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中國數(shù)字人男1號

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月18日 05:13

人體切片

所謂“數(shù)字人”，實際上是在電腦里合成的三維人體詳細結(jié)構(gòu)。他們沒有感覺和思想，但數(shù)據(jù)來自真實的人體。“數(shù)字人”既不是真人，也不是機器人。它是利用現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)人體從分子到細胞、組織、器官和整體層次的精確模擬，從而構(gòu)建人體的組織形態(tài)、物理功能和生物功能的信息系統(tǒng)?！皵?shù)字人”的生物數(shù)據(jù)和人相同，能模仿真人做出各種各樣的反應(yīng)。若設(shè)置有聲音和力反饋的裝置，還可以提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感。

“中國數(shù)字人男1號”是南方醫(yī)大從20位自愿捐獻者中篩選出來的“標準中國人”，標本為一名28歲的健康男性。南方醫(yī)科大學以每片0.2毫米對尸體進行磨削，并獲取切面照片后，華科大完成了高分辨結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建與可視化，包括原始切面照片的分割、標識、三維重建及數(shù)據(jù)的發(fā)布。

“亞毫米級磨削”是“數(shù)字人”成型的第一個步驟。通俗地說，就是把尸體冷凍后，從頭到腳，橫切成比0.2毫米還要薄的薄片，從頭到腳大概切成了8952片之多。 “中國數(shù)字人男1號”在切片精度、切片數(shù)量和數(shù)據(jù)量上比美國數(shù)字人體數(shù)據(jù)集和韓國數(shù)字人體數(shù)據(jù)集更為先進?！爸袊鴶?shù)字人男1號”的原始圖像像素高達4040×5880，是世界上分辨率最高的人體切削圖片。

海量圖片拼成“中國數(shù)字人男1號”

在海量的原始切面照片的基礎(chǔ)上，劉謙博士帶領(lǐng)24名科研人員通過“百日大戰(zhàn)”，處理圖片近20萬張，完成了數(shù)字人海量數(shù)據(jù)集的構(gòu)建與管理工作，建立了第一套高分辨率人體生理系統(tǒng)三維解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，是世界上獲取體素最小的數(shù)字人體三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

中國是繼美國、韓國之后第三個擁有“數(shù)字人”(即“數(shù)字化虛擬人”，也叫“可視人”、“虛擬人”)數(shù)據(jù)庫的國家，而“中國數(shù)字人男1號”的切片精度、數(shù)量和數(shù)據(jù)量最為先進。

“數(shù)字人”將主要運用于臨床醫(yī)學，開展無法在自然人身上進行的一系列診斷與治療研究。也就是說，有了“數(shù)字人”，許多手術(shù)都可以在電腦里模擬完成。

專家認為，“數(shù)字人”的發(fā)展分4個階段：“數(shù)字可視人”、“數(shù)字物理人”、“數(shù)字生理人”和“數(shù)字智能人”，至21世紀初，還處于第一、第二階段。

中國數(shù)字人男1號器官切片

“數(shù)字人”的起源要追溯到1989年美國國立醫(yī)學圖書館發(fā)起的“可視人計劃”。當時美國國立醫(yī)學圖書館和美國科羅拉多大學試圖完成人體截面圖像的采集。要采集這些數(shù)據(jù)，需先將志愿者人體切成薄片，每切一次片，就用數(shù)碼相機和掃描儀對已切片的切面進行拍照、分析，之后將數(shù)據(jù)合成三維的立體人類生理結(jié)構(gòu)。

5年后，負責項目實施的美國科羅拉多大學宣布，他們獲得了一男一女兩組光學照片數(shù)據(jù)，以及CT和核磁共振斷層掃描圖像。

盡管科學界對“中國數(shù)字人男1號”技術(shù)予以很高的評價，但實際上當時“中國數(shù)字人男1號”在醫(yī)學及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用是有限的。1996年，美國橡樹嶺國家實驗室牽頭醞釀“虛擬人創(chuàng)新計劃”，他們設(shè)想，將“人類基因組計劃”和“可視人計劃”的研究結(jié)果結(jié)合起來，完成人體的物理建模，能夠模擬人體器官組織和整體在外界物理刺激下的反應(yīng)，專家稱之為“虛擬物理人”，他不同于“可視人”，他會像真人一樣對外界有反應(yīng)：骨頭會斷，血管會出血。比如說，在做汽車碰撞試驗時，“虛擬人”可以提供人體意外創(chuàng)傷的數(shù)據(jù)，幫助改進汽車的安全防護體系。

隨后美國科學家聯(lián)盟又提出包括“可視人”、“虛擬人”等全部內(nèi)容的“數(shù)字人”計劃。它的目標是實現(xiàn)人體從分子到細胞、組織、器官系統(tǒng)和整體的精確模擬，被認為是有史以來最雄心勃勃的研究計劃。

