课题组软件设计 秦笃烈 罗述谦 周果宏 杜光伟 李华 林宗楷

　　中国人民解放军第一军医大学

　　摘要

　　美国可视人项目(VHP)于1994和1995年分别完成男女两个人体数字化数据集。开创了数字解剖学和数字化虚拟人体的新时代，是医学从源头上的变革。从2000-2002年韩国启动的可视韩国人5年计划已经完成2个数字化人体实验数据集。中国科学家2001年3月正式向国家提出发展我国数字化虚拟人体的建议，认定这是21世纪医学和有关科技的前沿，认为数字化虚拟人体对于医学、国防、航天航空、体育、服装、高质量生活、车辆设计等部门有广泛应用，，并纳入国家863十五重点发展项目。2001年第174次香山科学会议的研讨进一推动了我国数字化虚拟人体的发展。中国科学家登上数字化虚拟人体科技舞台的切入点是要努力解决国际上尚未解决的科学疑难问题，血管灌注是尚未解决的科学问题之一。钟世镇院士创立的具有世界水平的管道铸型研究的成就成为发展中国数字化虚拟人体的契机和指导。在中国数字化虚拟人女性1号实验数据集获取的攻关中，在世界上首次完成血管全身灌注实验。将常规的血管灌注方法创造性地应用于数据集的血管标识。本文是对血管灌注效果的像素级测试，结果表明，心脏以及肝脏、肾脏、颈动脉、股动脉、腹主动脉等主要动脉取得良好标识效果。对于局部的细小动脉的标识也取得可喜进展，测试过程发现的最小标识血管的管径为0.46毫米，这是一个世界纪录。可以预期，在今后的攻关中课题组可以期待血管灌注将取得更好的结果。

　　关键词：数字化虚拟人体 虚拟人 可视人 数据集 血管标识 数字解剖学

　　项目来源：1.国家高技术研究发展863十五计划重点项目，编号2001AA23103

　　2.国家高技术研究发展863十五计划重点项目，编号2002AA231021

　　3.广东省科技重点基金项目，编号2002B30611

　　4.北京市自然科学基金重点项目7031001

　　一、VHP开创数字解剖学新时代

　　1990年美国国立医学图书馆(NLM)摄政委员会提出发展医学电子图像处理的长期规划，是可视人计划的立项指南。1991年NLM和科罗拉多大学签订立项合同启动可视人体计划(VHP)。1994年和1995年VHP相继推出男性和女性可视人数据集，开创了数字化人体研究的先河。现代医学的发达首先得益于解剖科学的确立，1543年德国解剖学家维萨里出版第一部医学科学著作“人体的构造”。经过四百多年科学家多学科的努力，医学发展成为今天的大树。VHP最重要的意义不在于它已经完美，而是利用现代信息高科技末瞄准医学的源头解剖学的变革。VHP的象征标志物的设计可以看到这一点。其中的解剖图案取自维萨里“人体构造”一书的插图。手部的马赛克以及头部的立体结构代表基于数字图像最小单元像素和三维立体重构，前臂和直线手指向的相反代表一个新时代的到来(图1)。VHP数据集的一部分通过销售和Web(包括通过镜相站点)授权发行和共享推动了广泛的国际合作。VHP后继项目的不断追加促进了项目的可持续发展。VHP数据集构造的各种虚拟人体模型在医学教育、临床和科研中得到广泛应用。这些应用不断扩展到其他领域。以非线性为特征的医学图像处理技术(包括分割、配准、融合和重构等)、基于新一代Internet和卫星传输的医学远程教育和远程医疗、各种新型的图像三维浏览软件平台、医学多媒体技术等都获得巨大的发展空间。VHP应用的强烈可视性、直观性和新颖性使得解剖学从解剖学家手中解放出来，向广大人群普及，数字解剖学的兴起对21世纪医学的信息化意义深远。

图1

　　二、VHP的缺点

　　由于数字解剖学首创时期经验缺乏、技术条件限制以及固有的难度，VHP数据集远不是完美无缺。存在许多缺点。主要有以下表现：

　　1.西方人种的人体器官的形状和大小和东方人种有所不同。对临床医生非常重要；

　　2.仅获取头部的MR图像，不包括躯干和肢体；

　　3.由于男性标本太肥大，CT图像不完备，上肢侧面的图像切去；

　　4.尸体被锯成4段，造成图像缺失；

　　5.由于男性切片间距为1毫米女性为0.33毫米，像素大小为0.33毫米，所以小于0.33毫米的解剖结构无发展示。这种粗糙性限制了VH的实用性。切片间距过大使得三维重构。难以进行实用价值更大的器官级精细3维重构；

