在大數(shù)據(jù)世界中構建數(shù)字人生命底色

杜月嬌

“Hi，‘數(shù)字人，歡迎你來參加我們的大會，你可以先介紹一下你自己嗎？”2019年，在百度AI開發(fā)者大會現(xiàn)場，百度創(chuàng)始人李彥宏以一句熱情的招呼為現(xiàn)場7000多名參會者介紹了一位新朋友——金融“數(shù)字人”。這個由百度智能云和浦發(fā)銀行共同打造的國內首個銀行“虛擬員工”很快引起熱議。

什么是“數(shù)字人”？

在互聯(lián)網(wǎng)上，類似的搜素短時間內出現(xiàn)暴漲。在百度AI開發(fā)者大會上，這個名為“小浦”的數(shù)字人幾乎復刻了一個真實的人——逼真的表情、動作形態(tài)，自然流暢的語調、語氣、說話風格，通過多感官實時關注和識別用戶的情緒、表情、語氣，根據(jù)對話內容及時做出反應，通過深度學習技術其還能具備各行業(yè)專業(yè)知識……

如今，短短3年時間，當年引發(fā)全網(wǎng)好奇心的數(shù)字人已經(jīng)頻繁出現(xiàn)在人們的生活場景中：從清華大學首個AI虛擬學生華智冰，到各大媒體當家“數(shù)字主播”，數(shù)字人技術正在以非凡的速度進化，并逐漸走入真實的世界。在元宇宙概念火爆的當下，各國企業(yè)對于數(shù)字人技術的研發(fā)也展開了競逐。

然而盡管數(shù)字人的熱度異常之高，其應用價值仍然被嚴重低估了。

除了在金融、娛樂等領域的作用，與生物工程技術高度結合的數(shù)字人，可以在諸如醫(yī)學診療、仿真科學、工程試驗等更廣闊的領域服務于人類。在這條并不尋常的賽道上，每一個新的發(fā)現(xiàn)都充滿著對未來的無窮想象力。

從19年前進入生物醫(yī)學工程領域開始，王洪凱科研的航船就逐漸駛向數(shù)字化圖譜構建研究。如今已是大連理工大學教授的他，終于迎來了科研的盛果期，站在領先于絕大部分人的領域前沿，他帶領記者窺探了數(shù)字人的未來圖景。

一個扎進心里的問題

2003年，從北京航空航天大學電子工程專業(yè)畢業(yè)的王洪凱，考研進入清華大學。由于導師從事的是生物醫(yī)學工程領域的研究，他也因此進入了這一領域，懵懵懂懂開始了用計算機技術解決健康問題的研究。

“收獲還是很大的，”10年后回憶起那次偶然的轉行，王洪凱感慨良多，“接觸了這個行業(yè)之后就發(fā)現(xiàn)它的意義重大，自己的研究能夠減輕別人的痛苦，我想這就是生物醫(yī)學工程最大的魅力所在?！?/p>

博士階段，王洪凱跟著導師開始從事醫(yī)學圖像處理研究。說來也巧——他自幼就喜歡畫畫，曾經(jīng)夢想當一名藝術家，然而終究沒有走上藝術之路，如今在圖像處理領域，他竟覺得跟兒時的夢想產(chǎn)生了某種奇特的聯(lián)系?！盁釔邸边@個專業(yè)，成了他從事科學研究最根本的心理動機。也正是在博士時期，王洪凱開啟了人體建模的相關研究。而他真正堅定了在這一領域走下去的決心則始于博士畢業(yè)論文答辯會。

在答辯會上，王洪凱介紹了自己關于人體建模方面的工作，一切都順利地進行著，直到在場的一位評委老師向他提出了一個問題：“人體建模在國內也搞了一些年頭了，但是它始終存在一個比較大的問題，就是建模的數(shù)字人只是一個標準的模板，它怎樣才能個性化地代表每一個不同的人呢？只有個性化才能真正在醫(yī)療應用中產(chǎn)生價值。”

一個擲地有聲的發(fā)問！

這個問題久久地叩問著王洪凱，直到今天。“確實如此，因為只有在計算機里模擬出某個病人本身，才能夠對他的診斷治療起到實質性的幫助?！钡茱@然，博士階段的研究根本達不到這樣的要求，甚至就算放眼全球，當時整個科研領域在這方面的進展也是十分有限的。但這樣的遺憾卻在王洪凱心中留下了一顆種子、一個任務——解決這個問題，成為王洪凱接下來科研路上的主要命題。

