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。许多著名大学的研究机构围绕该数据集开展了图像自动分割、图像处理建模、3D重构和VHP人体运动模型等大量研究工作并引发了一系列的前沿学术讨论。到2000年为止，美国人已经建立了全身皮肤肌肉骨骼和心脏等部分器官的三维模型，并开发了基于VHP数据集的具有触觉功能的医学虚拟现实硬件设备、虚拟内窥镜、虚拟病人模型系统等，这些研究成果的应用取得了非常好的社会和经济效益。 除美国外，韩国、日本等也相继开展了数字化虚拟人研究计划。韩国亚洲大学医学院郑民锡博士带领的研究小组在韩国科技信息研究院的资助下，提出一个5年内完成5具尸体切割任务的“可视韩国人计划”（Visible Korean Human plan, VKH），并于2000年完成了第1例男性尸体的切片工作，其切片间距为0.2mm，共有8590个断面，数据量为153.7GB。这是世界上第二例尝试，也是第一例有东方人种特征的人体数据采集。日本于2001年启动了为期10年的人体测量国家数据库建造计划。这项计划选取了34000名7-90岁的普通民众作为研究对象，对每个人身体上的178个部位进行了详细地数据测定，从而制定出日本人的人体标准数据。此外，日本京华医科大学利用图像技术建造了“日本可视人”，德国汉堡大学建立了著名的Voxel-Man系统，英国PA咨询公司和美国奥姆科学公司联合研制了新一代的数字化虚拟人…… 三、国内研发进展 2001年11月在北京召开了聚集医学、计算机学、机器人学、生物医学工程学、电子工程、机械加工、医学物理、信息医学等42位专家学者的香山科学会议第174次学术讨论会，以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题，研讨了在新世纪前沿科技领域中，生命科学与信息科学相结合的重要课题，并提出我国数字化虚拟人体研究的规划和建议。随后, “数字化虚拟人体若干关键技术”和“数字化虚拟人体模型构建及海量储存”被列入国家高技术研究发展“863”计划项目，从而揭开了我国数字化虚拟人研究的序幕。经过一年多的努力，中科院计算所、第一军医大学临床解剖学研究所、首都医科大学生物医学工程学院、华中科技大学生命科学与技术学院共同协作，完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务。2003年3月，第三军医大学完成了中国首套数字化可视人体数据采集。 之后，我国重庆、广州等地的解剖专家先后建立了多个数据集。其中，重庆男断层精度1.0-0.1mm，断面总数2518片，数据量90.648GB；重庆女断层精度1.0-0.1mm，断面总数3640片，数据量130.04GB。广州男断层精度0.2mm，断面总数9232片，数据量161.6GB；广州女断层精度0.2mm，断面总数8556片，数据量149.7GB。依据这些数据集，众多科研、教学、医疗单位共同协作，开发了各类应用软件，跟踪世界科学研究前沿。

第二节 中国数字人解剖系统的开发 2007年重庆第三军医大学人体断层解剖学课题组的数字化虚拟人相关研究获国家科技进步二等奖。2008年，该课题组与山东大学医学院断层解剖学课题组及相关技术开发公司强强联合，共同开发中国数字人解剖系统。 中国数字人解剖系统以第三军医大学的数据集为依据，即：男性断层精度0.1mm—1mm，断面总数2110层；女性断层精度0.1mm—0.5mm，断面总数3640层。之后，历经图像组织、分割提取、三维建模、软件融合等过程，通过数十位专家近3年的不懈努力，中国数字人解剖系统于2010年底开发成功，正式面世。 在中国数字人解剖系统之前，在世界范围内运用最广的完整人体数字可视化系统是美国的VH Dissector 可视化解剖系统，两者相比，中国数字人解剖系统的优势体现在如下几个方面： 一、切面精度 中国数字人解剖系统的断层精度男女分别为0.1mm—1mm和0.1mm—0.5mm不等距，高于美国VH Dissector系统等距1mm的断层精度。 二、完整性 美国VH Dissector系统的断层数据是先将人体截成三段后分别获取的，中间出现了数个厘米的缺失。而中国数字人解剖系统的断层数据是连续获取的。 三、断层图像的清晰度和饱和度 中国数字人解剖系统的水平断层图像在清晰度和饱和度方面均好于美国VH Dissector系统（见图1-1）。且中国的数字人软件能够合成出矢状断层和冠状断层图像，而美国VH Dissector系统不能显示矢状断层和冠状断层图像。

