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虚拟人

班级：

医工092班

姓名：

叶兆俊

学号：

2009023042

什么是虚拟人

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。

科学家所做的工作就是先要选取一具尸体，将尸体冷冻，用精密切削刀将尸体横向切削成0.2毫米薄片，并利用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的立体人类生理结构数字模型。

随后科学家将把数据、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。

这种模型不仅具有人体外形以及肝脏、心脏、肾脏等各个器官的外貌，而且具备各器官的新陈代谢机能，能较为真实地显示出人体的正常生理状态和出现的各种变化，也可以为自己尝试做很多事。

比如，调查自己今天的身体状况好不好？

怎样才能达到最好的工作效果等等。

不过这位“虚拟人”没有感觉和思想，但他们的生物数据和人相同，可以开展无法在自然人身上进行的一系列诊断与治疗研究。

虚拟人-历史

世界上第一个虚拟人于90年代诞生在美国。

到2000年止，美国人已建立了一男一女两个虚拟人，以及全身骨骼、肌肉和心脏等部分器官的三维模型。

那么，虚拟究竟进展到了什么程度呢？

专家指出，虚拟人的研究是一种动态的研究。

虚拟人

电脑上的三维合成的虚拟人只是一个数据的整合，只是虚拟人研究的第一步。

三维合成虚拟人也并不意味着虚拟人就研究成功了。

科学家把虚拟人的研究分成四个层次。

一是虚拟解剖人，美国人拥有的虚拟人就是这一层次的虚拟人，它主要是解剖模型，用于学生学习解剖等方面。

二是虚拟物理人，反映人的物理特性，可以用于做物理试验，如核辐射对人体的影响、汽车碰撞试验等，目前，美国才刚刚开始研制。

三是虚拟生理人，模仿人的生理特征，如心脏运动、心血管的变化、反映人的血液循环、新陈代谢等。

四是虚拟智能人，能反映出人在进行感情活动时大脑相关区域的变化。

早期的虚拟人研究都是以人的尸体为标本采集数据的，随着各种光学扫描技术的进步，科学家们可以借助更先进的设备，无伤害的采集人的活体数据，为每一个有需要的人制作一个虚拟人。

何辉光博士也说，将来，也许科学家们会研制出一种仪器，病人只要在它面前一站，身体的所有信息就能扫描进电脑。

这些信息经过处理后，能够即时做出一个

虚拟人

虚拟人。

医生通过观察、分析这个虚拟人，得到病人的准确信息，然后决定采取什么样的治疗方式。

这些个性化的虚拟人可以为你赴汤蹈火，替你冒各种各样的险，人们也可以从他身上随时看到自己的影子，知道今天的你和昨天的你有着怎样不同的生活。

早在1989年，美国国立医学图书馆就提出了“可视人体计划”。

当时美国国立医学图书馆和美国科罗拉多大学试图完成人体截面图像的采集。

要采集这些数据，需先将志愿者人体切成薄片，每切一次片，就用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、分析，之后将数据合成三维的立体人类生理结构。

1991年8月美国开始进行人体结构数据的采集和三维重构。

1994年，美国科学家将一具男尸切成1000多片（每片厚度1毫米）；1998年，又将一具女尸切成5000多片（每片厚0.33毫米），获得一男一女两个虚拟人光学照片数据，以及CT和核磁

虚拟人

共振断层扫描图像。

这种精度，在电脑储存的数据上高达56GB，从而形成了数字化的解剖人，为医学上和其他学科的相关演示提供了技术保证。

尽管科学界对可视人技术予以很高的评价，但实际上可视人在医学及相关领域的应用是有限的。

1996年，美国橡树岭国家实验室牵头酝酿虚拟人创新计划，他们设想，将人类基因组计划和可视人计划的研究结果结合起来，完成人体的物理建模，能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应。

