数字化虚拟人概述超星数字图书馆.docx

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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（VisibleHumanPlan，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”（VisibleKoreanHumanplan,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VHDissector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VHDissector系统等距1mm的断层精度。

二、完整性

美国VHDissector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VHDissector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VHDissector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VHDissector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）。

图1-3-4中国数字人解剖系统系统水平断面截图

冠状面和矢状面由真实人体横断面图像经彩色图像多平面重组技术合成，平面重建过程采用了大规模数据压缩技术确保冠状面和矢状面图像中解剖结构边界清晰、易于辨认（图1-6）。

冠状面截图矢状面截图

图1-3-5中国数字人解剖系统系统冠状和矢状面截图

断层显示区域的主要功能如下：

1.层面单独显示：

水平面、冠状面、矢状面的图像窗口均可以进一步

单独放大显示。

2.断层层面选择：

对于任何层面都可以使用拖动条进行切换，或使用虚拟切刀在三维人体区域进行选择，断层图像与虚拟切刀位置对应。

3.缩放、平移：

使用鼠标滚轮可以对三个层面任意放大、缩小，可以拖动图像进行观察。

4.文字标注：

可以用文字或符号对断层图像进行标注，从而起到突出显示作用。

5.边界提取：

提取选定解剖结构的断层边界，对应显示选定解剖结构的中英文名称，并在系统目录和三维人体区域高亮显示。

6.图像保存：

可以用截图方式获取断层图像。

7.打印：

选取的图像可输出打印。

（二）三维人体区域功能

三维人体展示是根据目录结构展示人体所有解剖结构的三维形态。

在三维人体区域，操作者的选择是联动的，即目录结构、三维结构、断层边界这三者之间是关联的。

例如，操作者可以在三维视图中直接选择某些解剖结构；也可以在目录结构选中某个器官，随即在三维视图区域该器官就会对应显示，反之，在三维视图区域选中某个器官后，在目录结构就会有对应的选中；操作者还可以将断层中解剖结构的边界关联到三维人体和系统目录。

操作者可以对选中的模型进行旋转、缩放、平移等操作，也可以进行隐藏、透明度调整等局部区域显示，例如，操作者想查看胸腔的骨骼、神经、血管及心脏，但又不希望心脏被遮挡，就可以调整骨骼等外层结构的透明度，从而显示心脏的结构。

操作者选中指定的解剖结构，可以对其进行截图保存或打印等操作，也可以对指定组织进行着色。

同时，操作者可以通过冠状面、矢状面和水平面等虚拟切面对模型进行切割，得到任意位置的断面。

三维人体区域的主要功能如下：

1.平移、缩放：

使用鼠标或软云台可以对三维人体任意平移、放大或缩小

（图1-7）。

图1-3-6放大的手部结构三维图

2.旋转：

使用旋转工具可以任意调整三维人体角度（图1-8）。

图1-3-7胸部骨骼任意视角观察截图

3.透明度调节：

可以调节外层结构的透明度，以便观察内层结构（图1-9）。

图1-3-8使用透明度调透视胸骨

4.隐藏和显示：

可以对任意解剖结构进行隐藏，通过隐藏工具可以实现剥离效果（图1-10）。

图1-3-9使用隐藏工具后的剥离效果

5.着色：

可以对任意解剖结构进行染色，以便突出显示（图1-11）。

图1-3-10三维人体着色截图

6.预置位存储：

支持三维人体状态记忆，调用相应预置位可以快速找回先前存储过的三维人体状态。

7.区域间的相互关联：

在目录结构区域、断面区域和三维人体区域中的任一区域选择任何解剖结构，其他区域都会动态调整，对应突出显示。

8.双屏显示：

系统支持单屏和双屏显示模式，可以用一个显示器显示三个断面图像，而另一个显示器显示3D模型。

9.立体显示：

系统支持主动式或被动式3D立体显示。

（三）网络版功能

中国数字人解剖系统支持网络浏览，可以通过局域网或广域网以操作者注册方式登录中国数字人解剖系统，操作者信息与系统数据由服务器端统一管理。

星形拓扑的网络结构保证操作者端相互不受干扰，并为考试系统留置操作者端接口。

支持服务器管理人员与操作者端文字、声音、图像等双向交流。

1.数据统一管理：

服务器统一管理中国数字人解剖系统数据，方便系统升级与管理。

2.操作者管理：

服务器管理端保存操作者信息，并可对操作者登录名、密码、操作者信息统一管理。

3.双向联络、交流：

支持服务器端与操作者端文字、声音、图像等的双向交流。

4.操作者端电脑集中管理：

服务器端可实现对操作者端电脑的远程管理，包括远程开关机、远程程序开关、远程维护等。

5.操作者端安全保护：

配有系统还原功能、U盘保护功能、数据保护功能等系统安全选项，保证操作者端电脑不受病毒侵害。

第四节中国数字人解剖系统在教学中的优势

中国数字人解剖系统既可作为解剖课教学的辅助教学系统，也可供学生网络自学和临床医生参考，其在教学中的优势主要体现在：

一、图像清晰、结构精准、表面纹理真实，对细小结构也能够清晰显示。

二、在点击每个器官时，该器官显示不同的颜色，便于授课时确认和学生自学。

三、对骨性结构的名词，点击名词标点时，就显示出该结构的部位。

四、在点击每个器官或名词时，屏幕的一角可显示该器官或名词的中英文名词对照，并有英文发音，有利于学生学习专业英语。

五、点击每个器官或名词时，屏幕上可显示该器官或名词注解。

七、目录和结构详细、完整，操作方便，并能进行双屏显示和立体显示。

八、可用于临床医生进行模拟手术。