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“数字化”不能没有“中国人”_人体百科知识

时间:2020-02-16 理论教育 联系我们
“数字化”不能没有“中国人”_人体百科知识

“数字化”不能没有“中国人”

由于人体形态结构的复杂性,只有将人体做成薄层连续断面标本,逐层测量才能获得细致准确的原位测量数据。传统的解剖学属于描述性的形态学,是将人体剖切开以后进行观察和测量得来的,其最大的缺陷在于缺乏某个器官或结构在人体三维空间中的准确定位和测量数据。另外,在医学诊断和教学中,现在普遍采用的断面标本参考依据最薄也有5毫米以上,在表现人体的真实性和准确性上有很多的不足。在信息时代,特别是在高速发展的临床影像诊断领域,这种解剖学知识和统计数据越来越难以满足需要。提供一部以测量统计精确的数据为主体的数字化解剖学模型即可视人,以适应21世纪各有关学科对人体科学数据的要求,成为信息时代医学发展的迫切需要。

20世纪90年代,计算机技术的成熟使得数字化的可视人体得以呈现。美国国立医学图书馆抓住先机,于1989年确立了“可视人计划”,1994年11月获得了世界上第一个“可视人”的数据集。该套数据为中年男性,共有1878个横断面图像,1997年又完成了一例女性可视人的断层扫描和光学照片数据。到2000年为止,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韩国于2000年开始“可视人”研究,通过前期实验,采集到一位老年男性人体的数据集,成为全世界第二个拥有“可视人”的国家。英国也研制了“虚拟人体心脏”,用于治疗心脏疾病新药的筛选。日本计划从2002年开始,实行“可视人”计划,为的是用于汽车座椅和服装的设计等。

中国作为一个拥有13亿人口的大国,不能没有自己的可视化人体,发达国家发起的这个重大项目引起了我国的高度重视。研究一个具有自主知识产权的中国可视人迫在眉睫。200]年11月,在国家科技部和中国科学院的支持下,我国解剖学界和计算机学界专家在北京召开了主题为“中国数字化虚拟人体的科技问题”的香山科学会议。与会专家一致达成共识,要尽快建立我们中国人自己的可视人,为医学以及多学科的研究应用提供基础,为相关应用及公众的健康咨询提供支持,使国内与人体相关的研究走在世界前列。

“超低温冻库”铣切磨削 香山会议的召开启动了我国可视化人体的研究,为一直从事该领域研究工作的张绍祥教授进一步增强了信心。

自1985年以来,张绍祥一直从事人体断面解剖学及计算机图像三维重建的研究工作,曾于20世纪90年代初期在世界著名学府德国波恩大学留学。1994年回国以后,他把目光瞄准了人体薄层断面解剖学研究,建立了全国惟一的生物塑化实验室,其所获得的人体断层切面厚度可达0.1毫米。在此研究领域里,他已获得5项国家自然科学基金资助,其中包括1项国家杰出人才基金,发表相关论文80余篇,并获得国家科技进步二等奖1项。1999年,张教授产生了建立中国自己的可视人的想法,开始了对中国人体数字化的客观规律的探索。由于可视人在当时的中国还是一个全新的研究领域,他遇到了一系列的技术难题。

首要的问题是人体精确数据的获取技术。10年前美国VHP计划采用的是组织切片与CT、MRI断层数据的结合的技术路线,是将标本从头到脚逐层铣切成薄片,每切一片,就用数码相机进行拍摄,之后将所得人体模型数据输入电脑分析,得到完整的人体结构数据集。这也是韩国可视人计划所采用的路线方法。其中,断面切片的片层精度是获取数据的关键。采用人体断层解剖学的方法得到高精度的解剖层片信息,需要解决标本的处理和高精度加工的问题。标本只有在超低温(零下20摄氏度)的条件里,才能保证切片的低温磨削、铣切或者其他形式的加工技术,才能保证片层的精度。

但这条路线有一个缺陷,实验中的冰冻标本是处于常温实验室中,温度不恒定,影响人体数据的精确性。为了让数据更精确,早年曾在高原严寒地带有过工作经历的张绍祥教授想到了让工作人员在低温环境下进行铣切的方法。他订做了一个近20平方米的“冻库”,在里面安置了特别制作的数控铣床。这个铣床的数控系统是从日本进口的,铣刀为法国生产的,铣切的精度可达到0.001毫米。库壁有一个透明玻璃窗,可以观察到里面的工作情况,并建立工相应的遥控系统,以遥控里面的铣床和数码相机,是一个全世界都绝无仅有的低温实验室。

另一个关键问题是,虽然完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以至器官的形态与功能对于现代医学的发展已不是难事,但世界上包括血管神经系统的造型等问题尚未得到解决。美国可视人数据就没有血管与神经信息。张教授虽然已掌握局部和器官的血管铸型技术,但是作为整体标本的统一处理,还是存在一定难度的。

