数字人体与医学

数字人体与医学 毕思文 毕思文研究员，理学博士，北京大学和清华大学双博士后，“数字人(男，8$#<，山东人) : 体——人体系统数字学”提出者。中国医药信息学会和北京医药信息学会“数字人体——人体 系统数字学”专业委员会主任委员。 摘 要:概述了数字人体与医学提出背景和需求，阐述了数字人体与数字化虚拟人的区别;从数字人体信息获取的设 备和技术、数字人体研究 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 、数字人体模型和信息处理等方面介绍了数字人体方法;重点阐述了数字人体的特性;介 绍了数字人体的分类;最后，较全面地介绍了数字人体在医学上的应用。 关键词:数字人体;医学;应用 中图分类号:7%89 文献标识码:F 文章编号:8$$(#)%8$< "":;""!""":";:" 系统。而“数字化虚拟人”或“虚拟人”等研究的对象是现代医学的发展，需要更加完整、清楚地了解人 体，数字人体为其研究提供了非常好的方法和手段; 无生命的人，是将尸体用刀切削为成千上万个人体切 片，然后照相，在电脑里对其进行整合，重建人体三维 使过去认为不可能进行的、结构复杂的人体系统过程 结构。形象地说，也就是将尸体切片“摞”起来，成为一 实验成为可能，它不仅可对未来事件或过程进行实 个“数字化”的人形。按照国外 “数字化虚拟人”研究 验，而且还可对已经发生过的人体系统过程进行反演 专家的设想，该研究包括虚拟可视人、虚拟物理人和 实验。数字人体将改变医学医疗方式，它将在医学研 %个研究层面 ，目前做的工作是虚拟可视 虚拟生物人 究、临床应用和教育等领域展现广阔的前景。 人。与利用活人作为立足点研究的数字人体有着很大 中医药学具有我国医学科学特色，是中华民族优 的差异性;这是“数字人体”与“数字化虚拟人”本质上 秀文化及世界传统医学的重要组成部分，是中华民族 几千年来防病治病经验的结晶，是具有中国特色的生 命科学。8 世纪，传统医学的发展进入了新阶段，中 ! 的区别，如果说有联系，也只是在数字化虚拟技术上。医药现代化成为科学目标。中医药现代化首先应当人 另外，数字人体也做数字化虚拟人体的研究，目的是体系统数字化，抓住中医症候、中医方剂和针灸原理 为了解人体系统在某一时间、空间尺度的情况，但他 三个关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，开展数字人体中医药工程研究，为中 的立足点还是活人。 医药现代化与国际化奠定基础。 在 世 界 上0 美 国 最 早 开 始 进 行 虚 拟 人 的 研 究 。 8$9$年 ，美国国立医学图书馆=6>?发起“可视人计 ’ 划”=3@A?，采集人体横断面的 *B、核磁和组织学数 "!# 数字人体与数字化虚拟人的区别 !据，目的是利用计算机图像重构技术为建造虚拟人体 中国人提出的“数字人体”与当前的“数字化虚拟做准备。从 8$$8年开始进行人体切片的数据库建设 。 人”、“虚拟人”和“可视人”在研究思路和研究内容上 8$$C年 ，美国科学家将一具男尸切成 8 99 个横断面 ;有着本质的区别。首先，数字人体的研究对象是活人， (每片厚度 8 DD);8$$9 年，又将一具女尸切成 # 8$" 是以建立在多时空、动态的人体系统为研究对象，以 个断面(每片厚 "5%% DD)。!""" 年 9 月，美国研究人 人体时时观测、网络和计算机信息处理为主体的技术 员推出超高分辨率数据集，其每一个切片文件为 %! ’&，整个数据集容量在 !"" E& 以上。在可视人数据 集的基础上，!""" 年美国科学家建立了全身皮肤、肌 作者单位:中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验肉、骨骼和心脏等部分器官的三维模型。这样庞大的 室，北京 888 """ 收稿日期:!""#:"8:8;;修回日期:!""#:"%:!9 "57 AA，比国内外同类研究报道的 "5 AA 的切片精 !二代有物理性能的虚拟人体和第三代有生理功能的 虚拟人体。美国国防部已将虚拟人体研究列为非致命 度 提 高 了 7 倍 。 三 是 断 面 图 像 数 码 摄 影 分 辨 率 为 武器研制组成部分。 7 7"" 万像素，而同类研究最高像素为 C"" 多万。四 是每个断面图像文件大小为 C5 &，总数据量达 !:’日本从 年开始实施“虚拟人体 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”。这项 !""! 7 79% D&，这是迄今为止国内外数字化可视人体研 ’计划准备用 7" 年时间，以数万人为对象，进行人体数 究方面所获得的最大数据量。五是灌注血管标识精度 据调查，收集从儿童到老人的各类身体数据。到 !"7" 比已有报道提高了 ! 至 %倍，能清晰显 示管径为 "5! 年完成以 8 岁至 $" 岁的 %9 "" 人为对象的人体 78: AA 小血管。 个部位的测定，制定出日本的人体标准数据。