數字化可視人體在醫學領域中的應用進展

倪晨，邱鵬，王鋒，曹慧

山東中醫藥大學 理工學院山東 濟南 250355

0 前言

數字化可視人體（Digitized Visible Human, DVH）是應用計算機信息技術，采用已經獲取的人體解剖結構的數據信息，在計算機上構建的人體結構的三維模型。目前，數字化可視人體已經初步應用在與人體結構數據有關的領域中，包括醫學、體育、軍事、航天、藝術等，而其在醫學領域中的應用則表現的尤為突出。作為醫學研究的基礎與技術支撐，數字化可視人體數據集為醫學研究提供精確的數字化模型，降低了傳統醫學研究的難度，提高了醫學研究的質量。數字化可視人體在醫學領域的應用將加快醫學研究現代化的步伐，同時對推動醫學的發展具有重要意義。

1 數字化可視人體的研究概況

美國國立醫學圖書館（National Library of Medicine, NLM）于1989年率先提出“可視化人體計劃（Visible Human Project,VHP）”，科羅拉多大學的健康科學中心負責收集數據并于1994年和1996年獲得了一男一女兩組包括CT、MRI和切片圖像的數據集。男性切片間距為1.0 mm，共有1878個橫斷面，在電腦存儲的數據量為15 GB；女性切片間距為0.33 mm，共有5190個斷面，數據量為43 GB[1]。

我國于2001年11月在北京召開了以“中國數字化虛擬人體的科技問題”為主題的香山科學會議，并提出了中國數字化虛擬人體研究的規劃和建議。2002年8月我國完成了首例男性數字化可視人體數據集的采集，連續橫斷面層厚：頭部和頸部為0.5 mm（其中顱底部為0.1 mm），其他部位為1.0 mm，全身共計2518個斷面，數據量為90.468 GB。2003年2月我國完成了首例女性數字化可視人體數據集的采集，連續橫斷面層厚：頭部為0.25 mm，其他部位為0.5 mm，全身共計3640個斷面，數據量為131.04 GB[2]。

2 數字化可視人體在醫學領域中的應用進展

2.1 數字化可視人體在外科手術中的應用進展

傳統模式下制定的手術方案是醫生憑主觀經驗完成的，因缺乏較強的科學性，方案存在著隱形的風險，而隨著可視化人體的出現，這一弊端得到了較好的改善。醫生可以在虛擬環境中對可視化人體進行手術模擬，根據得出的結論制定出最佳的手術方案。這樣手術的安全性和可靠性就能得到較好的保障。現在可視化人體已經在立體定向神經外科、顱面外科、角膜顯微外科手術等領域得到了應用。Roberts等人[3]開發的系統能夠將CT、MRI和血管造影數據準確地疊加在手術區域之上，以此提供手術導航指導。何必航[4]等開發的虛擬消化道內窺鏡訓練系統將真實內窺鏡器械與各種機電控制方法相結合，為實習醫生提供一個較為真實的內窺鏡手術環境，在此環境中，受訓者可以在虛擬三維腸道中進行模擬手術，從而進行全方位的訓練并提高自身操作能力。張順花[5]等建立的大腦中央前溝鄰近區域的三維可視化模型在神經解剖學研究、立體定向神經外科導航手術、遠程診治及網上多媒體教學等領域具有良好的應用價值。在近幾年開展的介入虛擬手術的研究中，數字化可視人體也起到了重要的作用[6]。數字化可視人體在手術模擬中的研究不僅可以有效解決傳統檢查存在的諸多不便性問題，還可以減去傳統手術流程中的一些硬性措施，如住院治療和術后觀察等，這大大降低了手術的醫療成本并提高了手術的成功率。

2.2 數字化可視人體在醫學教育中的應用進展

以往的教學方式是，教師先授課，然后學生再實驗。教學手段的單一造成大部分學生都不能夠真正掌握技能。而數字化可視人體的出現可在很大程度上彌補這一缺陷。與傳統的解剖尸體不同的是，學生可以借助虛擬手術器械解剖虛擬人體，這一改變不僅可以提高學生的實踐能力，還可以節約尸體標本、手術器材等資源，相應地減輕教研室的經濟負擔。第三軍醫大學的邱明國[7]等應用中國首套數字化可視人體數據建立的計算機輔助斷層影像解剖教學系統，在醫學影像專業斷層影像解剖教學過程中取得了很好的教學效果。數字化可視人體在運動解剖學教學中同樣得到了應用并顯著提高了運動解剖學的教學質量[9]。美國也開發了新的計算機人體解剖模擬學習系統，建立了骨骼、肌和心臟等部分器官的三維模型，如華盛頓大學開發的數字解剖學系統、漢堡大學開發的Voxel-Man系統等[7-8]。上海交通大學與上海中醫藥大學聯合開發的針灸虛擬現實系統，在融合了腧穴組織結構信息的三維數字人體基礎上，實現了數字人體與力反饋設備之間的通信。該系統能夠通過力反饋設備將力感真實地傳遞給操作者，為中醫針灸教學提供生動和高效的學習環境[10-12]。可見，數字化可視人體對醫學教學的改革具有重要的影響。

