中新網(wǎng)3月19日電 前不久，據(jù)媒體報道，以一名少女為“藍本”的中國女性虛擬人已經(jīng)誕生。中國少女是怎樣被“虛擬”的？其作用究竟有多大？
今天的科技日報對此進行了披露。報道稱，中國21世紀是生物科學(xué)的世紀，因此發(fā)達國家牽頭的“數(shù)字虛擬化人體”研究項目更成了焦點中的焦點。美國是這項恢弘計劃的先行者，早在上個世紀80年代中后期即投入巨資開始“虛擬美國人”計劃的研究，并于1994年和1996年相繼推出一男一女兩個虛擬人。作為亞洲的近鄰，韓國、日本也相繼啟動了虛擬人體的研究計劃。
——中國虛擬人計劃應(yīng)時而生
中國的科學(xué)家再也坐不住了，虛擬人體的研究是關(guān)系到新世紀中國醫(yī)學(xué)能否走到世界前列的大問題，涉及一系列基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，這樣一個極富挑戰(zhàn)性的課題，怎能沒有中國科學(xué)家的身影。同時還有一個原因也促使中國科學(xué)家決定建立具有中國人特性的虛擬人體。美國利用“可視人計劃”數(shù)據(jù)集開發(fā)的1.8萬多個解剖結(jié)構(gòu)圖譜在起步階段就售價3.7萬美元�；趫D像處理的臨床應(yīng)用軟件動輒數(shù)十萬美元，如果中國沒有自主版權(quán)的人體數(shù)據(jù)，僅圖譜一項就會造成巨額外匯的流失。況且這些數(shù)據(jù)采自白人，不一定適合中國人的各項生理指標。
開展中國虛擬人計劃還要有先進的技術(shù)作支撐。目前中國在許多方面已有較多研究積累，在醫(yī)學(xué)解剖學(xué)的研究中，除傳統(tǒng)的組織與器官標本之外，在血管鑄型等人體管道標本的制作等許多方面已達國際先進水平，加上中國現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、高性能計算機和高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，中國開展虛擬人體研究所必需的軟硬件條件已經(jīng)具備。
——香山會議的重大決定
2001年11月以“中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題”為主題的香山科學(xué)會議第174次學(xué)術(shù)討論會在這樣的形勢下召開了。第一軍醫(yī)大學(xué)鐘世鎮(zhèn)院士、中科院計算所李華研究員和首都醫(yī)科大學(xué)羅述謙教授擔任執(zhí)行主席，與會的42位中外專家熱烈討論中國的虛擬人體計劃。會后，相關(guān)的“數(shù)字化虛擬人體若干關(guān)鍵技術(shù)”和“數(shù)字化虛擬中國人的數(shù)據(jù)集構(gòu)與海量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”兩項課題相繼列入國家863項目，由中科院計算所、首都醫(yī)科大學(xué)、華中科技大學(xué)和第一軍醫(yī)大學(xué)等4家單位協(xié)作攻關(guān)。
至此，中國虛擬人計劃進入了實質(zhì)性階段。此時正值2001年12月。
在第一軍醫(yī)大學(xué)一間普通的研究室里，由中國工程院院士、第一軍醫(yī)大學(xué)鐘世鎮(zhèn)教授帶領(lǐng)下的研究小組日夜奮戰(zhàn)起來。按照香山會議確定的計劃，中國虛擬人的切片厚度精確到0.1毫米(美國男女虛擬人分別是1.0、0.33毫米)，并提出了新的設(shè)計和組裝方案。與美國和韓國的“虛擬人”相比，中國將放棄對標本原型的臥姿固定切削，改為立姿固定切削。
0.1毫米的切削精度是世界上少有的，給工作人員帶來了問題，為了保證切片的厚度該采用哪種刀具呢？研究人員選中了哈爾濱刀具廠的產(chǎn)品。
當研究小組向哈爾濱刀具廠訂做特制刀具時，廠家卻犯難了：他們的刀具廣泛應(yīng)用于機械加工(如鋼材切割刀)，但從來沒有用來切過人體。鋼材密度均勻，而人體有骨頭、肌肉、皮膚等密度不同的軟硬組織。這樣復(fù)雜的切割對象刀具廠還是頭一次遇見，廠家克服困難，精心為研究小組提供了三套刀具，回廣州調(diào)試并“試用”。