中国数字化虚拟人水平断层图像 美国数字化虚拟人水平断层图像 图1-2-1 中美数字化虚拟人水平断层图像对比 四、三维模型 美国VH Dissector系统的三维模型是以5°为单位进行断续转动，而中国数字人解剖系统的三维模型可任意角度连续旋转，平滑且无限制。 五、功能方面 中国数字人解剖系统增加了解剖结构的说明文件和关键点的标注，便于学习和实用。

第三节 中国数字人解剖系统的主要功能 一、中国数字人解剖系统主界面 中国数字人解剖系统主界面分为三个区域（图1-2）：

图1-3-1 中国数字人解剖系统主界面 （一）断层显示区域 以窗口形式显示人体水平面、冠状面、矢状面截面图，窗口可以单独放大，并使用虚拟切刀进行层面选择。其中水平断面图像共2110层，最小间距达到0.1mm。 （二）三维显示区域 显示人体解剖结构的的三维模型，共分为10大系统，共2300多个解剖结构的三维形态。按照系统解剖学或局部解剖学的目录展示人体各解剖结构，每个解剖结构都加注了文字说明和关键结构标注，并带有各解剖结构的英文名称和应为发音 （三）目录及结构说明 系统目录结构对人体所有的解剖结构进行科学分类，形成的一个完整的目录体系。目录结构是整个数字人软件系统的总纲和索引，包括系统解剖学目录和局部解剖学目录。 系统解剖学目录包括（图1-3）： 1. 运动系统：包括骨骼肌、骨，共8级树形目录，855个解剖结构。 2. 消化系统：包括消化管、消化腺，共4级树形目录，38个解剖结构。 3. 呼吸系统：包括鼻、喉、肺、气管支气管，共5级树形目录，69个解剖 结构。 4. 泌尿系统：包括肾、输尿管、膀胱、尿道，共3级树形目录，8个解剖 结构。 5. 男性生殖系统：包括内生殖器、外生殖器，共2级树形目录，22个解剖 结构。 6. 脉管系统：包括心血管系统、淋巴系统，共12级树形目录，705个解剖 结构。 7. 视器：包括眼球、眼副器，共5级树形目录，88个解剖结构。 8. 神经系统：包括中枢神经系统、周围神经系统，共8级树形目录，547 个解剖结构。 9. 内分泌系统：包括垂体、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺，共3级树形目录， 8个解剖结构。 10. 皮肤 图1-3-2 中国数字人解剖系统系统解剖学目录 系统解剖学目录中包含2300多个不可再分的解剖结构，每个结构都有其中英文名称及注释，并配有英文发音（图1-4）。

图1-3-3 解剖结构对应的中英文名称及注释 局部解剖学目录包括：头部、颈部、胸部、腹部、盆部、脊柱区、上肢、下肢等。 二、中国数字人解剖系统功能 根据区域分割，中国数字人解剖系统的主要功能如下： （一）断层显示区域功能 断层显示区域包括人体的水平面、冠状面、矢状面截面图，其中横断面采用第三军医大学2003年制作的重庆35岁男性真实人体断层图像。分辨率为0.167mm×0.167mm/像素。原始标本身高1.70米，体重65千克。断面总数2110层，断层精度为0.1mm—1mm（头部与胸部断层间距达到0.1mm—0.5mm，腿部断层间距为0.5mm—1mm）（图1-5）。