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数字虚拟人计划
——复杂细致的医学科研工程
工程总投资：1亿元以上
工程期限：2001年——2020年
人体肌肉标本
21世纪是信息技术、生物科学大发展的世纪，遗传医学课题研究日益深入，因此发达国家牵头的“数字虚拟人体”研究项目更成了焦点中的焦点。
什么是虚拟人？
虚拟人并不是真人，而是在电脑里合成的三维人体详细结构。科学家所做的工作就是先要选取一具尸体，将尸体冷冻，用精密切削刀将尸体横向切削成0.2毫米薄片，并利用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、分析，之后将数据输入电脑，最后由电脑合成三维的立体人类生理结构数字模型。随后科学家将把数据、生物物理和其他模型以及高级计算法整合成一个研究环境，然后在这种环境中观察人体对外界刺激的反应。不过这位“虚拟人”没有感觉和思想，但他们的生物数据和人相同，可以开展无法在自然人身上进行的一系列诊断与治疗研究。
人体切片标本
虚拟人的作用
有了虚拟人，医生和制药公司就可以先在与病人身体数据一模一样的虚拟人身上试验新药，医生可以先将药物影响数据输入电脑，让“虚拟病人”先试“吃”一下，电脑里的“虚拟病人”会显示服药后的生理反应，从而协助医生对症下药。这种方法可以提高用药准确性和研制新药及新药上市的效率。相关实验已经在美国开展。
以往要想成为一个手到病除、技艺高超的外科医生，都要通过师傅带徒弟式的反复实践，在病人身上练习操作技术，现在有了虚拟人，就可以在电脑操纵的虚拟人体模型上培训外科医生。在动手术之前，也可以先在虚拟人的身上开刀，电脑上会显示刀口断层及组织断面，为医生制订术前计划提供科学参考。
虚拟人在军事医学上也很有价值。比如，可以用虚拟人来试验核武器、化学武器、生物武器的威力。现在的核爆炸试验都是利用动物进行。试验前在离核爆中心的不同距离放置动物，核爆后再把动物收回来检验。有了虚拟人就可以直接拿她来做试验。
放射治疗是目前治疗肿瘤疾病的一个重要手段，但由于现在做放射治疗的医生只能凭经验进行辐射量的调节，病人往往担心在此过程中受到过量的辐射。现在有了虚拟人，医生就可以先对虚拟人作放射治疗，通过其身体的变化来测定实际辐射量的使用，最后再用到真正的病人身上。这样就进一步提高了治疗的安全性。
国际虚拟人研究发展历史
早在1989年，美国国立医学图书馆就提出了“可视人体计划”。当时美国国立医学图书馆和美国科罗拉多大学试图完成人体截面图像的采集。要采集这些数据，需先将志愿者人体切成薄片，每切一次片，就用数码相机和扫描仪对已切片的切面进行拍照、分析，之后将数据合成三维的立体人类生理结构。
1991年8月美国开始进行人体结构数据的采集和三维重构。1994年，美国科学家将一具男尸切成1000多片(每片厚度1毫米)；1998年，又将一具女尸切成5000多片(每片厚0.33毫米)，获得一男一女两个虚拟人光学照片数据，以及CT和核磁共振断层扫描图像。这种精度，在电脑储存的数据上高达56GB，从而形成了数字化的解剖人，为医学上和其他学科的相关演示提供了技术保证。
尽管科学界对可视人技术予以很高的评价，但实际上可视人在医学及相关领域的应用是有限的。1996年，美国橡树岭国家实验室牵头酝酿虚拟人创新计划，他们设想，将人类基因组计划和可视人计划的研究结果结合起来，完成人体的物理建模，能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应。有专家称之为“虚拟物理人”。
这个阶段的物理人就不同于可视人，他会像真人一样对外界有反应：骨头会断，血管会出血。比如说，在做汽车碰撞试验时，“虚拟人”可以提供人体意外创伤的数据，帮助改进汽车的安全防护体系。美国橡树岭国家实验室1999年向国会提出虚拟人计划，虽然美国国防部非致命武器委员会马上表示支持，但时至今日，美国的虚拟人计划还在讨论阶段。随后美国科学家联盟又提出包括可视人、虚拟人等全部内容的数字人计划。它的目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官系统和整体的精确模拟，被认为是有史以来最雄心勃勃的研究计划。