研究人員先拿一個西瓜“試刀”，將其切成薄薄的細片，見識了刀具的“軟功”；再對新西蘭大白兔進行切片試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當兔子被急凍冷藏后肢體僵硬，切片效果不錯，甚至可以達到0.02毫米的切削間距精度，這意味著人體的切片可以由預(yù)期的16600片增加到83000片。但由于受到計算機儲存和運算能力的限制，研究小組決定還是按原計劃的厚度切削。
2002年4月一名28歲的湖南籍漢族健康男子死亡，沒有任何傳染病和代謝疾病，具有健康中國人的代表性。研究小組從20名自愿捐獻遺體的志愿者中篩選出他作為中國虛擬人計劃的尸體標本，取名為“中國虛擬人Ⅰ號”。而美國虛擬人原型曾在15歲時手術(shù)切除右睪丸，21歲時切除闌尾，38歲時拔過一顆牙。韓國虛擬人原型則是一位死于淋巴瘤的65歲老人。由于美韓均對尸體標本使用了過量福爾馬林灌注，尸體都出現(xiàn)了不同程度的腫脹變形，采集的數(shù)據(jù)與原型都存在著偏差。我國虛擬人原型作為“標準中國人”，失真度小，更有應(yīng)用價值。
完成虛擬人的建構(gòu)，第一步就是對標本進行切片處理。研究人員使用藥物對其全身組織進行固定，使用明膠、朱砂、淀粉進行動脈的顯色和填充，這就是由鐘世鎮(zhèn)院士提出的血管鑄型技術(shù)——通過給尸體動脈灌注明膠、朱砂和淀粉，使動脈呈現(xiàn)紅色，使之很容易和靜脈區(qū)分。
這一技術(shù)利用人體動靜脈回流的原理：人死了動脈內(nèi)的血管是空的，而靜脈內(nèi)填滿了黑色的淤血。把紅色的“塑料液體”灌注入動脈，那么人體所有動脈就會呈現(xiàn)出紅色，而靜脈是黑色的。一黑一紅，在電腦讀取切片數(shù)據(jù)時就很容易分辨出動脈和靜脈了。這項技術(shù)絕對是世界獨有的。美、韓現(xiàn)有虛擬人的血管動、靜脈并沒有區(qū)別出來，也就是說，他們在對虛擬人進行圖像分隔時只能看到骨骼、肌肉和臟器，而無法分清動脈和靜脈血管。就以外科手術(shù)上特別重要的動脈和靜脈而言，美國的血管識別，目前仍依靠解剖學(xué)專家人為識別后，再用計算機圖像勾邊處理。這種依靠經(jīng)驗為主的識別方法，在準確度和科學(xué)性上難免存有缺陷。
而中國的虛擬人顯得更加“有血有肉”，動脈和靜脈區(qū)別分明，就連細小血管都清晰可見。如果在虛擬人身上做模擬手術(shù)，醫(yī)生就可以清楚地分出動、靜脈，知道哪根大血管不能破壞，對手術(shù)有重要指導(dǎo)意義。
尸體標本經(jīng)過血管鑄型處理后，放置在零下70攝氏度的冰庫里儲存以保證尸體的硬度，便于日后切削。
為了高質(zhì)量完成虛擬人數(shù)據(jù)采集，科研人員選擇了一個地下室作為數(shù)據(jù)切削采集的場地，屏除了影響切削精度的地面震動和雜亂的電子、電磁干擾，保護了圖像信息的完整性。
然而，人們首先看到的卻是女性虛擬人的搶先誕生。中國虛擬人Ⅰ號哪去了？難道是切削失敗？首都醫(yī)科大學(xué)教授羅述謙介紹，男虛擬人計劃推后是從保證質(zhì)量考慮的。負責開發(fā)海量儲存系統(tǒng)(計算機系統(tǒng))的單位說，目前，系統(tǒng)最多只能容納切削精度為0.2毫米的虛擬人數(shù)據(jù)集，這與開始設(shè)想的把“男Ⅰ號”切削精度定為0.1毫米有距離。這意味著把男性標本切出來后無法裝進電腦。而且在此之前，重慶第三軍醫(yī)大學(xué)已經(jīng)切割了一個切面比較厚、但不夠均勻的男性虛擬人，已經(jīng)初步有了關(guān)于男性虛擬人的數(shù)據(jù)。女性虛擬人數(shù)據(jù)缺乏，即使在國外，也只有美國完成了一個女性虛擬人的數(shù)據(jù)庫。所以，在綜合考慮多方面因素后，研究小組改變了原來的計劃，決定先切女的。中國虛擬人Ⅰ號尸體標本完好地保存在醫(yī)院特制冷庫內(nèi)，切削工作已暫時停止。在此前，已對尸體標本的頭、心臟和腎臟3個部分進行了切削，并構(gòu)建了首批數(shù)據(jù)集。2003年底將完成“中國虛擬人男Ⅰ號”的數(shù)據(jù)采集。
——中國女虛擬人誕生
中國首個女虛擬人(“中國虛擬人Ⅱ號”)原型是一位身高1.56米的19歲少女，廣西人去年在廣東因誤食毒蘑菇而急性死亡。專家們認為雖然她不是一個健康人，但由于是急性死亡，骨骼身體結(jié)構(gòu)保持完好，加上年紀很輕，生殖器官功能完全，是一個條件很不錯的標本。
