“数字化猪”的研究与应用

1、 “数字化虚拟动物数字化虚拟动物”（数字化动物）（数字化动物）是是指将动物结构数字化，通过计算机技术和图指将动物结构数字化，通过计算机技术和图像处理技术，在电脑屏幕上出现一个看似真像处理技术，在电脑屏幕上出现一个看似真实的模拟动物，再进一步将动物功能性的研实的模拟动物，再进一步将动物功能性的研究成果加以数字化，并赋加到动物结构框架究成果加以数字化，并赋加到动物结构框架上，经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操上，经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操作者的调控，这个作者的调控，这个“数字化虚拟动物数字化虚拟动物”将能将能模仿真实动物做出各种各样的反应。模仿真实动物做出各种各样的反应。 “数字化猪数字化

2、猪”是结合养猪科学与计算机科是结合养猪科学与计算机科学的最新进展，应用现代信息技术建立起的学的最新进展，应用现代信息技术建立起的猪不同层次的计算机数字化平台，通过这个猪不同层次的计算机数字化平台，通过这个平台能够准确描述猪的结构、功能、形态和平台能够准确描述猪的结构、功能、形态和内在联系，实现对猪从组织、器官、系统到内在联系，实现对猪从组织、器官、系统到整个个体的精确模拟。整个个体的精确模拟。 数字化人数字化人冷冻切削技术冷冻切削技术和和 图像分析技术图像分析技术移植移植养猪养猪科研成果、数据科研成果、数据的挖掘、提炼和数字化的挖掘、提炼和数字化用最新用最新计算机信息技术计算机信息技术重塑传统

3、养猪业重塑传统养猪业物理功能的数字化物理功能的数字化生理功能的数字化生理功能的数字化个体（群体）的数字化个体（群体）的数字化结构的数字化结构的数字化 美国：美国：1994年年11月获得了世界上第一套包括相应月获得了世界上第一套包括相应层次层次CT、MRI断层扫描影像的人体结构数据集。断层扫描影像的人体结构数据集。 韩国：韩国：2000年年Ajou大学医学院和韩国科技信息研大学医学院和韩国科技信息研究所获得了一例韩国可视化人体的数据集。究所获得了一例韩国可视化人体的数据集。 中国：中国：第三军医大学第三军医大学2002年年8月完成了男性数字化月完成了男性数字化可视人体的数据集的获取，可视人体的数

4、据集的获取，2003年年2月又完成了女性月又完成了女性数字化可视人体的数据集的获取。数字化可视人体的数据集的获取。美国美国Visible Human 计划计划中国中国虚拟中国人计划虚拟中国人计划“全蛙计划全蛙计划” California大学大学Lawrence Berkley实验室于实验室于1994年年完成完成 老鼠胚胎的可视化研究老鼠胚胎的可视化研究 Duricovic R等于等于1998年完成年完成了一个了一个10.5日龄大、日龄大、4.5mm长的老鼠胚胎的可视三维图长的老鼠胚胎的可视三维图像像 可视化狗可视化狗 1999年年DR.JOHANN MAIERL等报道了世界第一例等报道了世界第

5、一例“可视化可视化狗狗”。他们初次尝试了采用轴。他们初次尝试了采用轴向低温切片技术对标本进行连向低温切片技术对标本进行连续切割，同时应用相应的续切割，同时应用相应的CT和和MRI图像技术联合创造了其三图像技术联合创造了其三维重构模型。维重构模型。 选用世界著名的优秀地方猪种选用世界著名的优秀地方猪种荣昌猪，一荣昌猪，一公一母，母猪公一母，母猪4月龄大，重月龄大，重45kg，体高，体高44cm，体，体长长94cm，体格健壮，生长发育正常，无器质性创，体格健壮，生长发育正常，无器质性创伤。公猪伤。公猪5月龄大，重月龄大，重55kg，体高，体高50.5cm，体长，体长100cm，发育正常，无器质性创

6、伤。，发育正常，无器质性创伤。 猪只先用猪只先用1%戊巴比妥钠麻醉，静戊巴比妥钠麻醉，静脉注射，再脉注射，再用股动脉插管放血处死，用股动脉插管放血处死，10福尔马林灌注固定。福尔马林灌注固定。将猪采用侧卧姿势放置于木架上，前后肢膝部弯曲，将猪采用侧卧姿势放置于木架上，前后肢膝部弯曲，呈跪姿。呈跪姿。 CT机：美国机：美国GE公司公司LightSpeed VCT 64层螺层螺旋。旋。CT参数：参数：120KV，50500mA，机架旋转时，机架旋转时间间0.8s，层数：，层数：544层，扫描层厚层，扫描层厚0.625mm，重建，重建层厚层厚2.5mm，无间距容积扫描，采集矩阵，无间距容积扫描，采集

