丘聪；冯焕清；杨基海
（中国科学技术大学电子科学与技术系，安徽 合肥 230026）
摘要：人体信息的数字化是将医学与信息技术、计算机技术、虚拟现实技术相结合的科技前
沿性研究课题。许多国家已建立或正在建立虚拟人体模型。这种模型以人体断面连续切片为 建模基础，利用信息技术定量模拟人体的生理病理状况，在医学及其它多种学科均具有广泛
陶瓷耳环的应用前景。本位介绍了如下内容：（1）国际上“数字化虚拟人”的研究概况：美国1994
年完成了可视人计划数据集；韩国于2000年完成了一例韩国男性可视人数据采集工作。（2） 国内的研究概况：完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务，并于2003年3月推出“虚拟
中国人女1号”。（3）阐述了数字化虚拟人体的科学意义。（4）简要介绍了数字化虚拟人体
的若干关键技术：标本遴选，切片，三维重建等。（5）“虚拟人”的应用及发展前景展望。
液化气燃烧器关键词：数字化虚拟人体；可视人计划；虚拟中国人；切片；三维重建
Scientific significance and prospective application of digitized virtual human
Qiu Cong ；Feng Huanqing ；Yang Jihai
Department of Electronic Science and Technology of USTC,Anhui Hefei 230026,China
Abstract: As a cutting-edge research project, digitization of human anatomical information
combines conventional medicine with information technology, computer technology, and virtual
reality technology, Recent years have seen the establishment of, or the ongoing effort to establish
various virtual models in many countries, on the basis of continuous sections of human body that
are digitized by means of computational medicine incorporating technology to quantitatively
simulate human physiological and pathological conditions, and to provide wide prospective
applications in the fields of medicine and other disciplines. This article concerning the progress in
virtual human model researches as the following: (1)Worldwide survey of research of virtual
human: American visible human database was completed in 1994, South Korea also finished the
data collection for a male visible Korean human dataset in 2000. (2)The survey of research of
三维人体扫描virtual human in China: Some key techniques have been explored. By now the data-collection
process for 4 Chinese virtual human datasets have been successfully completed. (3) Scientific
significance of virtual human studies. (4)Some key techniques: specimen choosing ,sectioning, 3D
surface reconstruction. (5)Prospective application of digitized virtual human
_______________________________________________________________________________www.paper.edu
Key words: digitized virtual human; visible human project; visible Chinese human;
沼气发酵罐
sectioning; 3D surface reconstruction
人们说，２１世纪是生命科学的世纪。近１０年来，从发达国家起步的“数字化虚拟人体”研究，正云集
各路大军从不同方向攻关。著名未来学家托夫勒预言，生命科学领域的焦点是生物学中的遗传学课题。可以说，“数字化虚拟人体”研究是这个焦点中的焦点。
“数字化虚拟人体”是利用数字化技术实现人体结构及机能的可视化，最终达到人体的整体模拟，为医学、生命科学以及后基因组学等的研究和应用提供基础与技术支撑。“数字化虚拟人体”研究是一项信息技术与医学等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科，它是由发达国家发起的一个重大项目，对本世纪科技发展具有深远意义。对此，西方发达国家高度重视，并正在酝酿或启动专项计划，而中国首例女虚拟人已问世]1[。
