在现代影视节目中,已经出现了虚拟的明星,他们能像演员一样说话和运动。这就是虚拟人的雏形。虚拟人可在航天、航空、汽车、服装、影视、建筑、国防等诸多领域中大显身手,但目前虚拟人的应用更多的是在医学领域。医学上一般把虚拟人称为“虚拟人体”,也可称为“数字人体”“数字化虚拟人”“三维可视化技术”。
“虚拟人体”是如何打造出来的
这种仿真数字化虚拟人体的建造,一般以活体或尸体为原型,并通过各种技术获得数据。如利用CT或磁共振等先进影像技术,将活体摄制成间隔约1毫米的薄层断面;也可以作尸体冷冻切片,切成间隔为0.2毫米的断面。这些断面***像可以全部转变为数据加以存储,然后通过三维立体重构技术重塑为三维的立体***像。这就是第一代几何型虚拟人体的打造过程。
当前,美国数字化虚拟人体的研究走在世界的前列。1989年,美国国立医学***书馆开展了“可视人计划”(Visible Human Project,简称VHP),并于1994年、1998年先后公布了一男一女两具尸体的CT、磁共振断层扫描***像(MRI),在断层组织切片的精度、分辨率上达到了很高的水平。其中,男性断层的间隔厚度为1毫米,全身共切成1878个断面;女性的间隔厚度为0.33毫米,全身共切成5189个断面。根据这些数据重新建成的数字化解剖人,为医学和其他学科的相关演示提供了技术支持。为了进一步完善和更加接近真正的人体实况,按数字化虚拟人体的研究规划,将建成有物理性能的第二代虚拟人体,然后再建立有生理功能的第三代虚拟人体。虚拟人的数据库将拥有人体物理学数据和生理学数据,通过计算机数学建模和相应的软件,虚拟人体更具有类似活人的性能,例如:物理型虚拟人体能反映骨骼受力后将“折断”、肌肉牵拉后会“伸长”、血管切断后能“回缩”等物理性能;生理型虚拟人体能反映生长发育、新陈代谢、智能分析等性能。
目前美国的可视人计划可视为第一阶段工作,但在血管、神经等结构的显示上还有不少薄弱环节,有待进一步完善。我国学者也正在开展类似的工作,在血管显示技术和切片标本保存方面有自己的特长,正在努力打造具有中国人特色的“中国数字化虚拟人体”。至于物理型和功能型虚拟人体的研究,国际上均已开始探索,并已取得了初步成绩,但任重道远,还有很多艰巨的工作有待进行。
医学“虚拟人”将扮演什么角色
我们知道,要想成为一个技艺高超的外科医生或一个手法精湛的针灸医生,非得跟着师傅学习反复实践,有时还得在病人身上练习操作技术。今后这种在病人身上“练手艺”的方法,可以在电脑操纵的“虚拟人体”模型上进行。在“数字人体”上训练中医的针灸手法时,术者可以逼真地感触到银针穿透不同组织和捻转时的针感,虚拟人“老教授”还可当场为你作精彩的操作示范,这样就更有助于年轻医生们迅速成长。
按照规定,在一种新的药物问世前,专家必须通过很多动物实验和临床试验。如果在数字人体的数据库中拥有仿真系统、器官对于药物代谢的详尽信息,如药物作用、吸收、分布、代谢、排泄、高峰时间、高峰浓度、有效浓度、升降曲线、清除率等,就可以在虚拟人身上模拟药物浓度随时间和空间的动态变化等实验,缩短传统的动物实验和临床试验的研究过程,节省传统研究花费的大量经费、劳动力和时间。因此,在试验新药时,可以让“虚拟人”先试“吃”一下,看看效果如何,副作用有多大,与其他药物有无交互作用,风险均可由虚拟人承担。
在结构错综复杂的颅脑部手术或重要的心、肝、肺切除肿瘤手术前,虚拟人这位“临床患者”也可仿真肿瘤或病灶,供外科医生观察其变化过程,在真正手术之前“操刀尝试”。 外科实习医生先在与病人身体(数据)一模一样的“虚拟替身”上“打一遍草稿”, 并观察仿真手术是否伤及其他重要器官、肿瘤切除后伤口邻近组织形态变化和治愈过程,并可在这种虚拟场景中决定最佳的手术方案和手术途径。若进一步与越来越强大的网络技术和机器人技术相结合,就可能实现远程手术或远程外科会诊。美国耶鲁大学的儿童外科教授,为远在多米尼加共和国的儿童实施了复杂的食管反流远程外科手术就是其中一例。把“虚拟人”安置在航天太空站,就可能测量宇宙辐射对宇航员染色体的影响和失重后人体各种功能的改变,为保证宇航员的健康提供数据,研究相应的对策和措施。
造就具有中国特色的“虚拟人”
我们已揭开了“虚拟人”的神秘面纱,认识到“虚拟人”将在未来医学世界中扮演更加重要的角色。摆在我们面前的任务是赶快打造有中国人特色的“数字化虚拟人体”,要让有中国特色的“虚拟人”早日登台亮相。
既然数字化虚拟人体对医学教学、临床应用和医学研究中如此重要,那么它将是我们必争的研究发展领域。因为人种的差异,外国人的数据不能反映中国人的体质特点。在建造数字化虚拟人的过程中,首先要建立人体解剖学的几何模型,在这一方面,我国的解剖学者取得了一些国际先进水平的成果,如我们第一***医大学的“人体管道铸型技术研究”课题已获得实质性进展。这一独特技术将使我国可能以崭新的研究方法显示人的血管系统,其血管系统的分辨率将超过美国的可视人计划(***1~7)。此外,开展虚拟人体的研究还需要有高性能计算机和网络的支撑,没有海量储存和超高速度的高性能计算机以及优秀的计算机硬软件专家的参与,这项工程是难于实施的。目前,我国在超高速计算机的研制方面,已形成银河、神威、曙光三个基本系列,主要性能达到了国际先进水平。这将为我国的虚拟人体研究提供有力的技术支撑。
目前,人类正在接近虚拟生物学、虚拟医学,各种各样的虚拟对象都会出现。除了虚拟人体外,虚拟DNA、虚拟蛋白质、虚拟肝细胞、虚拟肾脏、虚拟高脂血症、虚拟循环系统等都将向我们走来。虚、实两种世界互相参照,互创奇迹的时代初见端倪。