從美國的兩個計劃可以明確，“虛擬人創(chuàng)新計劃”設(shè)想的是構(gòu)建能對外界有反應(yīng)的“物理人”，而“可視人”對應(yīng)的是被數(shù)字化了的“解剖人”。

2006年中國完成的中國數(shù)字人男1號與當年科羅拉多大學所完成的工作差不多，所以稱之為“可視人”更科學。

中國數(shù)字人男1號切片標本

“數(shù)字化虛擬人”課題組負責人、廣州南方醫(yī)科大學鐘世鎮(zhèn)院士透露，“中國數(shù)字人男1號”高效數(shù)碼相機像素達2200萬，圖像分辨率為4040×5880，是世界上0.2毫米“虛擬人”切削中分辨率最高的數(shù)據(jù)集。此外，按60兆一幀釋放，該數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量超過540千兆，為世界之最。

美國早在20世紀末就開始建立了人體切片數(shù)據(jù)集，但他們所做的屬于躺著的虛擬人的切片，且美國、韓國的數(shù)字人只能看到骨骼和肌肉，分不清動脈和靜脈血管，與之不同的是，中國所做的“中國數(shù)字人男1號”切片屬于站立狀態(tài)，且首次將血管鑄型技術(shù)應(yīng)用于“數(shù)字人數(shù)據(jù)集”，能清晰見到血管。

早在2003年2月，原第一軍醫(yī)大學完成的國內(nèi)首例中國數(shù)字人就把血管鑄型技術(shù)應(yīng)用進去，使中國的“中國數(shù)字人”顯得“有血有肉”。中國的人體血管鑄型技術(shù)比較好，把它與計算機結(jié)合起來，可能在研究上具有較大優(yōu)勢。把血管分隔出來的意義則在于，如果在“中國數(shù)字人男1號”身上做模擬手術(shù)，醫(yī)生就可以清楚地分出動、靜脈血管，知道哪根大血管不能破壞，對手術(shù)具有重要指導意義。

中國“中國數(shù)字人男1號”技術(shù)研究具有非凡意義。西方人體模型存在明顯人種差異，不能替代中華民族的體質(zhì)特征，美國人和韓國人建立的數(shù)字化虛擬人體模型不能反映中國人的體質(zhì)特點，缺少血管和神經(jīng)系統(tǒng)模型，加工精度和完整性存在諸多問題。

人體切片

由于中國數(shù)字人男1號研究需要多學科交叉解決，但是有工科背景的人對于器官的識別分割有困難，而有醫(yī)學背景的人對器官數(shù)字化重建也不容易，這是最大的“瓶頸”。

不少有信息技術(shù)含量的新技術(shù)，尚有一定局限性。例如“機器人手術(shù)”，但是最后還得要醫(yī)生動手。又如“遠程手術(shù)”，在很多人看來是“得不償失”，還不如醫(yī)生直接坐飛機過來。另外還有影像導航技術(shù)、立體定體手術(shù)等，都有一定局限。所以，開展研究重要的是善于與其它技術(shù)協(xié)調(diào)、結(jié)合和互補。

研究碰到哪些困難？有沒有解決的辦法呢？困難還很多，在第一階段的“可視人”，就還有很多看得到的卻還做不出來。如周圍神經(jīng)和淋巴系統(tǒng)，不易分割，因為在尸體的切面上，它們跟周圍組織的顏色差不多，所以電腦專家還沒有辦法。第二個難處是數(shù)據(jù)量太大，不好推廣應(yīng)用。

所以需要探索一些新的辦法，如用多光譜顯示周圍神經(jīng)。也有電腦專家盡可能進行少損傷的數(shù)據(jù)壓縮，使科學研究成果被普通老百姓運用，“飛入尋常百姓家”。

中國數(shù)字人男1號切片斷面

“中國數(shù)字人男1號”尸體標本為一名28歲的漢族健康男性，祖籍湖南，身高1.66米，體重58公斤，沒有任何傳染病和代謝疾病。該男子2002年4月死亡，自愿捐獻尸體做科學研究。因為標本質(zhì)量最好，課題組沒有貿(mào)然動刀，在技術(shù)相對成熟后才開始切削工作。

數(shù)字人是怎么誕生的呢？南方醫(yī)科大學的科研人員在多具自愿捐獻的尸體中，挑出了健康的尸體作為切片標本，根據(jù)得到標本的先后順序命名為“中國數(shù)字人男1號”、“中國數(shù)字人男2號”等。有了尸體標本后，科學家所做的工作就是用精密切削刀將尸體橫向切削成薄片，每切下一片，就用高效數(shù)碼相機和掃描儀拍照，然后轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，輸入電腦，最后由電腦合成三維的立體人類生理結(jié)構(gòu)。2003年初，被稱為“中國數(shù)字人女1號”的中國首例女性數(shù)字人數(shù)據(jù)集在南方醫(yī)科大學構(gòu)建成功，標志著繼美國、韓國后，中國成為世界上第三個擁有本國數(shù)字人數(shù)據(jù)庫的國家。