2.3 數字化可視人體在醫學研究和醫療診斷中的應用進展

數字化可視人體依據現有的人體數據集，并通過結合現代科學技術，為醫學研究和醫療診斷提供形象而真實的人體結構模型。歐洲生理人計劃已成功建立了人體消化系統的功能模型，用以研究胃腸之間的肌肉收縮波以及相關的醫療診斷；同時也建立了骨骼肌肉系統的部分模型，該模型已經成功地應用于人體步態分析的研究[13]。心臟的虛擬模型為研究心肌微觀生理病理變化發展成整體心臟的宏觀變化的過程提供了便利，并揭示了心室中血液流動的流體力學同心肌力和心臟瓣膜之間的關系，從而幫助提高心臟疾病的診治水平和創新藥物的研發[14]。Satava[15]開發的腹部虛擬現實模型，允許觀眾從器官的外部來觀察解剖機構，還可以從器官的內部來進行觀察。目前建立成功的還有肺功能的虛擬模型，可以模擬肺部的氣流、血液以及各種組織特性，實現肺泡間的氣體交換，該模型已經成功地應用在諸如哮喘等呼吸疾病的診治和研究中[16]。解放軍第三軍醫大學建立了基于中國可視化人（Chinese Visible Human，CVH）的三維虛擬肝臟系統，該系統利用肝臟橫、冠、矢狀面的斷面圖像，結合肝臟可視化模型，與臨床斷層和三維成像結果相對照研究，為影像診斷、肝臟介入手術和肝臟腫瘤的三維適行放療計劃的制定提供形態學參考[17]。數字化可視人體在醫學研究和醫療診斷中的應用，不僅有效的降低了醫療風險還提高了科研的質量，對醫學研究的現代化起到了重要作用。

3 數字化可視人體在醫學領域中的發展方向

3.1 創建更多有研究意義的模型

雖然目前人們在組織、器官及人體各子系統方面均已成功建立了很多模型，但在外科臨床上占有重要地位的人體結構的模型卻相對缺乏，如神經組織和血管等。同時，基因模型和蛋白質模型的建立也是未來的研究重點，它們對于研究基因疾病和設計藥物有著重要意義。所以接下來的關鍵工作是對有研究意義的重要人體結構進行深入的研究，獲取更為詳細的數據，從而建立可視化的三維模型。這些三維模型可以為醫學研究的進步提供堅實的依據和保障。

3.2 向數字化智能人階段邁進

數字人研究分為四個階段：數字化可視人、數字化物理人、數字化生理人、數字化智能人。可視人是從幾何角度定量描繪人體結構，沒有任何功能性的反應，只屬于解剖人。隨著數字化醫學的高速發展，數字化可視人體已經滿足不了現代醫學對數字人體的需求，要實現醫學跨越式的轉變，就必須向數字化智能人階段邁進。在后續的研究工作中，需要借助科學技術，將數字化的人體物理性、生理性和智能性參數與可視人體相結合，逐步實現數字化的物理人、數字化的生理人并最終達到數字化智能人階段，得到一個可以擁有完整人體功能的，甚至有虛擬智慧的數字人。數字化智能人在醫學研究領域將創造無與倫比的應用價值。

3.3 擴展到更寬更廣的領域

數字化可視人體已經在醫學領域中得到了廣泛的應用，但數字化可視人體的價值絕不會僅局限于單個領域。隨著數字化時代的到來，與人體結構數據有關的眾多領域也對數字化可視人體提出了巨大的需求，如航天、體育、軍事、藝術等。所以將數字化可視人體應用到更多領域也是未來研究的重要方向。

4 小結

數字化可視人體在醫學領域得到了廣泛的應用并發揮了重要的作用，如它可以為醫學教育與醫學研究提供三維模型，對加速醫學教育與醫學研究的現代化具有重要意義；它也可以應用在手術模擬中，為外科手術提供保障；它還可以為疾病的診斷和藥物的研制提供依據，對醫療高新技術產業的形成起到促進作用。由于存在一些缺陷，如目前為止構建的人體結構的三維模型范圍不夠全面，采集到的數字化人體的數據集缺乏普遍性等，數字化可視人體的應用存在其局限性。這就需要我們對數字化可視人體進行深入的研究并對數據集進行不斷的充實和完善。對數字化可視人體進行深入研究也是數字人體研究的需求，它是提高數字人體研究水平的基礎。因此要實現數字化可視人體在包括醫學在內的更多領域上有更廣闊的應用前景，還需要有一段艱辛的研究過程。但毋庸置疑的是，數字化可視人體定將發揮更大的應用價值并具有更大的科學技術意義。

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