一、“数字化虚拟人体”的研究状况
1、国外研究动态
1．1美国可视人计划
美国1993年开展了“可视人计划”（Visible Human Project,VHP），其研究启动最早，也最先完成.1994.11.02美国国家医学图书馆(NLM)宣布男性VHP解剖数据集开发成功。一具男尸切成1 878余片，每片厚度1mm，1998年，又将一具女尸切成5 190多片，每片厚度0.33mm。但限于当时的条件，美国当时所获取数据的分辨度和精度都有限，但依托这个数据集为平台，在国际上开发了大量相关的
家谱管理系统应用软件[1]。ＶＨＰ数据集的立项、实施和开发具有重大意义。它在医学史上属首创，从根本上改变了医学可视化模式，为计算机图像处理和虚拟现实进入医学领域开启了大门，使走向成熟的三维重构图像处理技术以空前的速度普及。利用这个数据集，可创立虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面解剖学、斜剖面解剖学以及一系列医学临床、教学和研究的虚拟模拟，可谓信息技术和医学结合的重大创新工程[2]。
1.2“虚拟人体”数字化的发展
可视人体项目侧重人体结构的数字化研究以及相关知识库的建立。
１９９９年１０月，美国橡树岭国家实验室一批著名科学家和政府官员向美国国家科学院以及国会正式递交“虚拟人体计划”报告。国防部非致命武器委员会积极支持该项目。“虚拟人体”研究将数据、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，然后在这种环境中观察人体对外界刺激的反应。这项研究的范围已远远超出ＶＨＰ的解剖可视
化范围[2]。
２００１年５月，美国科学家联盟提出数字化人体项目，拟建造最完整的数字人体信息库。“数字化人体”总框架包含ＶＨＰ数据集和辅助数据集（ＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ、常规放射学和解剖学）、虚拟人
体的层次、疾病和综合征的临床信息基础、相关的医学学科（胚胎学、人体解剖学、显微和亚显微解剖学、生理学、生物化学），以及不断扩展的工具和产,[2。
品15]
美国在“数字化虚拟人体计划”中显露出野心：即将“数字化虚拟人体计划”与“人类基因组计划”研究结果结合，力图保持未来５０年美国在生物学、医学、军事等一系列领域的领先地位。
1．3国外其它国家对“虚拟人”的研究
目前，德、英、法等国也已经开始“数字化虚拟人体”研究，但侧重点不同。
英国侧重研究虚拟人模拟药物在人体中的作用机制。这样做一方面可缩短从实验室到动物到人再到临床应用的时间；另一方面还可取代人体药物初测，避免药物对人体造成的可能性损害。
２００１年１月，韩国雄心勃勃地开始了“可视化韩国人计划”。其目标是完整获取ＣＴ、ＭＲＩ断层扫描及０．２毫米精度的组织切片数据。该计划准备用５年时间，完成４个人体的测试。目前该国已经完成一个人体测试，其数据量为２１０ＧＢ。这是世界上第二例尝试，也是东方第一例有关人种特征的人体数据采集[2]。
2、国内研究概况
2001年11月，第174次香山科学会议在北京举行，会议以“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邻域中，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设。在这次研讨会后，“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存储”列入国家高技术研究发展计划“863”项目，揭开了我国数字化虚拟人体研究的序幕。
经过一年多的努力，由中科院计算所、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首先完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务。目前，我国上海、重庆和广州等地的解剖学专家已提供了四个数据采集的获取工作，为后续的多学科研究发展提供了中国人特的数据集。这四个数据集的切片间距和断面总数分别为：上海（男）1.7mm，断面总数1 058片；上海（女）0.57mm断面总数3 022片；
重庆（男）1.0～0.1mm，断面总数2 518片；广州（女）0.2mm，断面总数8 556片。依据后面的两个数据集，现有香港大学计算机科学与工程系、北京同仁医院耳鼻喉研究所、复旦大学数字医学研究中心、澳门科技大学资讯技术学院、中科院自动化所、大连理工大学机械工程学院、厦门大学计算机系、清华大学生命科学与工程研究院、解放军总医院神经信息中心等众多科研、教学、医疗单位倡议加强协作，科学数据共享，参与国际科研大协作，跟踪科学研究前沿[3]。
电子狗数据第二例女性虚拟人体——“中国虚拟人女Ⅰ号”于2003年3月初在首都医科大学初现雏形。与1998年在美
国诞生的世界首例女虚拟人相比，“中国女Ⅰ号”更具有人体、特别是女性的各种特征。但国家863项目“中国数字化虚拟人体关键技术研究”总课题组副组长、首都医科大学生物医学工程学院教授罗述谦表示：尽管研究进展令人兴奋，但目前完成的仅仅是对该虚拟人整体形态的初步三维重建，我国的虚拟人研究其实刚起步[4]。
二、数字化虚拟人体的科学含义