中國數(shù)字人男1號為數(shù)字人研究發(fā)展了新的臺階。

中國數(shù)字人男1號標本陰影圖

從長遠看，中國數(shù)字人男1號在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用非常明確。打個比方，有了中國數(shù)字人男1號，“他”就能代替人類試服新藥、接受手術(shù)。因為數(shù)字人可以將人的所有人體信息收集儲存在電腦里，醫(yī)生在開處方前，將藥物的影響數(shù)據(jù)輸入電腦，數(shù)字人就會顯示服藥后的反應(yīng)，這樣就能協(xié)助醫(yī)生對癥下藥，為疾病診斷、新藥和新醫(yī)療手段的開發(fā)提供參考。在數(shù)字人身上“開刀”，還解決了醫(yī)學教學中解剖標本有限的難題。

模擬腫瘤生長和治愈過程

中國數(shù)字人男1號還可以模擬腫瘤生長和治愈過程，并進行手術(shù)三維模擬、血流動力學模擬、藥代動力學模擬等。比如說，在腫瘤患者做完CT與核磁共振掃描檢查后，電腦將影像模擬組建這位患者的數(shù)字化虛擬人體。模擬完成后，醫(yī)生戴上三維立體眼鏡，手持虛擬手術(shù)刀，對患者的數(shù)字化虛擬人體實施仿真模擬手術(shù)，檢驗手術(shù)效果。

高?；顒又袦p少科研人員傷亡

數(shù)字人技術(shù)能應(yīng)用在高?；顒又袦p少科研人員傷亡。如汽車制造，可先在數(shù)字人身上進行碰撞實驗，將各種數(shù)據(jù)輸入電腦中，得出怎樣的汽車才能對人體形成最大的保護，再投入生產(chǎn)。相信有了數(shù)字人技術(shù)支持的汽車生產(chǎn)業(yè)，出廠前的碰撞次數(shù)可以大大減少，從而達到降低成本的目的。有了數(shù)字人技術(shù)，汽車制造能從出廠前的真實碰撞80架次，減低到3架次。

還有沙漠地帶、海底地帶等不適合人長期居留的地方，也可以由數(shù)字人代替體驗。

人體切片

如果將人體功能性信息附加到這個人體形態(tài)框架上，經(jīng)過生理功能模擬和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交叉融合，中國數(shù)字人男1號將能模仿真人在電腦中做出各種各樣的反應(yīng)。數(shù)字人包括數(shù)字化可視人、數(shù)字化物理人和數(shù)字化生理人三個階段。在三個階段研究完成后，數(shù)字人將能夠模擬人體的新陳代謝、生長發(fā)育、病理生理變

化等。

代替人進行高?？茖W實驗

除此之外，中國數(shù)字人男1號還可以替代人進行核試驗、撞車實驗等高?；顒?，在航空航天、國防、汽車、體育運動等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

中國數(shù)字人男1號的生物數(shù)據(jù)和人類一模一樣，這樣一來，中國數(shù)字人男1號在醫(yī)學、航天、航空、影視制作乃至軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價值。例說，比如人類在進行汽車制造時，可先在數(shù)字人身上進行汽車碰撞實驗，將各種影響數(shù)據(jù)輸入電腦，得出怎樣的汽車能對人體有最大保護才下線投產(chǎn)。

數(shù)字人數(shù)據(jù)集的研發(fā)已率先向應(yīng)用方向發(fā)展。中國已有近150個科研單位合作對數(shù)據(jù)集進行開發(fā)研究，領(lǐng)域涉及醫(yī)學、藝術(shù)、航天、汽車工業(yè)等與人相關(guān)的行業(yè)。數(shù)字人產(chǎn)業(yè)化也提上了議程。

多少刀才能“切”出中國數(shù)字人男1號

解剖數(shù)字圖

中國數(shù)字人男1號并非切得越薄越好，片層精度的厚或薄是取決于實際應(yīng)用的要求

“中國數(shù)字人男1號”切削時間為27天。該數(shù)據(jù)集采用的切片斷面為0.2毫米，共切削為9215片，高效數(shù)碼相機像素達2200萬，圖像分辨率為4040×5880，是世界上0.2毫米虛擬人切削中分辨率最高的數(shù)據(jù)集。此外，按60兆一幀釋放，該數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量超過540千兆，為世界之最。