帶著這個問題，王洪凱來到了美國，在數(shù)字鼠的研究中得到了啟迪。這是一項個性化研究，王洪凱需要從小鼠身上采集少量信息，以此重建小鼠身體內部的完整結構，其建模要匹配每一個小鼠。說起來簡單，但其實要實現(xiàn)個性化，需要從大量數(shù)據(jù)中學習每一個個體的特點，同時找到種群的個性化變化規(guī)律，再把這種規(guī)律置于模型中，如此去真實模擬不同的個體?！耙晕已芯康男∈鬄槔?，只需要給小鼠拍一張X光片，就能模擬出它全身所有的立體結構。這其中的關鍵就是大數(shù)據(jù)圖譜的建模技術。我當時將這個小鼠模型稱為可變形小鼠頭骨，它可以根據(jù)解剖樣本，模擬不同個體的形態(tài)差異。而這些技術在人體上同樣適用?！?/p>

這項研究不但讓王洪凱發(fā)表了反響不錯的文章，成果專利更是被美國企業(yè)購買，得到迅速轉化。然而對于王洪凱來說，發(fā)文章或者賣專利，都不是這項研究的目的，他更愿意將之看作是對個性化數(shù)字人研究的思維鍛煉與科研鋪墊。也正是在這項研究中的收獲，使得他迫不及待地回到國內，真正開始了對個性化數(shù)字人之問的回答。

一張圖譜的無限可能

回到國內的王洪凱比在國外時忙碌了不止一倍。他的首要工作就是收集大數(shù)據(jù)。而獲得數(shù)據(jù)需要通過和全國范圍內的醫(yī)院進行合作。于是，去全國各地出差、和醫(yī)生建立聯(lián)系，成為王洪凱回國最初幾年的工作重點。這些工作顯然擠占了他的大量工作和生活時間，他個人除了要面臨無文章發(fā)表的壓力外，還要承擔起授課與行政上的繁重工作;生活上，那時孩子正小，王洪凱無暇顧及，只好把照顧家庭的重擔交給了家人。

“確實過了幾年苦日子，如果抱著急功近利的心態(tài)，恐怕這個事情就做不來了，因為必須先積累幾年?！蓖鹾閯P口中的“事情”正是日夜叩問著他的個性化數(shù)字人圖譜。如今，它已經(jīng)有了更具體的名稱——國家自然科學基金青年基金項目“構建基于多訓練樣本的可變形中國人數(shù)字解剖圖譜”。

在此之前，我國已基于尸體冷凍切片構建了高精度中國數(shù)字人圖譜，但是尸體影像只包含少量樣本，不能反映中國人群統(tǒng)計特征，也缺少活體樣本的功能信息。王洪凱研究的目的是基于大量活體中國人醫(yī)學影像數(shù)據(jù)構建數(shù)字中國人圖譜。

在項目研究中，王洪凱領銜的課題組從全國合作醫(yī)院收集和篩選了1000例以上健康中國成年人全身CT影像，研發(fā)人工智能算法從影像中分割提取全身器官三維模型并學習不同個體間的器官形態(tài)差異，最終構建了一款包含上百個測量學參數(shù)的可變形數(shù)字人圖譜，可實現(xiàn)體形、容貌、內部器官形態(tài)的精細化參數(shù)調整，達到個性化人體建模的目的。進一步地，此研究從大量影像中提取骨密度（來自CT影像）、心臟跳動方式（來自動態(tài)心臟CT）、腦組織及主要臟器的糖代謝（來自PET影像）等功能學特征，統(tǒng)計不同年齡、性別人群的功能特征分布，并將功能特征融入解剖模型，實現(xiàn)形態(tài)與功能的結合。

“對我們來說，我們其實把數(shù)字人作為一個人體的大數(shù)據(jù)信息載體，它是一個統(tǒng)計意義上的數(shù)字人，由很多大數(shù)據(jù)匯聚而成。它不僅可以變形，自身也是一個數(shù)據(jù)庫，涵蓋了成千上萬醫(yī)學影像里的信息。除了形態(tài)學上的統(tǒng)計，它還實現(xiàn)了生理學上的統(tǒng)計，因為醫(yī)學影像會反映出人體內的生理參數(shù)。我們收集這些影像，就使得這個數(shù)字人不僅是一個形態(tài)學上的模型，它還包含了這些生理參數(shù)，如果成千上萬人的數(shù)據(jù)被統(tǒng)計起來，那么它所具備的價值就十分巨大了?！?/p>

王洪凱所描述的巨大價值在現(xiàn)實應用中已經(jīng)有了具體的投射。研究所構建的圖譜已應用于個性化人體建模、醫(yī)學影像診斷、手術計劃、人因工程、產(chǎn)品設計、電磁學及熱力學仿真、醫(yī)患溝通、解剖教學、運動員訓練、行業(yè)標準制定等諸多領域，與國內多家企業(yè)、醫(yī)院和科研單位共同合作，累計實現(xiàn)科技成果轉化與合作項目150萬元。

