数字虚拟人的研究与应用

1、1数字虚拟人的研究与应用数字虚拟人的研究与应用基础医学院解剖学教研室基础医学院解剖学教研室 2什么是数字虚拟人？ 数字虚拟人数字虚拟人简称“数字人数字人”或“虚拟人虚拟人” 目的目的:更加准确的描述和研究人体自身形态结构和生理生化功能指标，做到人体从微观到宏观结构与机能的数字化、可视化，进而完整的描述基因、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最终整合。为医学其他学科的研究提供更为精致的演示条件。技术关键为采集各种人体数据。3 什么是虚拟人什么是虚拟人 ？ 数字化可视人是人们将人体的成千上万个断面数据信息采集后通过计算机整合重新构建成人体三维立体结构模型及图像（亦有称其为虚

2、拟人），并可据此构建与人体形态、结构、信息相关的研究实验平台，为与人类相关的医学、生命科学及工业、军事等多种学科领域的研究和应用提供基础与技术支撑。 将人尸体冷冻后，用精密切削刀将尸体横向切成mm级薄片，对切面拍照、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境，在这种环境中观察人体对外界刺激的反应。 “虚拟人”没有感觉和思想，但他们的生物数据和人相同，主要用于开展无法在自然人身上进行的一系列医疗诊断与治疗研究。4-4-技术关键技术关键 采集各种人体数据采集各种人体数据对真人尸体从头到脚作高对真人尸体从头到脚作高精细水平断层处理精

3、细水平断层处理采集全部的数字高清图像采集全部的数字高清图像用大型计算机处理用大型计算机处理得到数字化虚拟人体得到数字化虚拟人体5 由美国最先进行。他们于年提由美国最先进行。他们于年提出了出了“可视虚拟人可视虚拟人”的概念，并于的概念，并于年制成了世界第一具男性年制成了世界第一具男性“虚拟人虚拟人” ” 我国对我国对“虚拟人虚拟人”的研究，在的研究，在年正式列入高新技术发展计划年正式列入高新技术发展计划 6“数字化虚拟人数字化虚拟人”研究是一项信息医学、生物技术、计算机技研究是一项信息医学、生物技术、计算机技术等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科。术等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交

4、叉学科。“数字化虚拟人数字化虚拟人”由美国科学家于由美国科学家于2020世纪末提出，并率先进行世纪末提出，并率先进行研究。他们于年提出了研究。他们于年提出了“可视虚拟人可视虚拟人”的概念，并于的概念，并于年制成了世界第一具男性年制成了世界第一具男性“虚拟人虚拟人”。此后，世界许。此后，世界许多国家都予以高度重视，特别是西方发达国家一直积极酝酿，多国家都予以高度重视，特别是西方发达国家一直积极酝酿，或启动专项研究计划。或启动专项研究计划。 “ “数字化虚拟人数字化虚拟人”包括包括“虚拟可视人虚拟可视人”、“虚拟物理人虚拟物理人”和和“虚拟生物人虚拟生物人”三个阶段。具有几何图型有视觉效果为三个阶

5、段。具有几何图型有视觉效果为“虚拟虚拟可视人可视人”也称也称“虚拟解剖人虚拟解剖人”；附加物理化学信息的为；附加物理化学信息的为“虚拟虚拟物理人物理人”；而附加人体各种生物信息的，则为；而附加人体各种生物信息的，则为“虚拟生物人虚拟生物人”。目前，一些发达国家已达到了目前，一些发达国家已达到了“虚拟可视人虚拟可视人”阶段，即获取了阶段，即获取了“虚拟可视人虚拟可视人”几何图像信息。而对几何图像信息。而对“虚拟物理人虚拟物理人”和和“虚拟虚拟生物人生物人”的研究和探讨，仅处于起步阶段。的研究和探讨，仅处于起步阶段。数字虚拟人的研究状况数字虚拟人的研究状况78 他们将一具男性和一具女性尸体从头到脚

