揭开虚拟人的神秘面纱

秦笃烈 钟世镇 
2001年 40期

#1　　神奇的虚拟人
　　　　从上个世纪90年代起，国内外的影视节目中出现了大量的虚拟明星，即完全由数字技术产生的影视形象，能像演员一样说话和做动作。这是虚拟人的雏形。目前，虚拟人的应用更多是在医学。医学上一般把虚拟人称为虚拟人体。
　　　　今年6月初，当美国肯塔基州路易斯维尔大学的外科大夫拉曼·格林和罗伯特·多林，在当地的犹太人医院成功完成了一次人造心脏移植手术时，整个国际医学界为之震惊了，这也成为今年国际医学界最具震撼力的一条消息。因为这次植入的是世界上首颗可以完全代替心室功能并能完整植入体内的人造心脏，医学专家表示，这次移植的“钛心脏”将可能大大超越以前心脏移植病人的存活时间记录。
　　　　到9月底，人造心脏移植又完成了一例，两位接受移植的病人情况都很好。而在这之前，世界上曾经还有近十人接受过体外的人造手脏移植，他们之中，最长的也只存活了620天。
　　　　这颗“钛心脏”正是建立在最新的虚拟人体研究成果上的，虽然它是用钛金属和特殊的塑料制成，但它比以往的人造心脏都更适合人体的特性，病人的排斥反应也相当小。法国心脏专家卡朋提耶教授指出“心脏移植一直是器官移植当中遇到问题最多的手术，而虚拟人体技术将大大提高患者的存活率，全球每年等待心脏移植的人有近十万，目前每年只有2000人有机会等到捐献心脏，虚拟人体将极大地帮助人造心脏的开发，它的发展将最终制造出价廉物美的人造心脏。”
　　　　这给全球数亿器官疾病患者带来了前所未有的希望，特别是在先期诊断方面。癌症专家安德鲁认为通过研究虚拟人体，每个人都可以拍摄三维空间影像，这样能提早发现癌症，及早治疗，癌症的治愈率应可提高到75%。
　　　　美国Physiome公司也曾开发出一个虚拟心脏，科学家们已经用它来研究心率不齐和试验一种新药，目前，他们已经开发了实验“虚拟免疫系统”，它将进一步加快其新药测试过程，并大大降低成本和风险。
　　　　而一家名为Martonen的公司正在开发虚拟肺，它已经具有2000万个气道，并在英国和加拿大作临床试验，Martonen公司的目标是在虚拟人体研究基础上能精确复制任何人体器官！（^40010101a^）
　　　　虚拟人体指的是指运用现代信息技术 主要是计算机图形图像技术，与临床解剖学相结合，建立全数字化的符合人类特征的人体三维几何模型，包括骨骼、肌肉、组织、器官以及血管的模型；建立具有生物物理特征的计算机模型，从而实现人体形态、结构和机能的数字化特征描述，为医学以及多学科的研究与应用提供基础。与影视虚拟人不同，医学意义上的虚拟人体要模拟人体内部的组织活动，因而更为复杂。
　　　　虚拟人体研究正在成为未来庞大的医疗产业的基础，而以美国为首的发达国家在这场赛跑中已经悄悄抢跑了近十年。
　　#1　　如火如荼的虚拟人体研究
　　　　成立于1942年美国橡树岭国家实验室是著名原子物理学家费米创建了第一个可控热核反应堆的地方，几十年来，该实验室始终站在许多学科的前沿，他们从1996年开始酝酿数字人体创新计划。经过三年的准备，1999年10月，一批著名科学家和政府官员向美国国家科学院以及国会递交了正式报告，国防部非致命武器委员会也站出来积极支持该项目，美国虚拟数字人研究正式拉开序幕。
　　　　美国人的野心很大，其主要设想是将虚拟人计划与人类基因组计划的研究结果结合起来，保持美国在生物学、医学、军事等一系列领域未来五十年领先。
　　　　目前，美国人已经建立了全身骨骼、肌肉和心脏等部分器官的三维模型。而美国国立医学图书馆发起“可视人计划”（Visible Human Project，简称VHP），直接由美国高性能计算办公室领导，先后获得一男（经过一年半时间的选择）一女（经过两年多时间的选择）两组数据，男性共有1878个横断面切片，女性切片数为5190。2000年8月推出分辨率为4096X2700的数字化数据集，每一个切片的文件大小为32MB。
