“數(shù)字化”不能沒有“中國人”

由于人體形態(tài)結構的復雜性，只有將人體做成薄層連續(xù)斷面標本，逐層測量才能獲得細致準確的原位測量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的解剖學屬于描述性的形態(tài)學，是將人體剖切開以后進行觀察和測量得來的，其最大的缺陷在于缺乏某個器官或結構在人體三維空間中的準確定位和測量數(shù)據(jù)。另外，在醫(yī)學診斷和教學中，現(xiàn)在普遍采用的斷面標本參考依據(jù)最薄也有5毫米以上，在表現(xiàn)人體的真實性和準確性上有很多的不足。在信息時代，特別是在高速發(fā)展的臨床影像診斷領域，這種解剖學知識和統(tǒng)計數(shù)據(jù)越來越難以滿足需要。提供一部以測量統(tǒng)計精確的數(shù)據(jù)為主體的數(shù)字化解剖學模型即可視人，以適應21世紀各有關學科對人體科學數(shù)據(jù)的要求，成為信息時代醫(yī)學發(fā)展的迫切需要。

20世紀90年代，計算機技術的成熟使得數(shù)字化的可視人體得以呈現(xiàn)。美國國立醫(yī)學圖書館抓住先機，于1989年確立了“可視人計劃”，1994年11月獲得了世界上第一個“可視人”的數(shù)據(jù)集。該套數(shù)據(jù)為中年男性，共有1878個橫斷面圖像，1997年又完成了一例女性可視人的斷層掃描和光學照片數(shù)據(jù)。到2000年為止，美國人已經(jīng)建立了全身骨骼、肌肉和心臟等部分器官的三維模型。韓國于2000年開始“可視人”研究，通過前期實驗，采集到一位老年男性人體的數(shù)據(jù)集，成為全世界第二個擁有“可視人”的國家。英國也研制了“虛擬人體心臟”，用于治療心臟疾病新藥的篩選。日本計劃從2002年開始，實行“可視人”計劃，為的是用于汽車座椅和服裝的設計等。

中國作為一個擁有13億人口的大國，不能沒有自己的可視化人體，發(fā)達國家發(fā)起的這個重大項目引起了我國的高度重視。研究一個具有自主知識產(chǎn)權的中國可視人迫在眉睫。200]年11月，在國家科技部和中國科學院的支持下，我國解剖學界和計算機學界專家在北京召開了主題為“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”的香山科學會議。與會專家一致達成共識，要盡快建立我們中國人自己的可視人，為醫(yī)學以及多學科的研究應用提供基礎，為相關應用及公眾的健康咨詢提供支持，使國內與人體相關的研究走在世界前列。

“超低溫凍庫”銑切磨削　香山會議的召開啟動了我國可視化人體的研究，為一直從事該領域研究工作的張紹祥教授進一步增強了信心。

自1985年以來，張紹祥一直從事人體斷面解剖學及計算機圖像三維重建的研究工作，曾于20世紀90年代初期在世界著名學府德國波恩大學留學。1994年回國以后，他把目光瞄準了人體薄層斷面解剖學研究，建立了全國惟一的生物塑化實驗室，其所獲得的人體斷層切面厚度可達0.1毫米。在此研究領域里，他已獲得5項國家自然科學基金資助，其中包括1項國家杰出人才基金，發(fā)表相關論文80余篇，并獲得國家科技進步二等獎1項。1999年，張教授產(chǎn)生了建立中國自己的可視人的想法，開始了對中國人體數(shù)字化的客觀規(guī)律的探索。由于可視人在當時的中國還是一個全新的研究領域，他遇到了一系列的技術難題。

首要的問題是人體精確數(shù)據(jù)的獲取技術。10年前美國VHP計劃采用的是組織切片與CT、MRI斷層數(shù)據(jù)的結合的技術路線，是將標本從頭到腳逐層銑切成薄片，每切一片，就用數(shù)碼相機進行拍攝，之后將所得人體模型數(shù)據(jù)輸入電腦分析，得到完整的人體結構數(shù)據(jù)集。這也是韓國可視人計劃所采用的路線方法。其中，斷面切片的片層精度是獲取數(shù)據(jù)的關鍵。采用人體斷層解剖學的方法得到高精度的解剖層片信息，需要解決標本的處理和高精度加工的問題。標本只有在超低溫（零下20攝氏度）的條件里，才能保證切片的低溫磨削、銑切或者其他形式的加工技術，才能保證片層的精度。

