数字化可视人体在医学领域中的应用进展

倪晨，邱鹏，王锋，曹慧

山东中医药大学 理工学院山东 济南 250355

0 前言

数字化可视人体（Digitized Visible Human, DVH）是应用计算机信息技术，采用已经获取的人体解剖结构的数据信息，在计算机上构建的人体结构的三维模型。目前，数字化可视人体已经初步应用在与人体结构数据有关的领域中，包括医学、体育、军事、航天、艺术等，而其在医学领域中的应用则表现的尤为突出。作为医学研究的基础与技术支撑，数字化可视人体数据集为医学研究提供精确的数字化模型，降低了传统医学研究的难度，提高了医学研究的质量。数字化可视人体在医学领域的应用将加快医学研究现代化的步伐，同时对推动医学的发展具有重要意义。

1 数字化可视人体的研究概况

美国国立医学图书馆（National Library of Medicine, NLM）于1989年率先提出“可视化人体计划（Visible Human Project,VHP）”，科罗拉多大学的健康科学中心负责收集数据并于1994年和1996年获得了一男一女两组包括CT、MRI和切片图像的数据集。男性切片间距为1.0 mm，共有1878个横断面，在电脑存储的数据量为15 GB；女性切片间距为0.33 mm，共有5190个断面，数据量为43 GB[1]。

我国于2001年11月在北京召开了以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的香山科学会议，并提出了中国数字化虚拟人体研究的规划和建议。2002年8月我国完成了首例男性数字化可视人体数据集的采集，连续横断面层厚：头部和颈部为0.5 mm（其中颅底部为0.1 mm），其他部位为1.0 mm，全身共计2518个断面，数据量为90.468 GB。2003年2月我国完成了首例女性数字化可视人体数据集的采集，连续横断面层厚：头部为0.25 mm，其他部位为0.5 mm，全身共计3640个断面，数据量为131.04 GB[2]。

2 数字化可视人体在医学领域中的应用进展

2.1 数字化可视人体在外科手术中的应用进展

传统模式下制定的手术方案是医生凭主观经验完成的，因缺乏较强的科学性，方案存在着隐形的风险，而随着可视化人体的出现，这一弊端得到了较好的改善。医生可以在虚拟环境中对可视化人体进行手术模拟，根据得出的结论制定出最佳的手术方案。这样手术的安全性和可靠性就能得到较好的保障。现在可视化人体已经在立体定向神经外科、颅面外科、角膜显微外科手术等领域得到了应用。Roberts等人[3]开发的系统能够将CT、MRI和血管造影数据准确地叠加在手术区域之上，以此提供手术导航指导。何必航[4]等开发的虚拟消化道内窥镜训练系统将真实内窥镜器械与各种机电控制方法相结合，为实习医生提供一个较为真实的内窥镜手术环境，在此环境中，受训者可以在虚拟三维肠道中进行模拟手术，从而进行全方位的训练并提高自身操作能力。张顺花[5]等建立的大脑中央前沟邻近区域的三维可视化模型在神经解剖学研究、立体定向神经外科导航手术、远程诊治及网上多媒体教学等领域具有良好的应用价值。在近几年开展的介入虚拟手术的研究中，数字化可视人体也起到了重要的作用[6]。数字化可视人体在手术模拟中的研究不仅可以有效解决传统检查存在的诸多不便性问题，还可以减去传统手术流程中的一些硬性措施，如住院治疗和术后观察等，这大大降低了手术的医疗成本并提高了手术的成功率。

2.2 数字化可视人体在医学教育中的应用进展

以往的教学方式是，教师先授课，然后学生再实验。教学手段的单一造成大部分学生都不能够真正掌握技能。而数字化可视人体的出现可在很大程度上弥补这一缺陷。与传统的解剖尸体不同的是，学生可以借助虚拟手术器械解剖虚拟人体，这一改变不仅可以提高学生的实践能力，还可以节约尸体标本、手术器材等资源，相应地减轻教研室的经济负担。第三军医大学的邱明国[7]等应用中国首套数字化可视人体数据建立的计算机辅助断层影像解剖教学系统，在医学影像专业断层影像解剖教学过程中取得了很好的教学效果。数字化可视人体在运动解剖学教学中同样得到了应用并显著提高了运动解剖学的教学质量[9]。美国也开发了新的计算机人体解剖模拟学习系统，建立了骨骼、肌和心脏等部分器官的三维模型，如华盛顿大学开发的数字解剖学系统、汉堡大学开发的Voxel-Man系统等[7-8]。上海交通大学与上海中医药大学联合开发的针灸虚拟现实系统，在融合了腧穴组织结构信息的三维数字人体基础上，实现了数字人体与力反馈设备之间的通信。该系统能够通过力反馈设备将力感真实地传递给操作者，为中医针灸教学提供生动和高效的学习环境[10-12]。可见，数字化可视人体对医学教学的改革具有重要的影响。