6、做 CT扫描和核磁共振扫描。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80 度，再以同样的间距对尸体作组织切片的数码相机摄影。分辨率为2048 1216。所得数据共56GB（男13GB，女43GB）。全球用户在与美国国家医学图书馆签订使用协议并付少量费用后,即可获得这一庞大的数据,用于教学和科学研究。9美国的计划 美国男性数字化人美国男性数字化人101112的缺点：1. 1. 西方人种的人体器官的西方人种的人体器官的形状和大小和形状和大小和东方人种有所不同东方人种有所不同。2. 2. 像素低像素低，仅有，仅有. .mmmm，小于其的结，小于其的结构无法展示，不利于构建，得到构无法展示，不

7、利于构建，得到数据不太实用数据不太实用134.4. VHPVHP数字化虚拟人的标本原体的数字化虚拟人的标本原体的健康状况有缺陷健康状况有缺陷。例。例如：如：VHPVHP男性男性标本在标本在1515岁时曾做右侧睾丸切除，岁时曾做右侧睾丸切除，21岁岁时曾做阑尾切除，时曾做阑尾切除，3838岁时第岁时第1414号牙齿被拔除。号牙齿被拔除。女性已女性已经是经是5959岁高龄，死于突发心脏病，生殖系统萎缩。岁高龄，死于突发心脏病，生殖系统萎缩。5.5. VHPVHP男性尸体灌注了男性尸体灌注了3636公斤低浓度防腐剂，造成公斤低浓度防腐剂，造成标本标本严重浮肿性失真严重浮肿性失真并且并且失去了新鲜尸体

8、应有的色泽。失去了新鲜尸体应有的色泽。6.6. VHPVHP数据集获取使用的数据集获取使用的数码相机的分辨率已经大大落数码相机的分辨率已经大大落后于今天的数码技术后于今天的数码技术。韩国可视人计划力图克服这些。韩国可视人计划力图克服这些缺点，取得一些成效，但是一些关键的难题没有突破。缺点，取得一些成效，但是一些关键的难题没有突破。的缺点：1415“可视韩国人”(VHK)计划 VHK计划是在2000年，由韩国Ajou大学和韩国科技情报研究院共同承担研究的，在没有信息损失及组织切片为0.2间距的条件下完成CT、MRI扫描及切片数据的获取。 其获得的第一具人体数据量为210GB，是世界上第二例尝试。

9、也是第一例有关东方人种特征的人体数据采集。 VHK虽然解决了标本处理和数据完整性的问题，但标本为岁患脑肿瘤的老人，并且对于血管的显示还是没有解决。 16 目前，获取目前，获取“数字化虚拟人数字化虚拟人”一般采用的是人工断层一般采用的是人工断层解剖学的方法，只能经过对正常、健康尸体的严格筛选，解剖学的方法，只能经过对正常、健康尸体的严格筛选，通过高精度切削，获取解剖形态学信息。通过高精度切削，获取解剖形态学信息。 先要选取一具尸体，将人体切成非常薄的切片，每切先要选取一具尸体，将人体切成非常薄的切片，每切一次片，都会利用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行一次片，都会利用数码相机和扫描仪对已切片的

10、切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的立体人类生理结构。的立体人类生理结构。 “中国虚拟人中国虚拟人号号”是国家是国家“863计划计划”项目之一，项目之一，由中国科学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第由中国科学院、首都医科大学、华中科技大学和解放军第一军医大学协作攻关。一军医大学协作攻关。 17中中 国国 虚虚 拟拟 人人 虚拟人体的研究涉及到解剖学，精加虚拟人体的研究涉及到解剖学，精加工，光学，信息科学等一系列学科。工，光学，信息科学等一系列学科。中国虚拟人计划应时而生中国虚拟人计划应时而生 2001年11月以“中