7、矩阵512512，W:250，L:45。 美国及韩国美国及韩国“数字人数字人”的较大缺陷是循环系统的较大缺陷是循环系统无法虚拟，而在中国，钟世镇院士利血管灌注技术无法虚拟，而在中国，钟世镇院士利血管灌注技术成功解决这一难题。成功解决这一难题。 在后肢内侧，切开皮肤，钝在后肢内侧，切开皮肤，钝性分离股动脉，双向插管，连接性分离股动脉，双向插管，连接压力瓶，灌注、固定后取下插管，压力瓶，灌注、固定后取下插管，结扎动脉，缝合皮肤并清理切口。结扎动脉，缝合皮肤并清理切口。 血管灌注完成后放回倒模中，目的是保持原血管灌注完成后放回倒模中，目的是保持原来来CT时的姿势。用时的姿势。用5%蓝色明胶包埋，置入

8、蓝色明胶包埋，置入-30冰库中冰冻冰库中冰冻1周，然后在周，然后在-25低温实验室中用改进低温实验室中用改进的的TK 6350型数控铣床型数控铣床(铣切精度为铣切精度为0.001mm)从头从头至尾足逐层铣切。数据采集时将采集系统与铣头固至尾足逐层铣切。数据采集时将采集系统与铣头固定，铣头与采集系统同步运动，逐层用定，铣头与采集系统同步运动，逐层用Canon EOS 1Ds高清晰度数码相机高清晰度数码相机(分辨率为分辨率为40642704像素像素)摄影，用摄影，用TIF无损模式保存。无损模式保存。 采用双重分割法。采用双重分割法。一是按系统一是按系统：分为肌肉、骨：分为肌肉、骨髂、消化、呼吸、循

9、环、神经、泌尿、内分泌八个髂、消化、呼吸、循环、神经、泌尿、内分泌八个大的部分，每一系统再往下分，形成独立的树形结大的部分，每一系统再往下分，形成独立的树形结构；构；二是按部位二是按部位：可分为头、躯干、四肢、尾四部：可分为头、躯干、四肢、尾四部分，每一部分又可下分形成树形结构。数字库采用分，每一部分又可下分形成树形结构。数字库采用层次结构，最多可分到层次结构，最多可分到10层，每一结构都用唯一层，每一结构都用唯一的代码进行标识。结构数据库的建立可以为图像分的代码进行标识。结构数据库的建立可以为图像分割打下基础。割打下基础。 为了保证精度，完全采用手工分割方式。二维为了保证精度，完全采用手工分

10、割方式。二维分割软件是基于分割软件是基于Visual C+、GDI+开发的，原理开发的，原理是人工描绘器官（骨、肌、血管、神经等）轮廓边是人工描绘器官（骨、肌、血管、神经等）轮廓边界，然后对样条轮廓采样，保存轮廓点的坐标数据界，然后对样条轮廓采样，保存轮廓点的坐标数据供三维重建。软件的主要功能是供用户浏览二维图供三维重建。软件的主要功能是供用户浏览二维图像，并且在图像表面进行轮廓线的描绘、编辑，最像，并且在图像表面进行轮廓线的描绘、编辑，最终生成三维立体数据文件。终生成三维立体数据文件。器官三维重建三维模型网格简化三维模型网格平滑填充后的连续BMP格式器官体数据集器官包围盒全局坐标Amira3

11、DSMAX各器官轮廓抽取和填充VolViewer3DS模型文件VOL数据集DXF 模型文件 世界首套荣昌母猪数据集世界首套荣昌母猪数据集共计共计2315张连续断面图像，张连续断面图像，数据集总数据量为数据集总数据量为145.6GB。 世界首套荣昌公猪数据集世界首套荣昌公猪数据集共计共计7254张连续断面图张连续断面图像，整个数据集总数据量为像，整个数据集总数据量为229GB。 该软件具有轮廓描绘、轮廓编辑、控制点编辑、共边处理、该软件具有轮廓描绘、轮廓编辑、控制点编辑、共边处理、挖孔填孔、器官拆分、区域放大缩小、图形统计等功能。挖孔填孔、器官拆分、区域放大缩小、图形统计等功能。 器官三维体数据

12、抽取和重建软件器官三维体数据抽取和重建软件VolViewer是基是基于于Visual C+、GDI、STL开发的，主要功能是从开发的，主要功能是从*.vol文件集中抽取指定器官的体轮廓，进行浏览，文件集中抽取指定器官的体轮廓，进行浏览，然后采用然后采用MC中点算法建立器官三维模型，生成中点算法建立器官三维模型，生成*.3ds通用文件导出；同时也可以以通用文件导出；同时也可以以BMP格式文件格式文件集直接导出抽取器官的三维体数据供其他商业三维集直接导出抽取器官的三维体数据供其他商业三维可视化软件使用。可视化软件使用。第四胸椎第一胸椎第一胸椎第一腰椎第一腰椎寰椎寰椎盆腔盆腔u 可以查看整体结构，也