2.3 数字化可视人体在医学研究和医疗诊断中的应用进展

数字化可视人体依据现有的人体数据集，并通过结合现代科学技术，为医学研究和医疗诊断提供形象而真实的人体结构模型。欧洲生理人计划已成功建立了人体消化系统的功能模型，用以研究胃肠之间的肌肉收缩波以及相关的医疗诊断；同时也建立了骨骼肌肉系统的部分模型，该模型已经成功地应用于人体步态分析的研究[13]。心脏的虚拟模型为研究心肌微观生理病理变化发展成整体心脏的宏观变化的过程提供了便利，并揭示了心室中血液流动的流体力学同心肌力和心脏瓣膜之间的关系，从而帮助提高心脏疾病的诊治水平和创新药物的研发[14]。Satava[15]开发的腹部虚拟现实模型，允许观众从器官的外部来观察解剖机构，还可以从器官的内部来进行观察。目前建立成功的还有肺功能的虚拟模型，可以模拟肺部的气流、血液以及各种组织特性，实现肺泡间的气体交换，该模型已经成功地应用在诸如哮喘等呼吸疾病的诊治和研究中[16]。解放军第三军医大学建立了基于中国可视化人（Chinese Visible Human，CVH）的三维虚拟肝脏系统，该系统利用肝脏横、冠、矢状面的断面图像，结合肝脏可视化模型，与临床断层和三维成像结果相对照研究，为影像诊断、肝脏介入手术和肝脏肿瘤的三维适行放疗计划的制定提供形态学参考[17]。数字化可视人体在医学研究和医疗诊断中的应用，不仅有效的降低了医疗风险还提高了科研的质量，对医学研究的现代化起到了重要作用。

3 数字化可视人体在医学领域中的发展方向

3.1 创建更多有研究意义的模型

虽然目前人们在组织、器官及人体各子系统方面均已成功建立了很多模型，但在外科临床上占有重要地位的人体结构的模型却相对缺乏，如神经组织和血管等。同时，基因模型和蛋白质模型的建立也是未来的研究重点，它们对于研究基因疾病和设计药物有着重要意义。所以接下来的关键工作是对有研究意义的重要人体结构进行深入的研究，获取更为详细的数据，从而建立可视化的三维模型。这些三维模型可以为医学研究的进步提供坚实的依据和保障。

3.2 向数字化智能人阶段迈进

数字人研究分为四个阶段：数字化可视人、数字化物理人、数字化生理人、数字化智能人。可视人是从几何角度定量描绘人体结构，没有任何功能性的反应，只属于解剖人。随着数字化医学的高速发展，数字化可视人体已经满足不了现代医学对数字人体的需求，要实现医学跨越式的转变，就必须向数字化智能人阶段迈进。在后续的研究工作中，需要借助科学技术，将数字化的人体物理性、生理性和智能性参数与可视人体相结合，逐步实现数字化的物理人、数字化的生理人并最终达到数字化智能人阶段，得到一个可以拥有完整人体功能的，甚至有虚拟智慧的数字人。数字化智能人在医学研究领域将创造无与伦比的应用价值。

3.3 扩展到更宽更广的领域

数字化可视人体已经在医学领域中得到了广泛的应用，但数字化可视人体的价值绝不会仅局限于单个领域。随着数字化时代的到来，与人体结构数据有关的众多领域也对数字化可视人体提出了巨大的需求，如航天、体育、军事、艺术等。所以将数字化可视人体应用到更多领域也是未来研究的重要方向。

4 小结

数字化可视人体在医学领域得到了广泛的应用并发挥了重要的作用，如它可以为医学教育与医学研究提供三维模型，对加速医学教育与医学研究的现代化具有重要意义；它也可以应用在手术模拟中，为外科手术提供保障；它还可以为疾病的诊断和药物的研制提供依据，对医疗高新技术产业的形成起到促进作用。由于存在一些缺陷，如目前为止构建的人体结构的三维模型范围不够全面，采集到的数字化人体的数据集缺乏普遍性等，数字化可视人体的应用存在其局限性。这就需要我们对数字化可视人体进行深入的研究并对数据集进行不断的充实和完善。对数字化可视人体进行深入研究也是数字人体研究的需求，它是提高数字人体研究水平的基础。因此要实现数字化可视人体在包括医学在内的更多领域上有更广阔的应用前景，还需要有一段艰辛的研究过程。但毋庸置疑的是，数字化可视人体定将发挥更大的应用价值并具有更大的科学技术意义。

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