11、国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的香山科学会议召开。会后，“数字化虚拟人体若干关键技术”和“数字化虚拟中国人的数据集构与海量数据库系统”两项课题相继列入国家863项目，由中科院计算所（李华研究员）、首都医科大学（罗述谦教授）、华中科技大学和第一军医大学（钟世镇院士）等4家单位协作攻关。香山会议的重大决定香山会议的重大决定18背景资料：背景资料：原型是一位身高原型是一位身高1.561.56米的米的1919岁岁 少女，广西人少女，广西人,2002,2002年在广东因年在广东因误食毒蘑菇急性死亡。误食毒蘑菇急性死亡。完成时间：完成时间：20032003年年2 2月月1818日日 地地 点：点：第一

12、军医大学完成虚拟人数第一军医大学完成虚拟人数据集构建据集构建 ；首都医科大学生物医学；首都医科大学生物医学工程系完成了三维数据库构建。工程系完成了三维数据库构建。切片数：切片数：85568556切片厚度：切片厚度：0.2mm0.2mm特点：特点：直立式直立式 断层显示细微动脉断层显示细微动脉 数据量已经达到数据量已经达到149.7GB149.7GB 中国女虚拟人（中国女虚拟人（ 号）号）19虚虚 拟拟 人人中国首例女性虚拟人数据集于中国首例女性虚拟人数据集于2003年年2月月18日日17时时18分在广分在广州第一军医大学构建成功。这标志着我国在完成数字化虚拟州第一军医大学构建成功。这标志着我国

13、在完成数字化虚拟人体若干关键技术之后，建立了有知识产权的中国虚拟人数人体若干关键技术之后，建立了有知识产权的中国虚拟人数字平台，为开发各种用途的软件和参与国际合作与竞争抢占字平台，为开发各种用途的软件和参与国际合作与竞争抢占了应有的地位。了应有的地位。 “中国虚拟人中国虚拟人2号号”为女性，是我国首个女虚拟人。据介绍，为女性，是我国首个女虚拟人。据介绍，该虚拟人的数据采集者年龄为该虚拟人的数据采集者年龄为19岁，身高岁，身高1.56米，是广西人，米，是广西人，去年在广东因食物中毒而急性死亡。去年在广东因食物中毒而急性死亡。钟钟世镇世镇院士认为虽然她不是一个健康人，但由于是急性死亡，院士认为虽然

14、她不是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，是一个条件很不错骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，是一个条件很不错的标本。的标本。 切片断面仅切片断面仅0.2毫米，共切片毫米，共切片8556片。片。20中国男虚拟人（中国男虚拟人（号号 ） 背景资料：背景资料：2828岁的湖南籍汉族健康男子，高岁的湖南籍汉族健康男子，高1.661.66米，体米，体重重5858公斤，没有任何传染病和代谢疾病，具有健康中国人公斤，没有任何传染病和代谢疾病，具有健康中国人的代表性。的代表性。 20022002年年4 4月死亡。自愿捐献尸体。月死亡。自愿捐献尸体。 完成时间：完成时间：2005

15、2005年年8 8月月 地地 点：点：广州南方医科大学（第一军医大广州南方医科大学（第一军医大学）完成虚拟人数据集构建。学）完成虚拟人数据集构建。 切片数：切片数：92159215切片厚度：切片厚度：约约0.2mm(0.2mm(分辨率最高分辨率最高 ) )特点：特点：直立式直立式 静脉和动脉血管区分静脉和动脉血管区分 断层显示细微动脉断层显示细微动脉 数据量最大（数据量最大（540GB 540GB ） 21特点2特点1特点3分辨率高，分辨率高，标本骨髓内部结构、标本骨髓内部结构、小血管都能辨认小血管都能辨认 血管灌注技术高，血管灌注技术高，使最终的模型拥有丰富的微小血管使最终的模型拥有丰富的微

16、小血管所选人体具有高保真性所选人体具有高保真性222324 中国数字人解剖系统中国数字人解剖系统建立了人体解剖学建立了人体解剖学28002800多个人体结构的三维结多个人体结构的三维结构模型构模型( (男性人体男性人体23002300个，女性人体个，女性人体500500多个多个) )。经中国解剖学会鉴定：结构。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；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

