我国于2001年在北京香山召开的主题为“中国数字化虚拟人体科技问题”的第174次香山科学会议后，启动了中国数字化虚拟人体的研究。
主要工作是将人体从头顶至脚跟横切成16600片，每个切片经拍照分析后将原始数据输入计算机整合，在计算机里合成一个三维立体的人体结构，成功获取了虚拟中国人体。
该文将从面向教学应用入手进行人体器官削切及和结构三维建模方面的一系列研究，探索了适合医学院校实际的人体器官和结构的数字化及三维建模的模式流程、关键技术。
1 切片三维建模流程及其方法人体切片图像的三维建模主要是指以削切冰冻器官成断层图像为基础，综合运用各种图像处理技术，构造成三维可视化模型。
其过程关键步骤如图1所示。
1.1 实验前准备1.1.1 建立独立铣切冷冻室建立独立的铣切冷冻工作室并浇筑机床基座，控制工作室温度在0℃～-10℃之间。
1.1.2 钻铣车床改造选用了立卧式（ZX5026）钻铣床[9]，选取的铣切设备间矩高达 0.33mm，极易受震动干扰，如图1、a所示。
钻铣床原装100mm直径刀盘不能一次性、完整地铣削出标本的水平断面。
将刀盘直径增加至300mm，在刀盘平均装上定制的3块80mm×30mm 钨钢铣刀，如图2、f所示。
另外，钻铣床原装的固定槽过小，不能固定包埋体。
通过实验，安装2个特制螺丝板于滑动台用于固定标准，如图2、d所示。
1.1.3 相机的选取与安装（1）相机的选择：因照片质量要求非常高，要在进行冷冻切片时自动对焦，通过计算机操作空进行拍照。
经过比较后，选择了佳能EOS7D数码相机配上佳能EF24mm f/1.4 L镜头，最高像素1800万、最高分辨率5 184×3456、高ISO感光度、经改造后支持计算机控制拍照。
（2）相机的固定：采用独立三脚架固定最大限度的降低削切过程产生的震动影响，最大限度的保证图像的垂直最大化和平面化。
如图2、b所示。
数字化虚拟人体
数字化虚拟人体发文时间：2001年12月28日数字化虚拟人体首都医科大学生物医学工程学院秦笃烈引言医学的发展动力始终和各个时期的高科技密切相关。
一个内涵更加广泛的、包含当代最先进技术和庞大学科群的崭新高科技领域———数字化虚拟人体，已经浮现出地平线。
21世纪的医学将有大的飞跃，这种飞跃的基础是对人体形态和机能的更加深入的定量研究。
经过将近30年在不同领域的发展和酝酿，终于形成了虚拟人体（V irtual Human）或数字化人体（D igital Human）这一共识。
2001年4月21－27日，由斯密森学会组织了诺贝尔周，邀请一批诺贝尔奖得主及其他著名科学家作报告，总题目就是“虚拟人”，副标题为“21世纪科学的领域”。
这次会议的组织意图是将21世纪许多最前沿的学科的成果聚焦到虚拟人的建造上。
从这个意义上讲，这次会议的主题具有新的科学宣言的品位。
虚拟人体的发展已经有几十年历史，到目前为止有以下三个大的信息源头，各自有国际合作网络，他们都有全方位模拟人体的长远计划：1、由美国国立医学图书馆倡议的可视人体项目（V HP），侧重于人体结构的数字化以及相关知识库的研究。
2、美国橡树岭国家实验室提出的虚拟人体（V irtual Human）计划，利用V HP数据侧重人体机能模拟，目前为器官级。
3、由美国科学家联盟提出的数字化人体（ D igital Human）项目，所建造的数字人体信息库是最完整的。
其研究强项是细胞级虚拟人体模拟。
作为科技发展方向，我们可以将这三个部分统称为数字化虚拟人体。
数字化虚拟人体方法论有以下特点：·强调整合。
要及时地将各个领域的研究成果整合到虚拟人体的研究；·人体的全方位模拟。
包括基因、分子、细胞、组织、器官以及全身。
全方位推进工程学方法；·推动人体模拟软件大发展。
推出人体数字图谱、虚拟细胞等软件；·推动尖端研究设备的研制。
·瞄准医学教育和临床的革命性变革。
数字虚拟人体平台增强大学生创新能力
数字虚拟人体平台增强大学生创新能力孟凡洁;张国荣【摘要】Digitized virtual human platform provides a new model for the study and research of human anatomy. This mode can fully mobilize the students’ interest in learning, train practical ability, self-learning ability and creativity, and promote the human anatomy teaching reform.%数字虚拟人体平台为人体解剖学的学习和研究提供了一种新的模式。
该模式能充分调动学生的学习兴趣，培养动手能力、自主学习能力和创新能力，推动人体解剖学教学改革。
【期刊名称】《中国教育技术装备》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】2页(P25-25,26)【关键词】数字虚拟人体平台;创新能力;大学生【作者】孟凡洁;张国荣【作者单位】长春中医药大学 130117;长春中医药大学 130117【正文语种】中文【中图分类】TP391.910.3969/j.issn.1671-489X.2016.04.025*项目来源：吉林省教育科学规划课题“基于可视化数字人体平台进行解剖学教学改革的研究”（基金编号：GH14169）。