　　　　VHP仅仅还只是开始，它只是将人体形态数字化，而随着全方位以数字化方式采集和处理人体数据的推进，虚拟人体研究将更加侧重人体机能的智能模拟。
　　　　比如结合数字人体数据库，只需加入功能信息，就可模拟药物浓度随时间变化的空间分布，有助于药物动力学的研究；可以仿真手术切口附近组织形态变化，以及肿瘤切除后，人体组织的局部形变，仿真肿瘤、病灶生长或治愈过程。这在手术规划、治疗方面均有重要实用价值，特别是基于实时三维图像处理技术的图像导引下，外科手术将开辟了出全新的方向甚至实现由机器进行手术。（^40010101b^）
　　　　必须强调的是，数字人体不仅可以应用于医学，还可广泛应用于国防业、航空、航天、汽车、建筑、服装、影视等诸多行业。
　　　　日本决定从2002年开始实施“虚拟人体计划”。这项计划准备用10年时间，以数万人为对象，进行人体数据调查，收集从儿童到老人的各类身体数据。到2010年完成以7岁至90岁的34000人为对象的人体178个部位的测定，制定出日本的人体标准数据，它将在日本工业中众多需要人体数据的领域产生深远影响。
　　　　韩国也已经启动可视韩国人计划（VKH），准备完成4个人体的测试，目前已经完成一个人体，其数据量为210GB。
　　　　如今众多的“虚拟明星”也将在虚拟人体计划中获益，有了人体的详细数据，工程师和艺术家将让目前呆头呆脑、比例不佳的“数字偶像”真正活起来。
　　#1　　中国虚拟人体之路
　　　　我国中医理论源远流长，战国时期成书的《黄帝内经》至今仍然是指导中医的经典著作。宋代创制的针灸铜人开创了人体结构研究的先河。而李时珍的《本草纲目》是世界上第一部完整的药典，中医经络理论更是几千年来国人对人体结构研究的智慧结晶。
　　　　但中医也有着自身的局限，由于和西方的解剖学、病理学体系不一样，中医一直被排除在世界主流医学门外，中医要走向世界，虚拟人体研究将为其进一步发展提供研究基础和试验平台。
　　　　购买国外的虚拟人体图谱不但价格昂贵，而且更重要的是美国人的数据不能反映中国人的民族和发育特点，国内一批远见卓识的专家也正在为开发具有自主版权的中国人的“数字人”大声疾呼。
　　　　值得一提的是美国NSF总统青年学者奖的徐榭博士发明的“数字人体三维可视化模型”，在这套虚拟的三维人体上，有着与真人一样的五脏六腑、经脉血流甚至是肌肤，当把鼠标作手术刀对虚拟人体进行解剖时，得到的感受和效果与用实体进行解剖十分近似，今年七月，徐榭博士将他的这项发明无偿捐赠给华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室。
　　　　我国的中科院计算所、软件所、首都医科大学、北大、清华、浙大等在医学图像处理方面进行了深入研究，已具备与国外同行同台竞技的实力。
　　　　开展数字人体的研究需要有高性能计算机和网络的支撑。例如，虚拟人的肺模型中1秒钟事件模拟（例如肺穿孔）将产生1PB（1000TB，1TB=1000GB）数据并且完成10T（10万亿次）浮点计算；中科院曙光3000以及今后更加先进的国产超级并行处理巨型机，将为虚拟人体的研究提供不可缺少的计算环境。而虚拟人体研究的深入将开拓高性能计算机新的应用领域。
　　　　数字化虚拟人体已经成为我国的必争领域，它甚至比以高水平遥感技术以及信息处理技术为特点的数字地球计划更加重要，这是关系到我国在新世纪内科技能否走到世界前列的大问题。 
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