但這條路線有一個缺陷，實驗中的冰凍標本是處于常溫實驗室中，溫度不恒定，影響人體數(shù)據(jù)的精確性。為了讓數(shù)據(jù)更精確，早年曾在高原嚴寒地帶有過工作經(jīng)歷的張紹祥教授想到了讓工作人員在低溫環(huán)境下進行銑切的方法。他訂做了一個近20平方米的“凍庫”，在里面安置了特別制作的數(shù)控銑床。這個銑床的數(shù)控系統(tǒng)是從日本進口的，銑刀為法國生產(chǎn)的，銑切的精度可達到0.001毫米。庫壁有一個透明玻璃窗，可以觀察到里面的工作情況，并建立工相應的遙控系統(tǒng)，以遙控里面的銑床和數(shù)碼相機，是一個全世界都絕無僅有的低溫實驗室。

另一個關鍵問題是，雖然完整地描述基因、蛋白質、細胞、組織以至器官的形態(tài)與功能對于現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展已不是難事，但世界上包括血管和神經(jīng)系統(tǒng)的造型等問題尚未得到解決。美國可視人數(shù)據(jù)就沒有血管與神經(jīng)信息。張教授雖然已掌握局部和器官的血管鑄型技術，但是作為整體標本的統(tǒng)一處理，還是存在一定難度的。

所得切片的圖像處理也存在一個準確性與精度的問題，這對下一步三維數(shù)字化解剖結構信息的提取十分重要。由于當時的條件所限，美國采用的數(shù)碼相機的分辨率較低，影響了所獲取的圖像和數(shù)據(jù)的精確度。現(xiàn)在高檔數(shù)碼相機的像素數(shù)可達600萬以上，大大提高了圖像處理的精度。張教授選用了630萬像素的高清晰度的數(shù)碼相機，但緊接著又遇到一個難題，因為數(shù)碼相機最多只能在零下10攝氏度工作，而凍庫的恒溫是零下25攝氏度。經(jīng)過反復的探討研究，課題組設計出了與凍庫同期降溫和同期升溫的辦法，再經(jīng)過特殊技術處理，使這個相機在低溫實驗室里能正常工作。多學科協(xié)力“加速度”在接下來的三維重構技術中，主要面臨著大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理問題。所獲得的切片數(shù)據(jù)精度越高，數(shù)據(jù)就越大，一套完整的人體數(shù)據(jù)往往需要海量計算。美國的可視人原始數(shù)據(jù)達到15G和30G，而首例中國可視人的整個數(shù)據(jù)為90.648G。因此，在課題組里有很多計算機專業(yè)人員，清華大學計算機系的博士后許忠信副教授與張教授已有5年的合作歷史，在課題中主要負責數(shù)據(jù)庫的建立和三維重建軟件的編制。課題組還有美國克羅拉多大學的傅忠軍教授，他曾經(jīng)是美國vHP課題組的主要成員。擁有一支多學科的交叉研究隊伍，也是首例中國可視人能以比國外快得多的速度誕生的關鍵之一。

經(jīng)過3年多的不懈努力，張紹祥教授帶領20多人的課題組終于完成了首例中國可視人數(shù)據(jù)集的采集。首例中國可視人CVH采用的標本為一標準的中國中年男性尸體——身高1.70米、體重65千克，通過肉眼觀察、CT和核磁共振檢查，無任何器質性病變。全身被切為2518個連續(xù)橫斷面切片，所得圖像和數(shù)據(jù)為整個標本的連續(xù)斷面，無節(jié)段性數(shù)據(jù)缺損，斷面圖像分辨率達630萬像素，其中顱底部的斷面厚度達到0.1毫米。而且，該標本經(jīng)血管灌注、明膠包埋處理后，“可視人”的肌肉、骨骼、血管、神經(jīng)和各種體內臟器等均清晰可見，動脈、靜脈分呈紅藍色，區(qū)分明顯，是一個真正意義上的中國人體全數(shù)字化“可視人”。