有专家称之为“虚拟物理人”。

这个阶段的物理人就不同于可视人，他会像真人一样对外界有反应：

骨头会断，血管会出血。

比如说，在做汽车碰撞试验时，“虚拟人”可以提供人体意外创伤的数据，帮助改进汽车的安全防护体系。

美国橡树岭国家实验室1999年向国会提出虚拟人计划，虽然美国国防部非致命武器委员会马上表示

虚拟人

支持，但时至今日，美国的虚拟人计划还在讨论阶段。

随后美国科学家联盟又提出包括可视人、虚拟人等全部内容的数字人计划。

它的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，被认为是有史以来最雄心勃勃的研究计划。

美国可视人体计划的实施在全世界引起了巨大反响。

韩国、日本、德国和澳大利亚也纷纷启动了可视人体计划。

日本2001年启动了为期10年的人体测量国家数据库建造计划。

这项计划拟于2010年完成7岁～90岁34000人178个人体部位的测定，制定出日本人的人体标准数据。

2000年，韩国开始了“虚拟韩国人”研究的5年计划，获取了世界第二例“虚拟可视人”的数据集。

韩国科学家将一具1.7米左右的尸体切成八九千个断面（每块厚0.2毫米）。

这个数据集具有东方人特征。

中国女虚拟人诞生

2001年11月以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的香山科学会议第174次学术讨论会在这样的形势下召开了。

第一军医大学钟世镇院士、中科院计算所李华研究员和首都医科大学罗述谦教授担任执行主席，与会的42位中外专

虚拟人

家热烈讨论中国的虚拟人体计划。

会后，相关的“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、首都医科大学、华中科技大学和第一军医大学等4家单位协作攻关。

至此，中国虚拟人计划进入了实质性阶段。

此时正值2001年12月。

[1]

在第一军医大学一间普通的研究室里，由中国工程院院士、第一军医大学钟世镇教授带领下的研究小组日夜奋战起来。

按照香山会议确定的计划，我国虚拟人的切片厚度精确到0.1毫米（美国男女虚拟人分别是1.0、0.33毫米），并提出了新的设计和组装方案。

与美国和韩国的“虚拟人”相比，中国将放弃对标本原型的卧姿固定切削，改为立姿固定切削。

0.1毫米的切削精度是世界上少有的，给工作人员带来了问题，为了保证切片的厚度该采用哪种刀具呢？

研究人员选中了哈尔滨刀具厂的产品。

当研究小组向哈尔滨刀具厂订做特制刀具时，厂家却犯难了：

他们的刀具广泛应用于机械加工（如钢材切割刀），但从来没有用来切过人体。

钢材密度均匀，而人体有骨头、肌肉、皮肤等密度不同的软硬组织。

这样复杂的切割对象刀具厂还是头一次遇见，厂家克服困难，精心为研究小组提供了三套刀具，回广州调试并“试用”。

研究人员先拿一个西瓜“试刀”，将其切成薄薄的细片，见识了刀具的“软功”；再对新西兰大白兔进行切片试验，

虚拟人

结果发现当兔子被急冻冷藏后肢体僵硬，切片效果不错，甚至可以达到0.02毫米的切削间距精度，这意味着人体的切片可以由预期的16600片增加到83000片。

但由于受到计算机储存和运算能力的限制，研究小组决定还是按原计划的厚度切削。

2002年4月一名28岁的湖南籍汉族健康男子死亡，没有任何传染病和代谢疾病，具有健康国人的代表性。

研究小组从20名自愿捐献遗体的志愿者中筛选出他作为中国虚拟人计划的尸体标本，取名为“中国虚拟人Ⅰ号”。

而美国虚拟人原型曾在15岁时手术切除右睾丸，21岁时切除阑尾，38岁时拔过一颗牙。

韩国虚拟人原型则是一位死于淋巴瘤的65岁老人。

由于美韩均对尸体标本使用了过量福尔马林灌注，尸体都出现了不同程度的肿胀变形，采集的数据与原型都存在着偏差。

我国虚拟人原型作为“标准中国人”，失真度小，更有应用价值。

完成虚拟人的建构，第一步就是对标本进行切片处理。

研究人员使用药物对其全身组织进行固定，使用明胶、朱砂、淀粉进行动脉的显色和填充，这就是由钟世镇院士提出的血管铸型技术——通过给尸体动脉灌注明胶、朱砂和淀粉，使动脉呈现红色，使之很容易和静脉区分。