美国可视人体计划的实施在全世界引起了巨大反响。韩国、日本、德国和澳大利亚也纷纷启动了可视人体计划。日本2001年启动了为期10年的人体测量国家数据库建造计划。这项计划拟于2010年完成7岁～90岁34000人178个人体部位的测定，制定出日本人的人体标准数据。
2000年，韩国开始了“虚拟韩国人”研究的5年计划，获取了世界第二例“虚拟可视人”的数据集。韩国科学家将一具1.7米左右的尸体切成八九千个断面(每块厚0.2毫米)。这个数据集具有东方人特征。
人体肌肉标本
中国数字虚拟人计划
中国的科学家再也坐不住了，虚拟人体的研究是关系到新世纪我国医学能否走到世界前列的大问题，涉及一系列基础科学问题和关键技术，是一个极富挑战性的课题，怎能没有中国科学家的身影。同时还有一个原因也促使中国科学家决定建立具有中国人特性的虚拟人体。美国利用“可视人计划”数据集开发的1.8万多个解剖结构图谱在起步阶段就售价3.7万美元。基于图像处理的临床应用软件动辄数十万美元，如果我们没有自主版权的人体数据，仅图谱一项就会造成巨额外汇的流失。况且这些数据采自白人，不一定适合中国人的各项生理指标。
我国于2001年11月5日—7日，在北京香山召开了主题为“中国数字化虚拟人体的科技问题”的第174次香山科学会议，宣布了中国数字化可视人体研究的开始。由中国科学院计算所、第一军医大学、首都医科大学、华中科技大学等协作攻关。其中，第一军医大学承担人体切片建模技术。
中国“数字化虚拟人”将分为三个阶段实施：第一虚拟几何人阶段。这一阶段的工作主要是高质量人体几何图像采集和计算机三维重构，完成基本形态学基础上的几何数字化虚拟人，有了几何数字化虚拟人，可进一步开发医学解剖教学软件、手术模拟软件。目前，我国已分别成功构建了男女解剖虚拟人数据集。
第二物理虚拟人阶段。在拟人的基础上附加人体各种组织的物理学信息，如强度、抗拉伸及抗弯曲系数等，使几何数字化虚拟人体现物理学性质，构成物理虚拟人。在这一平台上可开发诸如医用钢板、各种骨折内固定器械、介入器械、人工器官（如人工关节、人工喉、人工内耳等）。由于物理学信息与几何信息的复合体具有庞大的数据量，整个人体的物理虚拟人在技术上和数据采集上有较高的难度，超出了目前科技发展的水平。因此，不同学科根据需要集中对人体局部或器官进行物理虚拟，如：虚拟膝、髋关节，虚拟喉等，用以开发出人工关节、人工喉、人工心脏等实用软件。
第三生理虚拟人阶段。将生命科学研究的成果数字化，赋加到几何人体，这种虚拟人可以反映生长发育、新陈代谢、重现生理病理的有关规律性演变。生理虚拟人是数字虚拟人研究的最终目标，近期不可能完全实现，只能逐渐完善。但有望在不久的将来实现局部器官的生理虚拟，如将心脏的生理功能信息附加在几何和物理虚拟心脏上，在这一虚拟心脏平台上，既可模拟各种心脏手术，又可模拟各种药物对心脏的作用，从中筛选最佳手术方式和最佳用药剂量、给药方式，进行药效对比等一系列试验。当前我国在这个领域的研究工作已经解决了虚拟人的若干关键性技术问题，在人体建模基础数据积累上，提供了部分数据资料，但是这些数据的典型性、代表性、合理性和适用性，都有待于在实际应用时进行校正和检验。作为有着13亿人口、50多个民族的大国，应当为不同人群、不同种族、不同年龄、性别的群体，建立较有代表性的人体模型，这需要一定的周期，需要大量生命科学与信息科学专家联合攻关，才有可能逐步完善，打造出具有生命活力的虚拟人。
中国女虚拟人诞生过程
在第一军医大学一间普通的研究室里，由中国工程院院士、第一军医大学钟世镇教授带领下的研究小组日夜奋战起来。按照香山会议确定的计划，我国虚拟人的切片厚度精确到0.1毫米（美国男女虚拟人分别是1.0、0.33毫米）。
0.1毫米的切削精度是世界上少有的，给工作人员带来了问题，为了保证切片的厚度该采用哪种刀具呢？研究人员选中了哈尔滨刀具厂的产品。