“有些需求甚至是我們想象不到的。”王洪凱介紹，這項研究除了可以建立數(shù)字病人，實現(xiàn)對病人自身形態(tài)的個性化模擬，還可以實現(xiàn)對疾病病灶、代謝等的力學模擬;此外一些載人設備所需的人體受力情況，比如設備撞擊時人體受到的沖擊、設備快速運行時人體受到的過載等，都需要非常精準、體態(tài)與體形可調的數(shù)字人，而且除外表形態(tài)外還需要內部解剖結構的數(shù)據(jù);還有電磁輻射的人體輻射劑量分布研究，運動損傷、科學訓練指導，等等。只要建立更加精準、更加符合中國人群特點的圖譜，就會源源不斷產(chǎn)生各方面的應用需求，也因此，近年來王洪凱課題組在成果轉化方面的合作越來越多。

為了實現(xiàn)更加精準的圖譜，王洪凱課題組的一大主要工作就是對大數(shù)據(jù)進行信息挖掘，其工作量之大超出了語言可描述的范疇。為此，他們發(fā)布了自主研發(fā)的開源軟件。隨后的難點是如何讓模型建模更精準、快速地模擬個性化人體，“比如我們能不能只用手機給這個人拍一張照片，就能讓數(shù)字人變成他的樣子？這也是我們現(xiàn)在正在做的事情”。

除此之外，王洪凱想要實現(xiàn)的另一個目標是通過不同層次的數(shù)據(jù)采集，進行病人信息的重建?！氨热缃o一個病人拍攝體表的三維掃描，就可以得到一個和他很像的模型。如果再進一步給病人拍一張X光片，那么他內部的一些臟器和骨骼的信息就出來了，這樣就可以對他的內部臟器進行更加真實的模擬;如果再給他拍CT、核磁等，我們就能夠更加真實地反映他內部的信息?！?/p>

對于目前取得的創(chuàng)新成果，王洪凱并未滿足，他深知在這項研究中繼續(xù)深耕下去的意義——如今不過是初探寶山，更大的驚喜還在未知處等待著他去發(fā)現(xiàn)。

是壓力，也是希望

現(xiàn)如今忙碌于科研與產(chǎn)業(yè)轉化之間，為了夢想奔波的生活，讓王洪凱覺得雖辛苦卻快樂。而在此之外，他還有一項重要的工作——教書育人。

剛回國時，王洪凱的工作崗位其實更偏科研型。那時，做好科研就是他最大的目標和動力，也是他當時認為個人價值的重要體現(xiàn)。而在經(jīng)年累月為學生授課、帶研究生的過程中，他的思想開始慢慢轉變，他越來越覺得，一個科研人，產(chǎn)出對社會有貢獻的科研成果只能算是價值體現(xiàn)的一方面，而能夠影響或培育出更多對社會有用的年輕人，甚至比個人產(chǎn)出科研成果更加重要。“這種培養(yǎng)一方面要傳授他們知識和科研方法，另一方面就是要教會他們面對科研甚至人生的正確態(tài)度?！?/p>

王洪凱提起了一件對他影響很深的小事。

為了保證持續(xù)進行高強度的科研工作，王洪凱這些年來一直有健身的習慣。如果一天的工作實在太忙，沒時間健身，他就會選擇用爬樓來替代。一天，他剛剛從1樓爬到12樓，正有些氣喘，迎面碰見了兩個上過他課的本科生，簡單打了下招呼后，王洪凱就轉身進了辦公室。沒想到當這兩名學生畢業(yè)時，專門找到王洪凱說起這件事，表示這件事對他們觸動很大，觸動他們的正是王洪凱積極奮進的心態(tài)和高度自律的狀態(tài)。

“我自己根本不記得這件事，這樣一件小事竟然能成為照亮學生的一點光亮，這讓我也深受觸動。現(xiàn)在很多年輕人有‘空心病、迷茫，不知道自己要干什么，我想對學生進行心靈上的培育可能更重要?！倍@件小事也立刻讓王洪凱反思起自己來，“我突然想到，自己之前有沒有什么沒有注意到的、做得不好的地方，實際上是不是也給學生帶來了不好的影響？”此后，王洪凱越發(fā)注意自己的言行，師者的責任被他重重地刻在了心上。

一肩扛起科研，一肩挑起教學，在外人看來的壓力，在王洪凱心里卻總是能換算成未來的希望?！鞍涯壳暗目蒲凶龅酶钜恍?，為學生帶來更好的人生起步”，王洪凱不喜歡向后看，也不喜歡被任務壓著走，他有太多的想法要去實現(xiàn)，這份忙碌與各種不可預期的奇遇，是獨屬于趕路人的快樂。

（責編：李白薇）