这一技术利用人体动静脉回流的原理：

人死了动脉内的血管是空的，而静脉内填满了黑色的淤血。

把红色的“塑料液体”灌注入动脉，那么人体所有动脉就会呈现出红色，而静脉是黑色的。

一黑一红，在电脑读取切片数据时就很容易分辨出动脉和静脉了。

这项技术绝对是世界独有的。

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。

就以外科手术上特别重要

虚拟人

的动脉和静脉而言，美国的血管识别，目前仍依靠解剖学专家人为识别后，再用计算机图像勾边处理。

这种依靠经验为主的识别方法，在准确度和科学性上难免存有缺陷。

而我国的虚拟人显得更加“有血有肉”，动脉和静脉区别分明，就连细小血管都清晰可见。

如果在虚拟人身上做模拟手术，医生就可以清楚地分出动、静脉，知道哪根大血管不能破坏，对手术有重要指导意义。

尸体标本经过血管铸型处理后，放置在零下70摄氏度的冰库里储存以保证尸体的硬度，便于日后切削。

为了高质量完成虚拟人数据采集，科研人员选择了一个地下室作为数据切削采集的场地，屏除了影响切削精度的地面震动和杂乱的电子、电磁干扰，保护了图像信息的完整性。

然而，我们首先看到的却是女性虚拟人的抢先诞生。

中国虚拟人Ⅰ号哪去了？

难道是切削失败？

首都医科大学教授罗述谦介绍，男虚拟人计划推后是从保证质量考虑的。

负责开发海量储存系统（计算机系统）的单位说，目前，系统最多只能容纳切削精度为0.2毫米的虚拟人数据集，这与开始设想的把“男Ⅰ号”切削精度定为0.1毫米有距离。

这意味着把男性标本切出来后无法装进电脑。

而且在此之前，重庆第三军医大学已经切割了一个切面比较厚、但不够均匀的男性虚拟人，已经初步有了关于男性虚拟人的数据。

女性虚拟人数据缺乏，即使在国外，也只有美国完成了一个女性虚拟人的数据库。

所以，在综合考虑多方面因素后，研究小组改变了原来的计划，决定先切女的。

中国虚拟人Ⅰ号尸体标本完好地保存在医院特制冷库内，切削工作已暂时停止。

在此前，已对尸体标本的头、心脏和肾脏3个部分进行了切削，并构建了首批数据集。

2003年底将完成“中国虚拟人男Ⅰ号”的数据采集。

我国首个女虚拟人（“中国虚拟人Ⅱ号”）原型是一位身高1.56米的19岁少女，广西人去年在广东因误食毒蘑菇而急性死亡。

专家们认为虽然她不是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，生殖器官功能完全，是一个条件很不错的标本。