当研究小组向哈尔滨刀具厂订做特制刀具时，厂家却犯难了：他们的刀具广泛应用于机械加工（如钢材切割刀），但从来没有用来切过人体。钢材密度均匀，而人体有骨头、肌肉、皮肤等密度不同的软硬组织。这样复杂的切割对象刀具厂还是头一次遇见，厂家克服困难，精心为研究小组提供了三套刀具，回广州调试并“试用”。
研究人员先拿一个西瓜“试刀”，将其切成薄薄的细片，见识了刀具的“软功”；再对新西兰大白兔进行切片试验，结果发现当兔子被急冻冷藏后肢体僵硬，切片效果不错，甚至可以达到0.02毫米的切削间距精度，这意味着人体的切片可以由预期的16600片增加到83000片。但由于受到计算机储存和运算能力的限制，研究小组决定还是按原计划的厚度切削。
冷冻机重5吨，是佛山制造的，有一间房子那么大，上面装有切割设备。尸体平时就“站立”在这里，需要切割时，就向上升起，切割完又下降至冷冻室。
选择标本
2002年4月一名28岁的湖南籍汉族健康男子死亡，没有任何传染病和代谢疾病，身高1.66米，体重58公斤，没有任何传染病和代谢疾病，具有健康国人的代表性。研究小组从20名自愿捐献遗体的志愿者中筛选出他作为中国虚拟人计划的尸体标本，取名为“中国虚拟人Ⅰ号”。而美国虚拟人原型曾在15岁时手术切除右睾丸，21岁时切除阑尾，38岁时拔过一颗牙。韩国虚拟人原型则是一位死于淋巴瘤的65岁老人。由于美韩均对尸体标本使用了过量福尔马林灌注，尸体都出现了不同程度的肿胀变形，采集的数据与原型都存在着偏差。我国虚拟人原型作为“标准中国人”，失真度小，更有应用价值。
人体血管塑化标本
血管塑化
完成虚拟人的建构，第一步就是对标本进行切片处理。研究人员使用药物对其全身组织进行固定，使用明胶、朱砂、淀粉进行动脉的显色和填充，这就是由钟世镇院士提出的血管铸型技术——通过给尸体动脉灌注明胶、朱砂和淀粉，使动脉呈现红色，使之很容易和静脉区分。
这一技术利用人体动静脉回流的原理：人死了动脉内的血管是空的，而静脉内填满了黑色的淤血。把红色的“塑料液体”灌注入动脉，那么人体所有动脉就会呈现出红色，而静脉是黑色的。一黑一红，在电脑读取切片数据时就很容易分辨出动脉和静脉了。这项技术绝对是世界独有的。美、韩现有虚拟人的血管动、静脉并没有区别出来，也就是说，他们在对虚拟人进行图像分隔时只能看到骨骼、肌肉和脏器，而无法分清动脉和静脉血管。就以外科手术上特别重要的动脉和静脉而言，美国的血管识别，目前仍依靠解剖学专家人为识别后，再用计算机图像勾边处理。这种依靠经验为主的识别方法，在准确度和科学性上难免存有缺陷。
而我国的虚拟人显得更加“有血有肉”，动脉和静脉区别分明，就连细小血管都清晰可见。如果在虚拟人身上做模拟手术，医生就可以清楚地分出动、静脉，知道哪根大血管不能破坏，对手术有重要指导意义，特别是外科手术虚拟时更为突出。
攻克血管模型这个堡垒的信心来自负责主持切片建模的第一军医大学的钟世镇院士。78岁的钟院士花了几十年的时间掌握了人体血管铸型技术，能把血管标本分离出来，做出三维立体的管道模型。这项技术与计算机技术相结合，可能会弥补现有可视人血管显示不充分的缺陷，使中国可视人达到国际先进水平。
尸体标本经过血管塑型处理后，放置在零下70摄氏度的冰库里储存以保证尸体的硬度，便于日后切削。
为了高质量完成虚拟人数据采集，科研人员选择了一个地下室作为数据切削采集的场地，屏除了影响切削精度的地面震动和杂乱的电子、电磁干扰，保护了图像信息的完整性。
普通的人体切片标本，数字化虚拟人需要切片的精度将达到0.1毫米左右，然后再对剖面用高精度数码相机进行摄影，最后叠加数据，建立人体立体模型。
构建数字模型
然而，我们首先看到的却是女性虚拟人的抢先诞生。中国虚拟人Ⅰ号哪去了？难道是切削失败？首都医科大学教授罗述谦介绍，男虚拟人计划推后是从保证质量考虑的。负责开发海量储存系统（计算机系统）的单位说，目前，系统最多只能容纳切削精度为0.2毫米的虚拟人数据集，这与开始设想的把“男Ⅰ号”切削精度定为0.1毫米有距离。这意味着把男性标本切出来后无法装进电脑。而且在此之前，重庆第三军医大学已经切割了一个切面比较厚、但不够均匀的男性虚拟人，已经初步有了关于男性虚拟人的数据。女性虚拟人数据缺乏，即使在国外，也只有美国完成了一个女性虚拟人的数据库。所以，在综合考虑多方面因素后，研究小组改变了原来的计划，决定先切女的。中国虚拟人Ⅰ号尸体标本完好地保存在医院特制冷库内，切削工作已暂时停止。在此前，已对尸体标本的头、心脏和肾脏3个部分进行了切削，并构建了首批数据集。2005年4月完成“中国虚拟人男Ⅰ号”的数据采集，得到9215个整体人切片资料。
