中国虚拟人研究现状分析

2011-08-12 20:27:51来源: 电子资讯

  人体是由一百多万亿个细胞组成的复杂整体,仅人的神经系统就约有1000亿个神经元,而且由细胞构成的组织器官间的相互作用,人体与外界环境的冲突与和谐,这些极为复杂的变化对于人类自身至今还是一个充满未知的神秘世界。

  1895年德国科学家伦琴在一次实验中偶然看到了射线下妻子的手骨,这是人类有史以来第一次透过皮肤看到自身内部,由此揭开了人类利用以X线为代表的透视工具探索人体内部奥秘的序幕。

  今天科学家们掌握的透视工具越来越多,但是仍然无法满足人类更为全面了解自身的渴望。科学家们为此所做的全部努力都在指向同一个问题,究竟利用什么样的手段能重建可以真实的反应人类生理机能活动的虚拟人体。

  1989年美国人在这个领域率先跨出了关键性的一步,他们设想:能否将人体标本通过计算机技术转换成人体数据集,能够让使用者象检索图书资料那样方便的查询、获取人体信息。这个项目由美国国立医学图书馆发起,计划的名字通俗易懂而且充满想象力,它被正式命名为:虚拟人类计划。这个大胆的设想在当时一度引起医学界的怀疑。要采集这些数据必须先将人体标本切成薄片,并用数码相机和扫描仪对切面进行拍照、扫描,之后将数据在计算机里合成三维的立体模型,其中的精心程度与庞大的工作量可想而知。1991年和1994年研究小组分别选择了男女各一具尸体作为标本获取了完整的人体数据,这些数据称为V.H.P.数据集。在1989年到1994年的五年里,美国人把虚拟人类的构想推进到了试验阶段,这意味着美国“虚拟人”技术已经达到了可视程度。

  虚拟人类自己这显然是一个大胆的设想,而当人们通过理性分析发现“虚拟人”绝不是另外一种克隆时,“虚拟人”研究就必然成为一项激动人心的重大科研项目。

  1996年在美国国防部非致命武器委员会的积极支持下,橡树岭国家实验室牵头酝酿“虚拟人”创新计划。在他们的构想中,“虚拟人”应该能够模拟人体在外界物理刺激下的反应,他会象真人一样骨头会断、血管会出血,有专家称之为:虚拟物理人。如果说虚拟可视人还仅仅是一个可供人们观看的人体模型,虚拟物理人则使得这个模型有史以来第一次对外界刺激有了反应。在科学家的计划中它不再是一个静止的标本,人类将在计算机建造的虚拟世界中看到另一个自己在呼吸、走动,更会通过模拟各种环境的变化,探测人体极限。这个计划的目标已经非常接近科学家一直梦想的虚拟人类。

  由于构成“虚拟人”的数据来源于自然人,因而“虚拟人”具有民族、区域等特征,东方人的特点明显的与欧美人不同,因此中国建立具有自已国家人种特征的数字化人体模型成为填补空白的问题。

  美国“虚拟人”研究小组在2000年就已经建立了人体主要器官的三维模型,中国的“虚拟人”计划要在技术上占领哪个制高点?人体内的血管系统可以分为四级,数量达到上千万条,手术时医生往往需要更为完整、微观的血管地图,以制定安全的手术方案。长期以来尽管医学专家尝试了很多办法,但是这些大大小小错综复杂的血管网络的具体形态分布仍然充满未知,因此怎样将人体血管系统通过不同颜色准确区分出来,成为一项具有挑战性的课题。

  从1996年开始,美国“虚拟人”研究小组就面向全球征集建立血管模型的解决方案,但是其中的关键问题一直没有获得解决,而钟世镇院士独有的血管铸型技术为中国人在这个领域有所突破提供了可能。由此中国“虚拟人”项目的关键技术被正式确定为攻克血管模型。2001年11月举行的第174次香山科学会议被认为是中国数字“虚拟人”研究的开篇。中科院李华博士、第一军医大学钟世镇院士、首都医科大学罗述谦教授等人向国家提出了研究中国“虚拟人”的设想,很快“虚拟人”技术研究被列入国家863项目。

  2002年12月,广西一名19岁的女孩因不慎误食毒蘑菇引起食物中毒死于广州,家属同意捐献其遗体。经过科学家们仔细检查与评估,最终决定以她作为人体标本采集数据。中国第一例“虚拟人”——虚拟人女一号数据开始采集。中国第一例“虚拟人”数据采集,每片标本的切削间距为0.2mm,对每片标本进行拍摄平均需要3分钟,为保证切削连续性,工作人员要在低温环境下昼夜轮换持续工作,整个切削过程持续了一个月。2003年2月16日虚拟人女一号完成图像采集。中国第一例虚拟人体数据采集共获得8556张断层图片,每片间距0.2mm,总数据量149.7GB,切片数据被存成计算机可以识别的数字信息,进行数据处理。罗述谦教授领导着一个研究小组,海量数据汇集到这里,他们面对的问题就是将近万张二维图片在计算机里合成,并将其数字化变为三维立体人。要完成这个工作,首先要解决的是数据的精确配准问题,所谓配准就是把这8556层对齐,因为切削加工时间比较长,前后有一个多月的时间,由于机械加工的一些晃动,数码相机的移动,以及照明的不一致性,因此就造成一些断层图像有相对左右位移和上下位移,如果不能有效地校正这些位移的话,重建出来的这个人体周围就是虚的。将8556张图片中大大小小上千个器官组织一一对准,是一个要付出极大耐心的工作。尽管可以利用专门的软件作为工具,要完成这样的任务对于负责模型重建的工作人员仍然是一项极大的挑战。

  大脑是人体最为重要的生命器官,人体许多疾病的发生、发展与大脑深度的核团密切相关,长期以来大脑核团的具体形态与结构一直是一个谜。研究人员希望通过“虚拟人”技术将这些大脑核团准确标识出来,为临床医学家提供更为精确的三维图谱。

  人体三维模型建立的精确与否直接关系到“虚拟人”数据集的应用价值。血管模型的精确重建为将来临床上的进一步应用奠定了基础。同时李华博士的小组还进行了另一项具有挑战性的工作,他们尝试对人体最为复杂的神经组织进行重建。从2003年虚拟人女一号数据集采集完成以来,经过近一年多的努力,基本完成了人体标本大部分器官组织的重建工作。

 

关键字:研究  现状  分析

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0812/article_2287.html
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