数字化虚拟人体是指将人体结构数字化，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实的模拟人体，再进一步将人体功能性的研究成果加以数字化，由信息科学家将其转化为电脑的语言符号，附加到这个人体形态框架上，经过虚拟现实技术的交叉融合，通过操作作者的调控，这个“虚拟人”将能模仿真人做出各种各样的反应。若设置有声音和力反馈的装置，还可以提供视、听、触等直观而又自然的实时感。“虚拟人”一般可分为四个发展阶段，即“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”、和“虚拟智能人”，这四个阶段的内容不一定截然分开，可能交叉重叠。在“虚拟可视人”阶段，电脑屏幕上见到的仅是人体的形态结构，经过计算机技术处理，虽然可分割为不同的系统或器官，也可以剖视为不同的切面或层次，但是这一阶段的人体还没有任何功能性的反应，因此也可称之为“虚拟解剖人”或“虚拟几何人”，仅是具有人的形态结构而已。只有借助信息科学的高超技术，不断地将人体地物理性、生理性和智能性参数加以数字化，附加在可视人地框架以后，才有“虚拟人”的功能。目前，我国在这个领域的研究实况，只是迈出最初阶段的第一步，仅仅在“虚拟解剖人”方面构建了一部分数据
库，为后续的研究提供了初步资料[5]。
三、数字化虚拟人体的若干关键技术
虚拟人并不是真人，而是在电脑里合成的三维人体详细结构。需要选取一具尸体，将人体切成非常薄的片，利用数码相机和扫描仪对已切片切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的主体为人类生理结构，以便真正运用到实际中。
1、人体标本的遴选
1．1美韩VHP的缺陷
美国可视男人（Visible Human Male）项目所用的尸体死亡时为38岁，死前自愿捐赠遗体。生前在15岁时作右睾丸切除，21岁时作阑尾切除，38岁时第14号牙齿被拔除。在医疗记录和物理检查中未发现其他重大变异[6]。可视韩国人在预实验中的标本是死于脑肿瘤和交通意外的，正式实验的男性标本死于淋巴瘤[8]。
1．2中国虚拟人尸体遴选
中国数字化虚拟人若干关键技术研究项目的启动，在吸取国外学者工作经验的基础上，必须克服前人
工作中尚存在的不足，打造出虚拟中国人，在质量上应有所超越，有所提高。在尸体遴选中要分析考虑在人类学、体质形态学和基因染体三个方面以体现中国人的特点，定量评价尸体的“标准化”程度。为虚拟中国人的建模打下良好的基础[8]。
2、切片的厚度
2.1各国目前的切片厚度
美国可视人计划采用的技术，获取数据的分辨率及精度有限，VHP的组织断面切片厚度男性为1mm，女性为0.33mm,1mm或0.33mm以下的结构不可见[6]。继美国VHP之后，韩国于2000年报道了其中第一例男性尸体的切片工作，其切片间距为0.2mm，共有8 590个断面，数据量为153.7GB[5]。
按照目前的工作计划，“中国虚拟人男1号”和“中国虚拟人女1号”的切削间距精度分别为0.1mm和0.2mm，其中“女1号”已经成功地切削（共切出8 556片）[1,16]。
2．2切片的厚度的选择
以我国的切片厚度数据与世界目前公布的数据对比，我国是领先的。但钟院士说：“这并不意味着我们的切削技术有什么了不起。我们只是对切削工具冷冻设备进行了完善的改进。并不代表美国和韩国就没有办法比我们切得薄。切削问题精度问题上应该按需切削。从整体上看，没必要切削到0.02mm那么
薄。当初拿兔子做实验的时候，就发现切片可达到0.02mm的切削间距精度，但这只是代表我国掌握了这项技术。”[1]
对于切片厚度的选择和虚拟人是否切得越薄越好，钟世镇认为，“虚拟人”的切削和数据集建立应与实际应用紧密联系在一起，充分考虑其实际作用。如果出于整体构建一个“虚
拟人”的考虑，切到0.1毫米已经足够了，因为没有一个应用单位需要一个完整的切削精度高于0.1毫米的“虚拟人”。以1998年美国将一具女尸切成5 000多片(每片厚0.33毫米)为例，按这种精度，在电脑储存的数据就已高达56GB。“这么庞大的数据储存量不是一个单位能轻易承受的。如果每片厚度少于0.1毫米，数据储存量就会更大。”钟世镇说，“如果我们做出来的‘虚拟人’连一台普通电脑都看不到、用不了，那又有多大的现实意义呢？”
不过，如果要把“虚拟人”的局部，如骨头、脏器等提供给应用单位，那么“虚拟人”的切削精度就有必要追求“薄”。例如一个医院的不同科室，做髋关节手术的医生可能只需要拿切削精度为0.2毫米的“虚拟人”的髋关节做实验就足够了，但做膝关节镜手术的医生可能因为手术比较微细复杂，对切削精度的要求就要达到0.1毫米甚至更高[7]。
3、其它与削切相关的技术
我国虚拟人研究起步虽晚，但有自己的特优势。
3．1“人体管道铸形技术”
人体结构中的管道，特别是在临床外科手术上具有重大意义的动脉和静脉是虚拟人体建模中需要突出显示和重点，而这点美国和韩国的虚拟人都未能做到。目前我国人体管道铸型技术已达国际先进水平，在“模拟中国人”（VCH）建模运用该项技术可以为医学上应用最为广泛的血管和功能性管道模型的采集提供新的技术和有知识产权的新数据资料[1]。
3．2生物塑化技术
利用该技术，第三军医大学解剖教研室已经将人体断层后精度为0.2mm的实体标本保留下来。有了实体这个物质基础，就有可能进一步进行神经组织的染显示，对临床的工作更有帮助[1]。
3．3“有血有肉”中国独创
美、韩现有虚拟人的血管动、静脉并没有区别出来，也就是说，他们在对虚拟人进行图像分隔时只能看到骨骼、肌肉和脏器，而无法分清动脉和静脉血管[7]。中国虚拟人能清晰地看到血管，显得“有血有肉”，其原因是第一军医大学的科研人员发明了一项技术——通过给尸体动脉灌注明胶、朱砂和淀粉，使动脉呈现红，使之很容易和静脉区分。这一方法利用了人体动、静脉回流的原理：人死了动脉内的血管是空的，而静脉内填满了黑的淤血。科研人员把红的“塑料液体”灌注入动脉，那么人体所有动脉就会呈现出红，而静脉是黑
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