　　6.不包括制作3D图谱和虚拟解剖软件需要的经过分割的图像；

　　7.由于追求视觉的美观在解剖图像的获取过程忽略了解剖的真实性。肌肉纹理以及筋膜等信息大量丢失；

　　8.由于缺乏血管的标识，制作的加解剖学名词的图谱无血管(图2)。直到最近，德国美因茨大学的Jastrow博士利用VHP数据集70毫米胶卷拍摄的底片的扫描数字化数据集(4096X2700分辨率)花了几千小时才完成包含血管的断面图谱；

　　9. VHP数字化虚拟人的标本原体的健康状况有缺陷。例如：VHP男性左睾丸和阑尾切除，女性已经是59岁高龄，死于突发心脏病，生殖系统萎缩；

　　10.VHP男性尸体灌注了36公斤低浓度防腐剂，造成标本严重浮肿性失真并且失去了新鲜尸体应有的色泽；

　　11.HP数据集获取使用的数码像相机的分辨率已经大大落后于今天的数码技术。韩国可视人计划力图克服这些缺点，取得一些成效，但是一些关键的难题没有突破。

　　三、中国科学家登上数字化虚拟人前沿科技舞台

　　VHP数据集推出不久，我们就开始跟踪它的发展并和美国国立医学图书馆VHP主管机构建立合作联系。在中科院自动化研究所开始初步的立项和研究。2001年是我们从技术跟踪到规划和实践数字化虚拟人的转折点。我们于2001年3月正式向国家提出发展中国数字化虚拟人计划，2001年6月7日，吴阶平副委员长致函科技部办公厅，亲切关心这个国际前沿领域在我国的发展，2001年6月18日科技部马颂德副部长听取以钟院士为首的申报组的汇报，科技部做出863重点立项的重要决策，2001年12月863重点项目“中国数字化虚拟人体关键技术研究”正式批准。以超越为目标迎头赶上力争开发新一代数字化虚拟人体研究首次列入国家科技发展计划。2001年11月举行的具有历史意义的第176次香山科学会议以数字化虚拟人体关键技术作为研讨主题，是中国数字化虚拟人体发展的里程碑和进军动员令。在短短的一年多时间内，我们课题组在关键技术的攻关中取得突破性进展。虽然中国数字化人体的研究好戏还在后面，但是已经产生重大影响。由卫生部、总后卫生部、科技部、国家药品监督管理局、国家中医药管理局、中国科协、中华医学会、健康报社等单位联合主办，第二军医大学长海医院协办，由吴阶平院士任总顾问，卫生部部长张文康任评委会主任委员的2002年十大医药科技新闻评选结果的第八项为我国数字化人体研究取得重大进展。我国驻外使领馆纷纷向全世界报道863虚拟人体计划的进展。台湾中央社发表的中国863虚拟人体(男女)进展在祖国宝岛媒体广为转载。国内媒体的报道和转载如火如荼，数量数以千计。在由首先发布中国可视人体数据集完成的第三军医大学张绍祥教授主持在重庆召开的中美韩可视人体国际会议上美国VHP课题组首席科学家Spitzer教授对863课题组首创的的唐氏立式包埋法十分感兴趣。据测试，VCH F-1实验数据集尸源条件不理想的情况下，血管标识仍然取得突破进展，可见的最小灌注血管口径为0.46毫米。中国数字化虚拟人课题的目标是什麽？要克服前人的缺点将数字化人体推向前进。要有计划有步骤地解决数字化虚拟人的科学难题。NLM VHP项目规划和主持人Ackerman博士2002年提出要解决的可视人3大解剖学科学疑难问题，即“第一要消除在数据集图像重可以看到的有冰冻和变质引起的伪像。需要发现使得组织固定但是不变形的方法。第二要寻找组织染色和广谱方法，增强神经及其周围组织的对比度，使得和器官相应的神经分枝可视化。第三是要利用染料材料或者向血管注射适合于VHP冰冻磨削方法学的发光填充材料标识血管结构。”我国科学家在完成863攻关课题中在短短1年多的时间内就在其中的两项取得突破进展并引起世界瞩目。韩国VKH课题负责人郑民锡博士在参观广州第一军医大学的VCH数据获取实验室以及参加重在重庆举行的中美韩可视人国际研讨会议以后多次说，要向中国虚拟人体课题组学习多项技术，并且认为争夺速度的第一，第二意义不大，关键是数据集的质量，要好中求快。东方人要在学习VHP的基础上超越他们。