美國可視化人體斷層厚度為1.0毫米和0.33毫米，其標本生前不僅曾作過器官切除，而且切片前曾將人體標本裁為了4截，造成了胸部、股部和小腿部3段數(shù)據(jù)缺損，標本不完整。韓國可視化人體為65歲的老年標本，形體異常消瘦，層厚為0.2毫米，這些研究結果如果作為標準數(shù)據(jù)集，都具有明顯的缺陷。與美、韓相比，我國首例可視人在設備的先進性，數(shù)據(jù)的完整性、代表性和精確性上都處于國際領先水平。

“可視人”能為醫(yī)學作什么　這套人體數(shù)據(jù)集，對醫(yī)學的影響是巨大的。

影響之一大大提高現(xiàn)代臨床影像診斷的精確度，臨床常用的斷層影像診斷B超、CT、MRI等，均需要正常人體斷面解剖學圖像和數(shù)據(jù)資料作為診斷的形態(tài)學基礎。目前新一代CT和MRI已能將斷層的厚度減小到1—2毫米。從而使得微小病灶的檢出率大大提高，這對于占位性病變尤其是腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)和早期治療具有重要意義。但是，現(xiàn)在普遍采用的正常參考斷面標本最薄也有5毫米，顯然，已有的斷面解剖學資料無法滿足當前臨床影像的需要。因而，這一套可視人的數(shù)據(jù)資料是目前，臨床影像診斷和放射治療所急需的。

影響之二可以提高外科手術包括介入性治療的準確性和無創(chuàng)性，有了這套數(shù)據(jù)集，人們可以事先在電腦模擬的虛擬手術環(huán)境中做虛擬現(xiàn)實手術，然后再在患者身上實施手術。這樣可以大大減少風險性，提高手術的成功率，特別對于某些過去被認為是手術禁區(qū)的重要部位。比如人的顱底部，腦的重要結構和生命中樞均位于此，其解剖結構極為復雜，以前由于方法學上的限制，無法在原位對顱底的細致結構進行觀測，其血管走向、粗細、神經(jīng)分布以及它們之間的關系都一直是個迷，被視為手術禁區(qū)。有了這套可視人數(shù)據(jù)。人們就可以獲得顱底的細致形態(tài)結構，并進行手術虛擬，為成功開展顱底手術提供可能。

影響之三有助建立中國數(shù)字化標準人腦。該課題組已加入全球人類腦計劃。承擔建立中國標準化人腦的研究任務。目前在臨床上MRI、PET等所使用的標準腦是一位56歲的法國婦女的數(shù)字腦，與東方人腦匹配不好，導致定位診斷的準確性降低。這套可視人數(shù)據(jù)可使中國人瞄研究進一步標準化和數(shù)字化，并可提高腦部定位診斷的準確性。

影響之四利用可視化人體這一實驗平臺，為其他與人體相關研究提供基本數(shù)據(jù)，還可進行人造器官的研究、設計及手術器械、新型藥物的開發(fā)?！翱梢暼恕边€能夠用來模擬各種交通工具甚至戰(zhàn)創(chuàng)傷對人體的意外傷害程度，研究和設計防護設備，并可模擬高溫、高濕、高寒、高壓等條件下人體的各種反應，以研制相應的防護設施、設備等。

作為國家信息基礎設施的一部分，人體數(shù)據(jù)是一項重要的基礎數(shù)據(jù)資源。中國的人口占世界人口的1/5，具有龐大的人力資源。有效利用人體的信息，開發(fā)多層次需求，將成為高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵因素。首例中國可視人這套具有完全自主知識產(chǎn)權的數(shù)據(jù)集，可以廣泛應用于醫(yī)學；航天、航空、軍事、建筑、影視、體育制作等領域，具有重大的科技意義和社會經(jīng)濟價值。