我国首个女虚拟人（“中国虚拟人Ⅱ号”）原型是一位身高1.56米的19岁少女，广西人，2001年在广东因误食毒蘑菇而急性死亡。专家们认为虽然她不是一个健康人，但由于是急性死亡，骨骼身体结构保持完好，加上年纪很轻，生殖器官功能完全，是一个条件很不错的标本。
2002年年底，研究小组决定对其进行切割。研究人员最终采用了两种刀具：“粗刀盘”去除尸体的包埋材料，“精刀盘”进行尸体横断面的切削。动刀时，直立的尸体从冰库顶部推出，冰库上方的刀具每旋一圈，就切出一个人体切片。但是大家不会看到八千多片的人体横断面标本，因为像纸一样薄的人体切片在刀子旋转时已经变无法辨认了。要获得这几千个人体切片的资料，必须每切一片，就对余下的尸体横断面拍照收集该横断面的资料。
我国虚拟人标本的切削，采用的是直立式。美国、韩国都采用躺卧式，造成了标本的头部、背部、臀部和腿部等被压成扁平失真状态。我国科学家克服直立式切割带来的不便，保证了人体建模接近正常人体形态。
2003年2月18日17时18分，我国首例女性虚拟人数据集在第一军医大学构建成功。标本原型在零下70摄氏度冷冻后横向切成8556片，每片厚度为0.2毫米。此时国人万分激动，中国首位女虚拟人诞生指日可待。媒体大肆渲染，称中国虚拟人提前面世，确切地说，虚拟人的数据集的建立还只是万里长征的开始，虚拟人的诞生还有赖于数据库的建立。拿到这一接力棒的是首都医科大学生物医学工程系教授罗述谦领导的研究小组。
2003年3月3日，研究小组向外界宣布，具有中国人生理特性的女虚拟人初步完成了三维重建。
人体头部标本
后期处理
罗教授领导的研究小组根据第一军医大学拍摄下的人体切片数字图片，将这些断层数据通过专门的三维软件进行信息化处理，在电脑中组建出三维人体图像。这项工作更能体现虚拟人研究的特点———生物学与信息技术的紧密结合。这里完全没有了前期工作的“刀光血影”，研究人员更像是三维图像的工作者，他们个个是医学专家，同时又精通信息技术。
在这些“多面手”的昼夜奋战下，女虚拟人已经恢复了皮肤、外观、骨骼、盆腔、卵巢的建构。将来女虚拟人的肌肉、五脏六腑等主要器官都会逐渐恢复。2003年5月份，有关数据在互联网上公布。
自2003年3月原第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集，获得8556个人体切片资料后，南方医科大学至今已经完成了两男一女以及一女婴共四个数字人体的数据集，我国成为继美国和韩国后，第三个拥有本国虚拟人数据集的国家。这四个数字人，最精细的是“数字人男一号”，拥有9200个平面切片，照片分辨率达到2200万像素。我国女虚拟人总数据量已经达到了149.7GB，相当于750亿汉字的存储量。
中国的虚拟人计划在短短一年多的时间里完成了国外三四年走的历程。“中国数字人”与美国、韩国相比，有20多项创新，最明显的是首次将血管铸型技术应用于“数字人数据集”的建模。美、韩数字人只能看到骨骼和肌肉，而我国数字人能清晰地看到血管。中国的“虚拟人”具有标准人体选取和尸体处理、人体标本切片精密度、首创人体结构染色三大技术优势。
不过这些还远远不够，中国虚拟人计划还不能画上句号。虚拟人分为“虚拟可视人”、“虚拟物理人”和“虚拟生物人”三个阶段。目前，我国仅仅是踏出了“虚拟可视人”的第一步。
虚拟人的研究将大大推动中国的医学技术发展，为13亿人民提供更好的医疗服务。
人体神经标本
女性人体标本
人体手臂血管塑化模型
人体断面彩色照片
向为医学研究献身的人士致敬！
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