　　Spizter教授讲在开发数字人体过程中要耐心，体现了Spizter教授对中国科学家的重视和期待。美国人已经把中国和亚洲科学家作为他们的竞争对手。只有追求创新和高超的技术才是中国数字化虚拟人体开发的正确道路。

　　为了说明我们工作的历史阶段以及顾及今后的发展，863课题组将已经获得的VCH F-1数据集称为实验数据集。它只是开端而不是任务的终结。

图2

　　科罗拉多大学人体模拟中心在新承担的VHP项目中了取得了一些实验性成果，但是尚未公布新的高标准数据集。钟世镇院士创立了具有国际先进水平的人体管道铸型新方法学，建造的人体管道铸型博物馆达到科学和艺术的完美结合，令国际解剖学权威赞叹不已。具有重大医学临床和研究价值。图3是作者最近有幸瞻仰博物馆拍摄的一张照片。钟院士的这一成就成为我国跻身以前全世界只有美韩两国角逐的数字化虚拟人体前沿科技领域的重要契机。1年多的发展表明，我们能够在本世纪医学发展必争之地的虚拟人领域有所创新和建树。

　　四、VCH F-1实验数据集血管灌注断面拓扑结构初步评价

图3

　　到目前为止，除了VHP获取了一名59岁妇女的数据集以外，还有美国斯坦福大学的Lucy(20世纪70年代在非洲发现的女性远古人的名称)项目于1995年完成了一名35岁中年女子的腹部横断面数据集，由于断面间距为2毫米，无法进行精细3维重构。VCH F-1继承了第一军医大学中国虚拟人数据获取前期动物和人体标本实验研究的成果。唐氏整体立式包埋和磨削科学方法以及血管灌注新配方得到成功应用。尽管尸体标本有许多方面并不如人意，限制了以上新方法效果的充分发挥。从总数8556切片评价结果图3来看，仍然取得非常好的结果。就能够得到的文献来看，血管标识的总体水平超过乐国内外同类工作。在以下的插图中，像素矩形是按照观察到的灌注材料在血管内的充盈大小计算的。由于血管断面不是规则的几何图形。本文约定血管大小按和灌注内径相切的矩形的X方向宽度像素值计算。管径像素值变成毫米的换算公式为：

　　如果矩形X方向像素值为P，则管径毫米值D＝580/(3024/P)，因为X方向像素分辨率为3024，磨削范围X方向尺度为580毫米。

　　观察到的最小灌注管径为0.46毫米。

　　1.头部血管

　　尽管由于标本的局限，头部血管无法灌注，但是从断层编号514开始可以看到血管(图4)。

　　2.肩部血管

　　图5展示切片编号1375的肩部血管。

　　3.血管分叉

　　图6是从层面1401到1408观察到的血管自上而下的分叉情况。图7是从层面1453到1465观察到的血管自下而上的分叉情况。它们说明，从本数据集重构血管树是可行的。

　　4.心脏灌注图像

　　图8展示从切片编号1953中看到的心脏灌注。心脏房室和动脉已经全部灌注，轮廓非常清晰，完全可以进行精致重构。

　　5.肾脏血管图9为从切片编号展示的肾脏血管。

　　6.肝脏血管图10为层面2302展示的肝脏动脉的标识。

　　7.上腹部血管图11展示上腹部血管的灌注情况。

　　8.盆腔血管

　　图12展示盆腔血管标识。

　　9.最小管径的血管标识

　　图13展示层面编号3350的血管标识，这个67.3毫米x41.3毫米大小的矩形区域内标识的血管约30个，其中的最小血管的管径仅为0.77毫米。

　　五、讨论

　　本文回顾了开创数字解剖学的VHP以及数字化虚拟中国人的发展历史。就VCH F-1实验数据集在标本不尽如人意的情况下对灌注的血管标识的结果作了评测。评测结果表明，血管标识的效果是令人鼓舞的。标识的最小血管内径为0.77毫米。标识的血管充盈情况良好。有些微小动脉未能显示的可能原因为：