13、可单独查看某一器官或某一组织可以查看整体结构，也可单独查看某一器官或某一组织的或某一系统的结构；的或某一系统的结构；u 可对任意组织或任意器官用任意平面进行剖分，获取剖可对任意组织或任意器官用任意平面进行剖分，获取剖面图；面图；u 可获取任意组织或器官的外形尺寸、体积、任意剖面的可获取任意组织或器官的外形尺寸、体积、任意剖面的面积、周长以有任意两点之间的距离等数据；面积、周长以有任意两点之间的距离等数据；u 可演示主要生理功能，如循环、消化、沁尿等；可演示主要生理功能，如循环、消化、沁尿等；u 全三维设计，可任意旋转、放大、缩小。全三维设计，可任意旋转、放大、缩小。 在数字化可视猪的基础上，结

14、合教学特点与生产实际，开在数字化可视猪的基础上，结合教学特点与生产实际，开发一套生动形像、直观易懂的辅助教学与培训软件，主要有以发一套生动形像、直观易懂的辅助教学与培训软件，主要有以下功能：下功能： 繁殖性能在养猪生产中具有重要作用，通过怀孕繁殖性能在养猪生产中具有重要作用，通过怀孕母猪的数字化，不但可以精确重现各胚胎的形状及在母猪的数字化，不但可以精确重现各胚胎的形状及在了官中的位置，还可真实展现胚胎的内部结构，对于了官中的位置，还可真实展现胚胎的内部结构，对于猪的繁殖性能研究以及相关培训教学软件开发具有很猪的繁殖性能研究以及相关培训教学软件开发具有很高价值。高价值。生长发育过程的数字化生长

15、发育过程的数字化(肌肉肌肉)消化生理过程的数字化消化生理过程的数字化繁殖生理过程的数字化繁殖生理过程的数字化疾病病理的有关规律性演变疾病病理的有关规律性演变 的数字化的数字化 通过对过去、现在和未来的养猪科研数据和科研通过对过去、现在和未来的养猪科研数据和科研成果进行数字化处理，构建物理和生理模型，叠加在成果进行数字化处理，构建物理和生理模型，叠加在数字化可视猪模型上，最终形成一个数字化可视猪模型上，最终形成一个“数字化猪平数字化猪平台台”，在这个平台上我们可以进行各种虚拟实验，如，在这个平台上我们可以进行各种虚拟实验，如生长发育、遗传育种、营养需要实验、饲养实验、药生长发育、遗传育种、营养需

16、要实验、饲养实验、药物实验、代谢实验等，可以预先对不同实验方案进行物实验、代谢实验等，可以预先对不同实验方案进行优化，这样不但可以大大缩小实验规模和实验时间，优化，这样不但可以大大缩小实验规模和实验时间，也可以大大节约实验费用。也可以大大节约实验费用。传统上对猪结构的认识主传统上对猪结构的认识主要通过解剖，由于客观条件的要通过解剖，由于客观条件的限制，通常在解剖一个器官时限制，通常在解剖一个器官时会对其它器官造成损害，另外会对其它器官造成损害，另外不管是活体或尸体解剖，各器不管是活体或尸体解剖，各器官的位置与状态都与动物的正官的位置与状态都与动物的正常情况有所差别。而数字化猪常情况有所差别。而

17、数字化猪是选用发育正常的猪只个体，是选用发育正常的猪只个体，各部分结构与器官都与真实猪各部分结构与器官都与真实猪一致的数字化猪，可以使对猪一致的数字化猪，可以使对猪结构的认识上一个新台阶。结构的认识上一个新台阶。由于有足够的标本来由于有足够的标本来源，可以在源，可以在“数字化猪数字化猪”上叠加现有的模型与实验上叠加现有的模型与实验数据，最终建成能有真实数据，最终建成能有真实群体一样反应的群体一样反应的“虚拟猪虚拟猪场场”。在。在“虚拟猪场虚拟猪场”内内可以进行各种虚拟实验可以进行各种虚拟实验,这这样不但可以缩小实验规模样不但可以缩小实验规模和实验时间，也可以大大和实验时间，也可以大大节约实验费

18、用。节约实验费用。因为动物实验成本较高和实因为动物实验成本较高和实验开展对动物的影响。学生亲自验开展对动物的影响。学生亲自动手的机会较少，综合素质较差。动手的机会较少，综合素质较差。而通过而通过“数字化猪数字化猪”平台建立起平台建立起的三维模型，学生可以对猪只进的三维模型，学生可以对猪只进行全面、系统的了解，这样只需行全面、系统的了解，这样只需要少量的动手即可达到教学目的，要少量的动手即可达到教学目的，既节约的实验经费，又使学生的既节约的实验经费，又使学生的综合素质得以提高。综合素质得以提高。中国养猪水平整体低下，很大程中国养猪水平整体低下，很大程度上是由于大量的养殖专业户与农户度上是由于大量的养殖专业户与农户缺乏必要的养猪科学知识，而又由于缺乏必要的养猪科学知识，而又由于本身文化水平有限，传统的培训效果本身文化水平有限，传统的培训效果不很理想。而通过不很理想。而通过“数字化猪数字化猪”平台平台可以建立起全新的图、文、声并茂的可以建立起全新的图、文、声并茂的教学方法，操作性强，视觉感染效果教学方法，操作性强，视觉感染效果佳。有助于养殖专业户与农户掌握先佳。有助于养殖专业户与农户掌握先进的养猪科学知识，提高养猪水平