17、一拥有中国人人体特征的完整数字人解剖系统。一拥有中国人人体特征的完整数字人解剖系统。2526 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。 27 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0.167mm0.167mm/像素。 2829虚虚 拟拟 人人 的的 用用 处处 一、一、医学参考医学参考：有利于培养优秀外科医生。以往要想成为：有利于培养优秀外科医生。以往要想成为一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通

18、过师傅带徒弟式的反复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就的反复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考。组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考。二、二、药理实验药理实验：有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在：有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药，医生可以先与病人身体数据一模一样的

19、虚拟人身上试验新药，医生可以先将药物影响数据输入电脑，让将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人虚拟病人”先试先试“吃吃”一下，一下，电脑里的电脑里的“虚拟病人虚拟病人”会显示服药后的生理反应，从而协助医会显示服药后的生理反应，从而协助医生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。相关实验已经在美国开展。上市的效率。相关实验已经在美国开展。303132 虚虚 拟拟 人人33VH Dissector可视化人体教学软件可视化人体教学软件 3435363738VH Dissector可视化人体教学软件可视化人体教学软件 美国科罗

20、拉多大学与美国美国科罗拉多大学与美国Touch of LifeTouch of Life技术公司共同设计开发的技术公司共同设计开发的VH DissectorVH Dissector软件最受医学院软件最受医学院用户的青睐，并已推出用户的青睐，并已推出VH Dissector 5.0VH Dissector 5.0中文版。该软件是建立在连续人体断层数据库的基础上利中文版。该软件是建立在连续人体断层数据库的基础上利用计算机技术对人体的结构进行三维重建而研制。它有以下优点：用计算机技术对人体的结构进行三维重建而研制。它有以下优点：（1 1）数据信息完整，该软件由）数据信息完整，该软件由18771877

21、个连续人体断面（每个断面厚度个连续人体断面（每个断面厚度1mm1mm），能涵盖人体所有的解剖），能涵盖人体所有的解剖结构；结构；（2 2）设计编排巧妙，能方便地观察全身任何一个器官的形态、内部结构、在人体中的位置以及断层）设计编排巧妙，能方便地观察全身任何一个器官的形态、内部结构、在人体中的位置以及断层中的位置，并且可以做任意角度的旋转观察，可用于系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学、显中的位置，并且可以做任意角度的旋转观察，可用于系统解剖学、局部解剖学、断层解剖学、显微外科解剖学、口腔解剖学、放射解剖学、以及运动解剖学等多门课程的教学；微外科解剖学、口腔解剖学、放射解剖学、以及运动解剖学等多门

22、课程的教学；（3 3）有利于学生对人体的局部与整体之间关系的比较认识，激发学生的学习兴趣，有利于学生自主）有利于学生对人体的局部与整体之间关系的比较认识，激发学生的学习兴趣，有利于学生自主地进行学习；地进行学习；（4 4）所有解剖结构名词都有中英文对照，还有标准美语发音，便于学生掌握结构的英文词汇，有利）所有解剖结构名词都有中英文对照，还有标准美语发音，便于学生掌握结构的英文词汇，有利于双语教学；于双语教学；（5 5）教师可以根据课程需要随机选取任意结构，系统自动生成授课软件，方便教师备课和教学；）教师可以根据课程需要随机选取任意结构，系统自动生成授课软件，方便教师备课和教学；（6 6）软件操

23、作简便，界面清楚，易于掌握和使用。）软件操作简便，界面清楚，易于掌握和使用。（7 7）可重复对标本进行解剖操作，节省了大量的资源。）可重复对标本进行解剖操作，节省了大量的资源。39 虽然针灸、经络学说没有得到形态学验证。但疗效不可否认。虚拟人体计划将使中医经络系统的研究通过现代信息技术加以虚拟表达。 该系列软件全面汇集了人体所有系统和器官的高精度三维数字解剖模型。针对中医学学习的要求,最新增加了3D针灸穴位的解剖模型，是完整、精准的解剖学数字图像库。在教学中完整地断层图片以及完整的人体结构对学生建对立人体整体形态及内部结构的认知提供了可能。 40三、三、军事应用军事应用：虚拟人在军事医学上也很有