　　1.标本死亡时间过长，血管内血液凝固造成灌注部分或完全受阻；

　　2.灌注填充材料的朱砂颜色当血管管径很小时和周围组织难以区分；

　　3.数码相机的600万像素分辨率不足以显示小血管；

　　4.灌注时施加的压力需要调整。

　　VCH F-1是本课题组灌注的第二个人体标本。众所周知，VHP的男性和女性数据集没

　　有对血管作特别标识。在第一个数据集推出8年以后，即2002年科罗拉多大学人体模拟中心开始对一名80岁男性尸体的胸部进行血管灌注实验。没有公布数据集，也没有发表评价结果。无法和VCH F-1的血管标识进行比较。VKH已经完成2个人体标本的磨削(预试验)，第三个人的磨削(主试验)也即将完成。从发表的文献以及项目负责人郑民锡博士的谈话，未进行血管灌注。因此可以说，VCH F-1实验数据集完成过程中血管灌注是中国科学家在解决数字化虚拟人体科学问题方面的一种突破性尝试。在今后的继续实验中课题组将力求获得更多进展。静脉灌注将进一步探索。

　　血管灌注和标识进展只是本课题取得多项突破之一，其他进展已经或者将在其他论文中叙述。

　　五、对于发展中国虚拟人的若干看法

　　1、正确估价虚拟人体的当前应用

　　从医学科学发展史来看，凡是源头创新的变革在初期总是不完备的。发展是无止境的。虚拟人体的历史只有10多年，要一下子解决400多年医学发展的所有数字化问题是不现实的。对它的应用不能抱有过高的期待。例如它可以代替人吃药和动手术，本来是有特定的科学含义，简单化了容易产生误导。大家知道，干扰素是20世纪的重大发现，被称为肝炎病毒克星。目前上市的产品已经投入数十亿美元，但是在许多场合它的疗效仍然是有限的，离开达到像青霉素杀灭细菌那样解决病毒感染问题还距离甚远。当然这并不妨害人们对它的继续探索；

　　2.需要国家作出长期规划

　　作为医学教育、临床和研究的前沿性技术，要能够可持续健康发展，需要国家作出长期规划，不断投入。虚拟人体包含的学科和科学问题非常丰富。决不要轻易宣布虚拟人体建造成功。NLM摄政委员会1990年提出的长期规划值得我们借鉴。这个长期规划的年限为3、5、10、20和50年。美国可视人体的立项以及项目和经费管理由NLM(政府部门)负责。我们的计划为了更好管理，无立项权的管理往往会处于架空状态。卫生部应该有主管部门。例如科学数据共享问题已经提到我国科技发展的日程。虚拟人体数据集这个人类有史以来最大的医学“书”和“数据怪物“的数据如何共享？由谁来管理？显然，必须要有相应的机构和配套的政策。又例如，NLM摄政委员会的长期规划是要开发3男3女青年和中年人体数据集。根据我国的人力、财力和技术，应该开发多少虚拟人体数据集？我国虚拟人体原体的来源比美国丰富，能否开发多一些高质量数据集？

　　3.要充分认识解决科学问题的艰巨性

　　美国可视人体的发展经历两个阶段：数据获取第一阶段以及被称为从数据向知识发展的应用开发的第二阶段。而从2001年开始，VHP数据获取又进入开发第二代的新阶段。规格和指标更高了。要解决的科学问题非常多。中国作为后起之秀，在数据获取方面跳跃式地以开发第二代数据集为目标。难度当然很大。获得数据集以后，要开展医学教学、临床和研究方面的应用，既需要资金的投入，也需要有关医务界专家和领导的支持和合作，需要有时间。就目前已经完成的数据集来看，还是处于实验阶段。离开高标准的能够被国内外专家认可的数据集还有距离。有些技术，例如多光谱成像问题，还有待探索。关于中国虚拟人体数据集应该达到的指标和标准在科技主管部门和专家之间还缺乏共识。要克服急躁情绪。严谨的科学作风和实事求是的态度是取得成功的必要条件。在如潮的媒体报道面前科学家要保持头脑冷静。对于自身工作的各种评价要慎言。对于已经完成的工作要即使总结经验。找出差距，追求更高的水平。对于国际的发展要密切跟踪；

　　4.研究队伍的组合问题

　　第174此香山科学会议以后，国内对虚拟人体感兴趣的专家越来越多。队伍的组合问题很突出。各自“发布”自己的进展。为了充分利用有限的资源和避免低水平重复，需要从科学家自身以及主管部门作出努力优化队伍的组合，集中优势力量攻关，以期取得达到国际水平的成果。

　　参考文献(略)

　　注：图4-13略，如欲获得文章全部内容，请发邮件给新浪科技(点击发送)，或拨打(010)-82628888-5161，联系人：张先生。