數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進展

倪晨，邱鵬，王鋒，曹慧

山東中醫(yī)藥大學(xué) 理工學(xué)院山東 濟南 250355

0 前言

數(shù)字化可視人體（Digitized Visible Human, DVH）是應(yīng)用計算機信息技術(shù)，采用已經(jīng)獲取的人體解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，在計算機上構(gòu)建的人體結(jié)構(gòu)的三維模型。目前，數(shù)字化可視人體已經(jīng)初步應(yīng)用在與人體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)有關(guān)的領(lǐng)域中，包括醫(yī)學(xué)、體育、軍事、航天、藝術(shù)等，而其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用則表現(xiàn)的尤為突出。作為醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集為醫(yī)學(xué)研究提供精確的數(shù)字化模型，降低了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究的難度，提高了醫(yī)學(xué)研究的質(zhì)量。數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將加快醫(yī)學(xué)研究現(xiàn)代化的步伐，同時對推動醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)字化可視人體的研究概況

美國國立醫(yī)學(xué)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(xué)的健康科學(xué)中心負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量為15 GB；女性切片間距為0.33 mm，共有5190個斷面，數(shù)據(jù)量為43 GB[1]。

我國于2001年11月在北京召開了以“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”為主題的香山科學(xué)會議，并提出了中國數(shù)字化虛擬人體研究的規(guī)劃和建議。2002年8月我國完成了首例男性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的采集，連續(xù)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(shù)據(jù)量為90.468 GB。2003年2月我國完成了首例女性數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的采集，連續(xù)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(shù)據(jù)量為131.04 GB[2]。

2 數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進展

2.1 數(shù)字化可視人體在外科手術(shù)中的應(yīng)用進展

傳統(tǒng)模式下制定的手術(shù)方案是醫(yī)生憑主觀經(jīng)驗完成的，因缺乏較強的科學(xué)性，方案存在著隱形的風(fēng)險，而隨著可視化人體的出現(xiàn)，這一弊端得到了較好的改善。醫(yī)生可以在虛擬環(huán)境中對可視化人體進行手術(shù)模擬，根據(jù)得出的結(jié)論制定出最佳的手術(shù)方案。這樣手術(shù)的安全性和可靠性就能得到較好的保障?，F(xiàn)在可視化人體已經(jīng)在立體定向神經(jīng)外科、顱面外科、角膜顯微外科手術(shù)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。Roberts等人[3]開發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)T、MRI和血管造影數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地疊加在手術(shù)區(qū)域之上，以此提供手術(shù)導(dǎo)航指導(dǎo)。何必航[4]等開發(fā)的虛擬消化道內(nèi)窺鏡訓(xùn)練系統(tǒng)將真實內(nèi)窺鏡器械與各種機電控制方法相結(jié)合，為實習(xí)醫(yī)生提供一個較為真實的內(nèi)窺鏡手術(shù)環(huán)境，在此環(huán)境中，受訓(xùn)者可以在虛擬三維腸道中進行模擬手術(shù)，從而進行全方位的訓(xùn)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(qū)域的三維可視化模型在神經(jīng)解剖學(xué)研究、立體定向神經(jīng)外科導(dǎo)航手術(shù)、遠(yuǎn)程診治及網(wǎng)上多媒體教學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價值。在近幾年開展的介入虛擬手術(shù)的研究中，數(shù)字化可視人體也起到了重要的作用[6]。數(shù)字化可視人體在手術(shù)模擬中的研究不僅可以有效解決傳統(tǒng)檢查存在的諸多不便性問題，還可以減去傳統(tǒng)手術(shù)流程中的一些硬性措施，如住院治療和術(shù)后觀察等，這大大降低了手術(shù)的醫(yī)療成本并提高了手術(shù)的成功率。