所得切片的图像处理也存在一个准确性与精度的问题,这对下一步三维数字化解剖结构信息的提取十分重要。由于当时的条件所限,美国采用的数码相机的分辨率较低,影响了所获取的图像和数据的精确度。现在高档数码相机的像素数可达600万以上,大大提高了图像处理的精度。张教授选用了630万像素的高清晰度的数码相机,但紧接着又遇到一个难题,因为数码相机最多只能在零下10摄氏度工作,而冻库的恒温是零下25摄氏度。经过反复的探讨研究,课题组设计出了与冻库同期降温和同期升温的办法,再经过特殊技术处理,使这个相机在低温实验室里能正常工作。多学科协力“加速度”在接下来的三维重构技术中,主要面临着大规模数据的处理问题。所获得的切片数据精度越高,数据就越大,一套完整的人体数据往往需要海量计算。美国的可视人原始数据达到15G和30G,而首例中国可视人的整个数据为90.648G。因此,在课题组里有很多计算机专业人员,清华大学计算机系的博士后许忠信副教授与张教授已有5年的合作历史,在课题中主要负责数据库的建立和三维重建软件编制。课题组还有美国克罗拉多大学的傅忠军教授,他曾经是美国vHP课题组的主要成员。拥有一支多学科的交叉研究队伍,也是首例中国可视人能以比国外快得多的速度诞生的关键之一。(www.guayunfan.com)

经过3年多的不懈努力,张绍祥教授带领20多人的课题组终于完成了首例中国可视人数据集的采集。首例中国可视人CVH采用的标本为一标准的中国中年男性尸体——身高1.70米、体重65千克,通过肉眼观察、CT和核磁共振检查,无任何器质性病变。全身被切为2518个连续横断面切片,所得图像和数据为整个标本的连续断面,无节段性数据缺损,断面图像分辨率达630万像素,其中颅底部的断面厚度达到0.1毫米。而且,该标本经血管灌注、明胶包埋处理后,“可视人”的肌肉、骨骼、血管、神经和各种体内脏器等均清晰可见,动脉、静脉分呈红蓝色,区分明显,是一个真正意义上的中国人体全数字化“可视人”。

美国可视化人体断层厚度为1.0毫米和0.33毫米,其标本生前不仅曾作过器官切除,而且切片前曾将人体标本裁为了4截,造成了胸部、股部和小腿部3段数据缺损,标本不完整。韩国可视化人体为65岁的老年标本,形体异常消瘦,层厚为0.2毫米,这些研究结果如果作为标准数据集,都具有明显的缺陷。与美、韩相比,我国首例可视人在设备的先进性,数据的完整性、代表性和精确性上都处于国际领先水平。

“可视人”能为医学作什么 这套人体数据集,对医学的影响是巨大的。

影响之一大大提高现代临床影像诊断的精确度,临床常用的断层影像诊断B超、CT、MRI等,均需要正常人体断面解剖学图像和数据资料作为诊断的形态学基础。目前新一代CT和MRI已能将断层的厚度减小到1—2毫米。从而使得微小病灶的检出率大大提高,这对于占位性病变尤其是肿瘤的早期发现和早期治疗具有重要意义。但是,现在普遍采用的正常参考断面标本最薄也有5毫米,显然,已有的断面解剖学资料无法满足当前临床影像的需要。因而,这一套可视人的数据资料是目前,临床影像诊断和放射治疗所急需的。

影响之二可以提高外科手术包括介入性治疗的准确性和无创性,有了这套数据集,人们可以事先在电脑模拟的虚拟手术环境中做虚拟现实手术,然后再在患者身上实施手术。这样可以大大减少风险性,提高手术的成功率,特别对于某些过去被认为是手术禁区的重要部位。比如人的颅底部,脑的重要结构和生命中枢均位于此,其解剖结构极为复杂,以前由于方法学上的限制,无法在原位对颅底的细致结构进行观测,其血管走向、粗细、神经分布以及它们之间的关系都一直是个迷,被视为手术禁区。有了这套可视人数据。人们就可以获得颅底的细致形态结构,并进行手术虚拟,为成功开展颅底手术提供可能。

影响之三有助建立中国数字化标准人脑。该课题组已加入全球人类脑计划。承担建立中国标准化人脑的研究任务。目前在临床上MRI、PET等所使用的标准脑是一位56岁的法国妇女的数字脑,与东方人脑匹配不好,导致定位诊断的准确性降低。这套可视人数据可使中国人瞄研究进一步标准化和数字化,并可提高脑部定位诊断的准确性。

影响之四利用可视化人体这一实验平台,为其他与人体相关研究提供基本数据,还可进行人造器官的研究、设计及手术器械、新型药物的开发。“可视人”还能够用来模拟各种交通工具甚至战创伤对人体的意外伤害程度,研究和设计防护设备,并可模拟高温、高湿、高寒、高压等条件下人体的各种反应,以研制相应的防护设施、设备等。

作为国家信息基础设施的一部分,人体数据是一项重要的基础数据资源。中国的人口占世界人口的1/5,具有庞大的人力资源。有效利用人体的信息,开发多层次需求,将成为高新技术产业发展的关键因素。首例中国可视人这套具有完全自主知识产权的数据集,可以广泛应用于医学;航天、航空、军事、建筑、影视体育制作等领域,具有重大的科技意义和社会经济价值。