作者：孟凡洁，长春中医药大学副教授，研究方向为人体解剖与组织胚胎学教学科研；张国荣，通讯作者，长春中医药大学讲师，研究方向为人体解剖与组织胚胎学教学科研（130117）。
在过去的几十年里，我国的本科教育取得一定成绩，但与不断发展的社会需求相比，还存在较大差距[1]。
尤其是学生大多以被动接受的学习方式为主，缺乏自主学习能力和创新能力，可持续发展的动力不足。
解剖学是重要的医学基础课程之一，属于形态学范畴。
数字化虚拟人概述
数字化虚拟人简介第一节数字化虚拟人概述一、基本概念数字化虚拟人体是将大量人体断面数据信息在计算机里整合重建成人体的三维立体结构图像，是医学与信息技术、计算机技术相结合的成果。
“数字化虚拟人”的发展可分为4个阶段，即“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”。
虚拟可视人阶段的任务是建立数字化几何人，将人体的形态结构通过计算机信息化手段建成系统、器官、组织等结构的数字化模型。
虚拟物理人阶段的任务是建立数字化物理人模型，在几何人的框架上，加入人体结构的物理参数，从而能够体现结构的物理性能。
虚拟生理人阶段的任务是在上述框架中，加入生理功能参数，反映人的新陈代谢、生长发育等。
虚拟智能人是最高级阶段，虚拟人能够在人工智能的支持下调节自身的物理性能和生理功能。
目前普遍开展的是虚拟可视人研究。
二、国外研发进展二十世纪八十年代末美国科学家启动了“虚拟可视人计划（Visible Human Plan，VHP）”，目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟，被认为是二十世纪震撼全球的科研计划之一。
1989年，美国国立医学图书馆（NLM）计划建立一个医学图库，为生物医学文献提供图像检索。
在该计划中，美国科罗拉多大学的健康中心负责人体断面图像的获取工作，维克托·斯皮兹尔教授带领研究小组于1994年和1996年先后获得了一男一女两具尸体的相关数据，包括MRI、CT和切片图像等。
其中男性身高1.82米，女性身高1.54米，用CT和MRI作轴向扫描，扫描间距为男性1mm，1878个断面，女性0.33mm，5190个断面。
之后，将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶冰冻至摄氏-80℃后，再以同样的间距对尸体作切片并保留断面图像资料，由于CT和MRI受到断面精度和灰色成像的限制，后续“数字化虚拟人”发展的基础框架均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，男性的电脑存储数据量为15GB，女性数据量为43GB，这些数据称VHP数据集，这是人类在信息技术基础上建立数字化解剖的首例尝试。
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。
数字虚拟人的研究与应用
特点1
分辨率高， 标本骨髓内部结构、 小血管都能辨认
血管灌注技术高， 使最终的模型拥有丰富的微小血管
所选人体具有高保真性
特点2
特点3
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《中国数字人解剖系统》建立了人体解剖学2800多个人体结构的三维结 构模型(男性人体2300个，女性人体500多个)。经中国解剖学会鉴定：结构 模型精准、完整，表面纹理真实；合成后的矢状面和冠状面结构图像清晰； 目录和结构操作方便，并能进行双屏显示和立体显示，是目前国内外现有唯 一拥有中国人人体特征的完整数字人解剖系统。
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增加了解剖结构的说明文件和关键点的标注，对 于学生自学会起到很大的作用。
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断面显示功能是将人体从横、矢、冠（即上下、前后、 左右）三个方向进行切割，形成均匀的断面展示人体。 断面的层间距最大为1mm，能够任意放大与缩小，分辨 率为0.167mm×0.167mm/像素。
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三、军事应用：虚拟人在军事医学上也很有价值。比如，可以用虚拟人 来试验核武器、化学武器、生物武器的威力。现在的核爆炸试验都是利用动 物进行。试验前在离核爆中心的不同距离放置动物，核爆后再把动物收回来 检验。有了虚拟人就可以直接拿她来做试验。 四、肿瘤治疗：放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要手段，但由于 现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的调节，病人往往担心在此过 程中受到过量的辐射。现在有了虚拟人，医生就可以先对虚拟人作放射治疗， 通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用，最后再用到真正的病人身上。 这样就进一步提高了治疗的安全性。
切面拍照、分析，将数据输入电脑，由电脑合成三维人体生理结构。 再将数据、生物物理和其他模型以及高级计算法整合成一个研究环