2.2 數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用進展

以往的教學(xué)方式是，教師先授課，然后學(xué)生再實驗。教學(xué)手段的單一造成大部分學(xué)生都不能夠真正掌握技能。而數(shù)字化可視人體的出現(xiàn)可在很大程度上彌補這一缺陷。與傳統(tǒng)的解剖尸體不同的是，學(xué)生可以借助虛擬手術(shù)器械解剖虛擬人體，這一改變不僅可以提高學(xué)生的實踐能力，還可以節(jié)約尸體標(biāo)本、手術(shù)器材等資源，相應(yīng)地減輕教研室的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。第三軍醫(yī)大學(xué)的邱明國[7]等應(yīng)用中國首套數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)建立的計算機輔助斷層影像解剖教學(xué)系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)影像專業(yè)斷層影像解剖教學(xué)過程中取得了很好的教學(xué)效果。數(shù)字化可視人體在運動解剖學(xué)教學(xué)中同樣得到了應(yīng)用并顯著提高了運動解剖學(xué)的教學(xué)質(zhì)量[9]。美國也開發(fā)了新的計算機人體解剖模擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，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(xué)開發(fā)的數(shù)字解剖學(xué)系統(tǒng)、漢堡大學(xué)開發(fā)的Voxel-Man系統(tǒng)等[7-8]。上海交通大學(xué)與上海中醫(yī)藥大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的針灸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在融合了腧穴組織結(jié)構(gòu)信息的三維數(shù)字人體基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了數(shù)字人體與力反饋設(shè)備之間的通信。該系統(tǒng)能夠通過力反饋設(shè)備將力感真實地傳遞給操作者，為中醫(yī)針灸教學(xué)提供生動和高效的學(xué)習(xí)環(huán)境[10-12]?？梢?，數(shù)字化可視人體對醫(yī)學(xué)教學(xué)的改革具有重要的影響。

2.3 數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷中的應(yīng)用進展

數(shù)字化可視人體依據(jù)現(xiàn)有的人體數(shù)據(jù)集，并通過結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，為醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷提供形象而真實的人體結(jié)構(gòu)模型。歐洲生理人計劃已成功建立了人體消化系統(tǒng)的功能模型，用以研究胃腸之間的肌肉收縮波以及相關(guān)的醫(yī)療診斷；同時也建立了骨骼肌肉系統(tǒng)的部分模型，該模型已經(jīng)成功地應(yīng)用于人體步態(tài)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(fā)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(xué)同心肌力和心臟瓣膜之間的關(guān)系，從而幫助提高心臟疾病的診治水平和創(chuàng)新藥物的研發(fā)[14]。Satava[15]開發(fā)的腹部虛擬現(xiàn)實模型，允許觀眾從器官的外部來觀察解剖機構(gòu)，還可以從器官的內(nèi)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(xiàn)肺泡間的氣體交換，該模型已經(jīng)成功地應(yīng)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(yī)大學(xué)建立了基于中國可視化人（Chinese Visible Human，CVH）的三維虛擬肝臟系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用肝臟橫、冠、矢狀面的斷面圖像，結(jié)合肝臟可視化模型，與臨床斷層和三維成像結(jié)果相對照研究，為影像診斷、肝臟介入手術(shù)和肝臟腫瘤的三維適行放療計劃的制定提供形態(tài)學(xué)參考[17]。數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷中的應(yīng)用，不僅有效的降低了醫(yī)療風(fēng)險還提高了科研的質(zhì)量，對醫(yī)學(xué)研究的現(xiàn)代化起到了重要作用。

3 數(shù)字化可視人體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展方向

3.1 創(chuàng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的模型卻相對缺乏，如神經(jīng)組織和血管等。同時，基因模型和蛋白質(zhì)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(shè)計藥物有著重要意義。所以接下來的關(guān)鍵工作是對有研究意義的重要人體結(jié)構(gòu)進行深入的研究，獲取更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)，從而建立可視化的三維模型。這些三維模型可以為醫(yī)學(xué)研究的進步提供堅實的依據(jù)和保障。

3.2 向數(shù)字化智能人階段邁進

數(shù)字人研究分為四個階段：數(shù)字化可視人、數(shù)字化物理人、數(shù)字化生理人、數(shù)字化智能人?？梢暼耸菑膸缀谓嵌榷棵枥L人體結(jié)構(gòu)，沒有任何功能性的反應(yīng)，只屬于解剖人。隨著數(shù)字化醫(yī)學(xué)的高速發(fā)展，數(shù)字化可視人體已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對數(shù)字人體的需求，要實現(xiàn)醫(yī)學(xué)跨越式的轉(zhuǎn)變，就必須向數(shù)字化智能人階段邁進。在后續(xù)的研究工作中，需要借助科學(xué)技術(shù)，將數(shù)字化的人體物理性、生理性和智能性參數(shù)與可視人體相結(jié)合，逐步實現(xiàn)數(shù)字化的物理人、數(shù)字化的生理人并最終達到數(shù)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(shù)字人。數(shù)字化智能人在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域?qū)?chuàng)造無與倫比的應(yīng)用價值。

3.3 擴展到更寬更廣的領(lǐng)域

數(shù)字化可視人體已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但數(shù)字化可視人體的價值絕不會僅局限于單個領(lǐng)域。隨著數(shù)字化時代的到來，與人體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)有關(guān)的眾多領(lǐng)域也對數(shù)字化可視人體提出了巨大的需求，如航天、體育、軍事、藝術(shù)等。所以將數(shù)字化可視人體應(yīng)用到更多領(lǐng)域也是未來研究的重要方向。

4 小結(jié)

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

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