“中國數(shù)字人男1號”0.2毫米的切削間距，與世界公布的各種數(shù)據(jù)相比，具有明顯優(yōu)勢。切削精度應(yīng)是按需切削，切削和數(shù)據(jù)集的建立應(yīng)與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起，充分考慮其實際作用。例如，局部器官數(shù)據(jù)集，如骨頭、臟器等提供給應(yīng)用單位，切削精度為0.2毫米就足夠了，沒有必要追求更??；但如果應(yīng)用單位做的是內(nèi)耳膜手術(shù)，則要求更為精細的切削片面距。

另一方面，以0.2毫米的切片距進行切削，數(shù)據(jù)量已達540多千兆，對計算機存儲負擔來說，已經(jīng)很大，如果再細一點，數(shù)據(jù)量就會更大，很多研究單位的電腦都運轉(zhuǎn)不了這么龐大的數(shù)據(jù)集。

中國有多少個虛擬人數(shù)據(jù)集

有13億人口的泱泱大國，不能夠沒有自己的數(shù)字人，必須開展此項科技工作——這是中國專家們的一致觀點。專門研討科技發(fā)展前沿的香山科學會議，2001年的主題是“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”，當時中國專家還未曾在這一方面開展過工作，能不能開展好此項工作，還是“心中無數(shù)”。

而兩年后，2003年香山科學會議有了明確的答案。這一次研討會的主題是“中國數(shù)字化虛擬人體研究的發(fā)展與應(yīng)用”。與兩年前的情況大小相同，參與這一次會議的專家們，帶著親自研究的資料和發(fā)展應(yīng)用的目標來參加討論，有備而來，研討場面空前熱烈。兩年來，中國取得了令人矚目的成績，從無到有，從模仿到創(chuàng)新，從繼承到發(fā)展，從理論探討到開發(fā)應(yīng)用。

雖然起步慢，但是，中國數(shù)字人研究也取得有創(chuàng)新和有特色的成果。被稱為“中國數(shù)字人男1號”的中國首例虛擬人數(shù)據(jù)集在第一軍醫(yī)大學構(gòu)建成功。至2008年，上海、重慶、廣州共有6個虛擬人數(shù)據(jù)集。

10個數(shù)字人數(shù)據(jù)集夠不夠

人體切片數(shù)據(jù)集的構(gòu)建要特別重視質(zhì)量而非數(shù)量，要為應(yīng)用單位提供優(yōu)質(zhì)框架

至2006年，中國共有10個整體數(shù)字人數(shù)據(jù)集，其中4例在南方醫(yī)大，標本來源分別為兩名男性、1名女性和1名嬰兒，育齡女性數(shù)據(jù)集和女嬰數(shù)據(jù)集均是世界首套數(shù)據(jù)集。這10個數(shù)字人數(shù)據(jù)集分別具有年齡、地區(qū)、性別特征。由于每個整體數(shù)字人的標本采集、數(shù)據(jù)建庫投入都很大，“究竟有沒有必要再建整體數(shù)字人數(shù)據(jù)集，這會不會只是一項重復(fù)勞動”是許多人心中的疑問。

數(shù)字人數(shù)據(jù)集有民族性、地區(qū)性，構(gòu)建成功的整體數(shù)字中國人數(shù)據(jù)集可基本滿足中國、日本、韓國等人種近似的國家對數(shù)字人數(shù)據(jù)集的需求。但整體數(shù)字人的數(shù)據(jù)集究竟是否足夠，還是要從實際應(yīng)用出發(fā)。人體切片數(shù)據(jù)集的構(gòu)建要特別重視質(zhì)量而非數(shù)量，要為應(yīng)用單位提供優(yōu)質(zhì)框架。但隨著社會分工的細化，大部分應(yīng)用單位都對局部

更為專注，數(shù)據(jù)提供者就要有所針對地促進社會的發(fā)展。

因此，不僅要有不同特色整個人體的數(shù)據(jù)集，更需要有針對性，可供各種醫(yī)學?？崎_發(fā)應(yīng)用的局部數(shù)據(jù)集；不僅要有大體解剖學的數(shù)據(jù)集，還要與時俱進構(gòu)建組織學、細胞學的數(shù)據(jù)集。南方醫(yī)大完成了13個數(shù)字人局部數(shù)據(jù)集，作為數(shù)字人研究的主要發(fā)展方向。

“中國數(shù)字人男1號”能否超越“萬物之靈”

虛擬的“中國數(shù)字人男1號”能不能超過被稱為“萬物之靈”的人？應(yīng)該取長補短。

已經(jīng)研究了一百幾十年歷史的機器人，若比試智力只有幼兒水平，“他們”賽足球時，一出場還是呆頭呆腦的，連少兒隊就能贏“他們”。但是機器人運用得當，可以24小時開工、不會疲勞，加工精確，在工業(yè)上起作用，還可以拆除爆炸物。 [1-3]

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