2002年年底，研究小組決定對其進行切割。研究人員最終采用了兩種刀具：“粗刀盤”去除尸體的包埋材料，“精刀盤”進行尸體橫斷面的切削。動刀時，直立的尸體從冰庫頂部推出，冰庫上方的刀具每旋一圈，就切出一個人體切片。但是大家不會看到八千多片的人體橫斷面標本，因為像紙一樣薄的人體切片在刀子旋轉(zhuǎn)時已經(jīng)變無法辨認了。要獲得這幾千個人體切片的資料，必須每切一片，就對余下的尸體橫斷面拍照收集該橫斷面的資料。
中國虛擬人標本的切削，采用的是直立式。美國、韓國都采用躺臥式，造成了標本的頭部、背部、臀部和腿部等被壓成扁平失真狀態(tài)。我國科學(xué)家克服直立式切割帶來的不便，保證了人體建模接近正常人體形態(tài)。
2003年2月18日17時18分，中國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集在第一軍醫(yī)大學(xué)構(gòu)建成功。標本原型在零下70攝氏度冷凍后橫向切成8556片，每片厚度為0.2毫米。此時國人萬分激動，中國首位女虛擬人誕生指日可待。媒體大肆渲染，稱中國虛擬人提前面世，確切地說，虛擬人的數(shù)據(jù)集的建立還只是萬里長征的開始，虛擬人的誕生還有賴于數(shù)據(jù)庫的建立。拿到這一接力棒的是首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授羅述謙領(lǐng)導(dǎo)的研究小組。
2003年3月3日，研究小組向外界宣布，具有中國人生理特性的女虛擬人初步完成了三維重建。
羅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組根據(jù)第一軍醫(yī)大學(xué)拍攝下的人體切片數(shù)字圖片，將這些斷層數(shù)據(jù)通過專門的三維軟件進行信息化處理，在電腦中組建出三維人體圖像。這項工作更能體現(xiàn)虛擬人研究的特點——生物學(xué)與信息技術(shù)的緊密結(jié)合。這里完全沒有了前期工作的“刀光血影”，研究人員更像是三維圖像的工作者，他們個個是醫(yī)學(xué)專家，同時又精通信息技術(shù)。
在這些“多面手”的晝夜奮戰(zhàn)下，女虛擬人已經(jīng)恢復(fù)了皮膚、外觀、骨骼、盆腔、卵巢的建構(gòu)。羅教授介紹說，將來女虛擬人的肌肉、五臟六腑等主要器官都會逐漸恢復(fù)。預(yù)計在5月份，有關(guān)數(shù)據(jù)還將在互聯(lián)網(wǎng)上公布。
中國的虛擬人計劃在短短一年多的時間里完成了國外三四年走的歷程。不過這些還遠遠不夠，中國虛擬人計劃還不能畫上句號。虛擬人分為“虛擬可視人”、“虛擬物理人”和“虛擬生物人”三個階段。目前，中國僅僅是踏出了“虛擬可視人”的第一步——通過完成數(shù)據(jù)集建立，在電腦里構(gòu)建出一個三維立體的彩色虛擬人體。
與國外相比，中國虛擬人的整體水平并不占優(yōu)，只是個別技術(shù)達到了世界先進水平。虛擬人的神經(jīng)系統(tǒng)還沒有建立，光學(xué)照相技術(shù)還有待提高。美國男虛擬人的內(nèi)臟系統(tǒng)初具規(guī)模，應(yīng)用價值很高，在這方面中國還要奮力追趕。
對于媒體極力宣揚的人體切片厚度，羅教授提出了自己的看法。切片并不是越薄越好，中國虛擬人切片厚度已達到了0.1毫米，而美國男虛擬人切片厚度是1.0毫米，女虛擬人才0.33毫米，這并不代表美國沒有能力切削得更薄。虛擬人的切削和數(shù)據(jù)集建立應(yīng)與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起，充分考慮其實際作用。如果出于整體構(gòu)建虛擬人的考慮，切到0.1-0.2毫米已經(jīng)足夠了，因為沒有一個應(yīng)用單位需要一個完整的切削精度高于0.1毫米的虛擬人。1998年美國將一具女尸只切成5000多片，每片厚0.33毫米，按這種精度，在電腦儲存的數(shù)據(jù)就已高達43GB。這么龐大的數(shù)據(jù)儲存量不是一個單位能輕易承受的。如果每片厚度少于0.1毫米，數(shù)據(jù)儲存量就會更大。如果做出來的虛擬人連一臺普通電腦都看不到、用不了，那又有多大的現(xiàn)實意義呢？
