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虚拟人体与虚拟医学应用前景分析
2010年9月10日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:陈一勇,樊成红

   [摘  要]
数字化虚拟人体是通过关于真实人体信息数字化的研究,借助计算机技术,建立三维显示人体器官结构和生理功能的计算机模型。数字化虚拟人体研究经历虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生理人三个发展阶段,其研究对于增进对人类自身的认识、促进医学的发展有重要意义。

    数字化虚拟人体研究集医学与计算机科学最新科技成果于一身,可通过对人体从微观到宏观结构和机能的数字化、可视化,进而完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能,最终达到人体信息的整体精确模拟。数字化模拟人体研究可为医学科学研究、教育事业及临床工作开辟新途径,在医学领域中具有广泛的应用前景[1]。

  1  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变为电脑的语言符号,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、触等直观而自然的实时感。

  2  数字化虚拟人体的研究阶段

  数字化虚拟人体研究可经历3个发展阶段:虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生理人。这3个阶段不一定截然分开,各阶段的内容也可能交叉重叠。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,虽然可以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。虚拟物理人是在虚拟可视人的基础上加入人体组织的力学特性和形态等物理特性,在质感、质地、软硬度及温度等方面达到和人体一样的指标。可用于物理碰撞方面的研究。虚拟生理人是在虚拟物理人的基础上赋予人体微观结构及生物特性,是能从解剖到生理、生化,从宏观到微观,从表象到本质全方位反映人体的交互式数字化人体模型,具有心跳、血液循环、新陈代谢等生理功能。可用于研究人体疾病的发生机制,预测疾病发展规律,疾病的诊断治疗及进行新药筛选等[2]。

  3  数字化虚拟人体研究的科学意义

  数字化虚拟人体的研究的科学意义有以下几方面:实现了人体解剖结构信息的数字化。数字化虚拟人体可成为能够为计算机处理的数字化模型,使几百年发展起来的基于尸体解剖的实验解剖学发生巨大的变革。人体解剖信息数字化后,通过后续的计算机处理技术,可使计算机对人体的定量分析计算成为可能。提高了人体解剖可视化水平。数字化虚拟人体以三维形式显示人体解剖结构的大小、形状、位置及器官间的相互空间关系,使人类在认识自身结构方面前进了一大步。随着信息获取和处理技术的进步、数据采集度的提高,为多学科研究与应用提供基础。开辟医学研究的虚拟环境。数字化虚拟人体有效利用人体的信息,开发多层次需求。实现人体解剖信息资源数据共享。数据共享是当今国际科学界极为关注和提倡的。科学数据共享将有利于科学探索,促进新课题的研究。

    4  数字化虚拟人体在医学领域的应用前景
  
  虚拟人体数据集来源于自然人的数字化人体信息资源,数字化虚拟人体可以为各类研究人员研究人体对不同的内、外界环境改变的反应提供实验平台。数字化虚拟人体模型的建立在医学领域中具有广泛的应用价值[3]。为医学教学与医学研究提供模型。数字化虚拟人利用真实的人体数据集,运用信息技术建立数字化的人体计算机模型,为医学研究与教学提供形象而真实的模型。数字化解剖图谱模型将改变传统解剖图谱对人体器官三维结构的二维表达,点击某一解剖结构,通过链接,该结构的相关文本知识即可显示,使学习者易于学习与掌握[4]。在外科教学上,以往培训一位技艺高超、手到病除的外科医生,要在上级医生带领下,长期在患者身上积累开刀的经验。这种“练手艺”的过程,通过数字化虚拟人体的程序设定,可在电脑上反复进行演练[5]。在医学科学技术或新药研制方面,以往必须先通过动物实验、小样本临床验证后,才能用于临床实践。数字化虚拟人的研究为这一过程提供模型进行预演,从而降低医疗风险和提高科研质量,加速医学教育和医学研究的现代化[6]。为计算机辅助医学奠定基础。计算机辅助医学的基础是解剖学。现有的解剖学知识和数据是通过将人体剖切开以后进行观察和测量得来的。人体数字化解剖学将成为以计算机技术为支撑的现代临床诊断和治疗手段的计算机辅助医学,在显示器官组织的解剖结构的同时可显示其断面解剖结构,并可任意旋转,提供器官或结构在人体空间中的准确定位、三维测量数据和立体图像,从而为计算机辅助医学奠定坚实的基础。为临床影像诊断提供依据。临床断层影像诊断的形态学基础是正常人体断面解剖学。新一代CT和MRI已能将断层的厚度减小到1 mm~2 mm甚至更薄,使微小病灶的检出率得到了提高,对于占位性病变尤其是肿瘤的早期发现和早期治疗具有重要意义。已有的断面解剖学所提供的图像和数据资料,采用的断面标本最薄也有在5 mm以上,无法完全满足当前临床影像诊断的需要。数字化虚拟人体数据集采集的连续断面的图像,其断层间距离的精确度可达0.2 mm,甚至0.1 mm。从而可为临床断层影像诊断提供与之匹配的断面图像和数据[7]。为临床介入诊断、治疗模拟定位。内窥镜、导管等介入诊断和介入治疗手段,以其创伤小、准确、快捷等特点在临床上得到广泛的应用。介入诊断和介入治疗需要掌握人体管道结构的三维形态规律和正常数据。数字化虚拟人体数据集包含有丰富的图像信息,可为介入诊断和介入治疗提供虚拟现实技术的应用环境。这对于医生为患者进行的介入诊断和治疗手术训练,以及准确而有效方案的制定具有重要意义[7]。

  参考文献:

  [1]李华.数字化虚拟人[J].科学,2003,54(5):2023.

  [2]钟世镇.数字化虚拟化人体研究现状和展望[J].解放军医学杂志,2003,5:385388.

  [3]毕思文,汪湘,罗述谦,等.数字人体基础理论框架研究与应用[J].中国医学影像技术,2003,19(1):47.

  [4]Spitzer VM,Whitlock KG.The visible Human Dataset:the anatomical platform for human simulation[J].Anat Rec,1998,253(2):4957.

  [5]Michael J.Ackerman,Terry Yoo,Donald Jenkins.From Data to Knowledgethe Visible Human Project Continues[J].MEDINFO,2001:887890.

  [6]Ackerman MJ.The Visible Human Project:A Resource for education[J].Acad Med,1999,74:667.

  [7]Chung MS,Kim SY.Threedimensional image and virtual dissection program of the brain made of Korean cadaver[J].Yousci Med J,2000,41(3):299303.

 

标签:虚拟人虚拟医学
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