2002年年底，研究小组决定对其进行切割。

研究人员最终采用了两种刀具：

“粗刀盘”去除尸体的包埋材料，“精刀盘”进行尸体横断面的切削。

动刀时，直立的尸体从冰库顶部推出，冰库上方的刀具每旋一圈，就切出一个人体切片。

但是大家不会看到八千多片的人体横断面标本，因为像纸一样薄的人体切片在刀子旋转时已经变无法辨认了。

要获得这几千个人体切片的资料，必须每切一片，就对余下的尸体横断面拍照收集该横断面的资料。

我国虚拟人标本的切削，采用的是直立式。

美国、韩国都采用躺卧式，造成了标本的头部、背部、臀部和腿部等被压成扁平失真状态。

我国科学家克服直立式切割带来的不便，保证了人体建模接近正常人体形态。

2003年2月18日17时18分，我国首例女性虚拟人数据集在第一军医大学构建成功。

标本原型在零下70摄氏度冷冻后横向切成8556片，每片厚度为0.2毫米。

此时国人万分激动，中国首位女虚拟人诞生指日可待。

媒体大肆渲染，称中国虚拟人提前面世，确切地说，虚拟人的数据集的建立还只是万里长征的开始，虚拟人的诞生还有赖于数据库的建立。

拿到这一接力棒的是首都医科大学生物医学工程系教授罗述谦领导的研究小组。

2003年3月3日，研究小组向外界宣布，具有中国人生理特性的女虚拟人初步完成了三维重建。

罗教授领导的研究小组根据第一军医大学拍摄下的人体切片数字图片，将这些断层数据通过专门的三维软件进行信息化处理，在电脑中组建出三维人体图像。

这项工作更能体现虚拟人研究的特点———生物学与信息技术的紧密结合。

这里完全没有了前期工作的“刀光血影”，研究人员更像是三维图像的工作者，他们个个是医学专家，同时又精通信息技术。

在这些“多面手”的昼夜奋战下，女虚拟人已经恢复了皮肤、外观、骨骼、盆腔、卵巢的建构。

罗教授介绍说，将来女虚拟人的肌肉、五脏六腑等主要器官都会逐渐恢复。

预计在5月份，有关数据还将在互联网上公布。

中国的虚拟人计划在短短一年多的时间里完成了国外三四年走的历程。

不过这些还远远不够，中国虚拟人计划还不能画上句号。

虚拟人分为“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生物人”三个阶段。

目前，我国仅仅是踏出了“虚拟可视人”的第一步———通过完成数据集建立，在电脑里构建出一个三维立体的彩色虚拟人体。

虚拟人

与国外相比，我国虚拟人的整体水平并不占优，只是个别技术达到了世界先进水平。

虚拟人的神经系统还没有建立，光学照相技术还有待提高。

美国男虚拟人的内脏系统初具规模，应用价值很高，在这方面我国还要奋力追赶。

对于媒体极力宣扬的人体切片厚度，罗教授提出了自己的看法。

切片并不是越薄越好，我国虚拟人切片厚度已达到了0.1毫米，而美国男虚拟人切片厚度是1.0毫米，女虚拟人才0.33毫米，这并不代表美国没有能力切削得更薄。

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。

如果出于整体构建虚拟人的考虑，切到0.1－0.2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。

1998年美国将一具女尸只切成5000多片，每片厚0.33毫米，按这种精度，在电脑储存的数据就已高达43GB。

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。

如果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？

据了解，我国女虚拟人总数据量已经达到了149.7GB，相当于750亿汉字的存储量。

罗教授的研究小组所用的计算机达到了双CPU，两千兆内存的超高配置。

切片数据的质量除了厚度，还要看图像的清晰度，第一军医大学所用的是600万像素的数码相机，切片厚度达到0.1毫米以下时，对数码相机的要求也会相应提升，至少需要2400万像素。

这样的相机造价很高，对于经费不是太宽裕的课题组来说过于昂贵。

“中国虚拟人男Ⅰ号”

虚拟人

数据集切片每片仅0.2毫米厚，共切9215片，数据集计算机存储量约540GB，断面分辨率为4040×5880，达2200万像素，数据量、分辨率均为世界之最。

这标志着我国在虚拟人研究技术方面有了新突破。

此次用于制作“中国虚拟人男Ⅰ号”的切削机械从台湾购置，研究人员对其做了一些调整：

将原来做水平运动的X轴工作台顺时针旋转90度，使之做垂直运动。

进行“中国虚拟人男Ⅰ号”切片工作的刀具一共有两种：

粗刀盘去除尸体的包埋材料，如干冰等（尸体要冷藏至零下70摄氏度，保持足够僵硬才便于切割）；精刀盘进行尸体断面铣削。

进行尸体

虚拟人

切割的冰库有一间房那么大，冷冻机重5吨，上面装有切削设备——立式铣床。

冷库分成上下两层，有高温低温之分。

尸体平时就“站立”在冷库的冷冻室里，需要切削时，就将其向上升起，切割完又下降至冷冻室。

“中国虚拟人男Ⅰ号”与美国、韩国的虚拟人相比，有20多项创新，最明显的是将血管铸型技术应用于“虚拟人数据集”的建模。

美、韩虚拟人只能看到骨骼和肌肉，而我国虚拟人能清晰地看到血管。

下一步，中国虚拟人还将增加神经信息。

数字虚拟人“上岗”，可应用于汽车碰撞实验、航天技术、服装设计业和医学

广州消息据羊城晚报报道，记者2005年8月6日从南方医科大学数字人研究进展研讨会上获悉，由钟世镇院士主持的国家863计划“数字化虚拟人体若干关键技术”进入应用阶段，汽车碰撞实验、航天技术、服装设计业和医学界有望使用虚拟人体开展研究。

钟世镇院士透露，自2003年2月原第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集，获得8556个人体切片资料后，南方医科大学至今已经完成了两男一女以及一女婴共四个数字人体的数据集，我国成为继美国和韩国后，第三个拥有本国虚拟人数据集的国家。

这四个数字人，最精细的是“数字人男一号”，拥有9200个平面切片，照片分辨率达到2200万像素。

首席工程师唐雷说，“中国数字人”与美国、韩国相比，有20多项创新，最明显的是首次将血管铸型技术应用于“数字人数据集”的建模。

美、韩数字人只能看到骨骼和肌肉，而我国数字人能清晰地看到血管。

钟世镇认为，“数字化虚拟人”，可以为人类提供各种精确数据和依据。

据悉，目前已经有医学研究将数字人的阶段性研究成功用于临床外科手术的模拟研究。

接下来，汽车碰撞实验、航天技术、服装设计业将最早享受到数字人的研究成果，使用虚拟的人体进行各种实验和研发。

虚拟人的价值

医学参考：

　　有利于培养优秀外科医生。

过去要培养一个手到病除、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。

制药实验：

　　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，医生可以先将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人”先试“吃”一下，电脑里的“虚拟病人”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上市的效率。