據(jù)了解，中國女虛擬人總數(shù)據(jù)量已經(jīng)達到了149.7GB，相當于750億漢字的存儲量。羅教授的研究小組所用的計算機達到了雙CPU，兩千兆內(nèi)存的超高配置。
切片數(shù)據(jù)的質(zhì)量除了厚度，還要看圖像的清晰度，第一軍醫(yī)大學(xué)所用的是600萬像素的數(shù)碼相機，切片厚度達到0.1毫米以下時，對數(shù)碼相機的要求也會相應(yīng)提升，至少需要2400萬像素。這樣的相機造價很高，對于經(jīng)費不是太寬裕的課題組來說過于昂貴。
——專家呼吁：虛擬人體不是“刨羊肉片＋數(shù)碼相機”
翻開當前的報紙，關(guān)于虛擬人體的報道鋪天蓋地，建構(gòu)虛擬人體的熱情也在高漲。羅述謙教授用學(xué)者特有的冷靜和責任感，給當前胡亂上馬的虛擬人體建構(gòu)計劃一些提醒。虛擬人體的研究是高難度的交叉學(xué)科，涉及到解剖學(xué)，精加工，光學(xué)，信息科學(xué)等一系列學(xué)科，人體又是一個復(fù)雜整體，由1000多萬億細胞組成，僅人體的神經(jīng)系統(tǒng)就約有1000億個神經(jīng)元，沒有很好的技術(shù)積累無法完成高質(zhì)量的虛擬人體。搞虛擬人體不是“刨羊肉片＋數(shù)碼相機”。
中國雖然人口眾多，但是有一男一女高質(zhì)量的兩個虛擬人就可以滿足各種研究了。人們還記憶猶新的納米熱，虛火過后，才發(fā)現(xiàn)做了很多無用功，勞民又傷財。
——什么是虛擬人
虛擬人并不是真人，而是在電腦里合成的三維人體詳細結(jié)構(gòu)�？茖W(xué)家所做的工作就是先要選取一具尸體，將尸體冷凍，用精密切削刀將尸體橫向切削成0.2毫米薄片，并利用數(shù)碼相機和掃描儀對已切片的切面進行拍照、分析，之后將數(shù)據(jù)輸入電腦，最后由電腦合成三維的立體人類生理結(jié)構(gòu)。隨后科學(xué)家將把數(shù)據(jù)、生物物理和其他模型以及高級計算法整合成一個研究環(huán)境，然后在這種環(huán)境中觀察人體對外界刺激的反應(yīng)。不過這位“虛擬人”沒有感覺和思想，但他們的生物數(shù)據(jù)和人相同，主要將運用于臨床醫(yī)學(xué)，開展無法在自然人身上進行的一系列診斷與治療研究。
——虛擬人的用處
一、醫(yī)學(xué)參考：有利于培養(yǎng)優(yōu)秀外科醫(yī)生。以往要想成為一個手到病除、技藝高超的外科醫(yī)生，都要通過師傅帶徒弟式的反復(fù)實踐，在病人身上練習(xí)操作技術(shù)，現(xiàn)在有了虛擬人，就可以在電腦操縱的虛擬人體模型上培訓(xùn)外科醫(yī)生。在動手術(shù)之前，也可以先在虛擬人的身上開刀，電腦上會顯示刀口斷層及組織斷面，為醫(yī)生制訂術(shù)前計劃提供科學(xué)參考。
二、制藥實驗：有了虛擬人，醫(yī)生和制藥公司就可以先在與病人身體數(shù)據(jù)一模一樣的虛擬人身上試驗新藥，醫(yī)生可以先將藥物影響數(shù)據(jù)輸入電腦，讓“虛擬病人”先試“吃”一下，電腦里的“虛擬病人”會顯示服藥后的生理反應(yīng)，從而協(xié)助醫(yī)生對癥下藥。這種方法可以提高用藥準確性和研制新藥及新藥上市的效率。相關(guān)實驗已經(jīng)在美國開展。
三、軍事應(yīng)用：虛擬人在軍事醫(yī)學(xué)上也很有價值。比如，可以用虛擬人來試驗核武器、化學(xué)武器、生物武器的威力�，F(xiàn)在的核爆炸試驗都是利用動物進行。試驗前在離核爆中心的不同距離放置動物，核爆后再把動物收回來檢驗。有了虛擬人就可以直接拿她來做試驗。
四、腫瘤治療：放射治療是目前治療腫瘤疾病的一個重要手段，但由于現(xiàn)在做放射治療的醫(yī)生只能憑經(jīng)驗進行輻射量的調(diào)節(jié)，病人往往擔心在此過程中受到過量的輻射�，F(xiàn)在有了虛擬人，醫(yī)生就可以先對虛擬人作放射治療，通過其身體的變化來測定實際輻射量的使用，最后再用到真正的病人身上。這樣就進一步提高了治療的安全性。(郝婧)