目前，日 本京华医科大学利用 和 <= 影像技术建造了“日 *; ’% 年 9 月，= 和美国国会正式采用数字人 !""6> 本可视人”。 名称;这时，中国从事“数字化虚拟人”和“可视人”的 继美国 3>? 之后，韩国也已经启动可视韩国人 部分专家也改称为“中国数字人”，开始用作者提出的 计划(3@>)，准备完成 9 个人体的测试，!""" 年报道 “数字人体”了。 了其中第一例男性尸体的切片工作，其切片间距为 综上所述，数字化虚拟人在构成人体形态学信息 "5! AA，共有 $ """ 个断面。其数据量为 !7" B&。 研究的实验平台上，为医学、生命科学等的研究和应 德、法、英等国的虚拟人研究侧重点各有不同，英 用提供基础和参考，但是其定性的、线性的系统与实 国的研究侧重于用虚拟人模拟药物在人体中的作用 机制，这样一方面可以减少从实验室到动物再到临床 际人体系统相差甚远。因为，人体是一复杂巨系统，是 应用的时间，另一方面还可取代人体进行药物初测， 由 7 多万亿个细胞组成的复杂整体，仅人的神经系 "" 以避免药物可能对人体造成的损害。 统就约有 7 """ 亿个神经元。而且由细胞构成的组 织、器官间的相互作用及人体与外界环境的冲突与和 7 年 77 月，在第 789 次香山科学会议上提出 !"" 谐等极为复杂人体系统的变化，数字化虚拟人是无法 我国数字化虚拟人体研究的规划和建议。这次研讨会 实现的。 后，“数字化虚拟人体若干关键技术”和“数字化虚拟 此外，数字人体研究所涉及的动态医学图像处理 人体模型构建及海量储存”列入国家高技术研究发展 与分析是精确的定量研究，无论是人体系统结构的精 计划“C%”项目。 : 确重建，还是人体器官、组织状态及与周围器官、组织 !""% 年 ! 月 7: 日，据报道，我国第一军医大 学宣布完成了国内首例女虚拟人的数据采集，获得 : ##C个切片 ，片层间距仅 "5! AA。在广州第一军医 大学采集完成“中国虚拟人女 7 号”原始二维图像数 的关系等，都需要涉及大量的数据和复杂性的计算，据的基础上，首都医科大学课题分组目前已初步完成 这也是数字化虚拟人所无法实现的。所以，基于科学对该虚拟人体整体形态的三维重建，其中包括骨骼系 技术和人类社会发展的需要，提出“数字人体—人 —统及女性生殖系统如卵巢、输卵管、子宫等的重建，取 体系统数字学”理论是有重要的实际意义。 得了经验和成果。 % 年 9 月 日，在中国数字化虚拟人“女性 7 !""! "#，$ ! ! 数字人体方法号”实验数据集获取的攻关中，我国科研人员在完成 世界首例数字化虚拟人男性血管全身灌注和标识实 数字人体主要研究内容包括人体系统物质组成、验的基础上，又将这一创新技术用于女性虚拟人数据 人体系统动力学特征、人体系统骨骼框架、人体系统集实验。这标志着中国专家在数字化虚拟人体研究中 结构特征、人体系统经络变化、人体系统流体规律、人 取得新的进展。 体系统活动响应和人体系统管理决策等。研究方法主 !""% 年 # 月 8 日，第三军医大学数字化可视人 要有数字人体信息获取、数字人体信息处理、数字人 体研究组完成的我国首例男性数字化可视人体数据 体系统模型与计算。 %# 获取数字人体信息的设备和技术 ! *、E 线、& 超、核磁共振等是获取医学影像信息 ; 设备。数字人体信息传输的空间信息基础设施和获取 技术，如 =FGF 和 的信息基础设备、遥感 -.-.HHH !5%5% 数字人体数学模型 拟、大型数据库和流水线图像处理。如日本的模拟器 数字人体的数学模型主要由数学和计算机来实 巨型机，计算速度超过每秒 7 万亿次，为 !""! 年全球 现。主要研究内容有数字人体计算应用学科、计算方 #"" 强之首。因为人体系统过程的模式需要很大的输 入数据场，信息是海量的，包含大量的网格点，且要由 法、科学可视化。围绕着数字人体研究内容，主要从数 很大的程序码来运转，必须在超级和巨型计算机上运 字人体的数论分析、数字人体的非线性微分方程、人 行才能求得满意的结果。此外，几个辐射通道上的高 体动力系统的稳定性、数字人体的并行算法 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与分 9; 分辨率图像(8":8"个像素)的数字化组合和处理也 析、数字人体的自适应、数字人体的随机系统、数字人 需要很强的计算机能力。但是，仅用超级和巨型计算 体的计算几何、数字人体的数值逼近和数字人体的排 机并不能满足数字人体研究的需要，还需要与高性能 队论九个方面来构建数字人体的数学模型。 的工作站相结合。 5%57 数字人体信息模型 ! 数字人体的技术主要有:遥感(<=)、地理信息系 数字人体基础理论中的信息模型是依据人体系 统(>?=)、全球定位系统(>@=)%= 技术、网格计算和数 统能量流、物质流、信息流和人流的性质，其中时空变 值模拟计算对数字人体进行阐述、地理信息的互操作 化特征和运动状态的表征与认识依附于能量流、物质 与 AB.- >?= 规范、海量数据的快速处理与存储技术、 流和人流而存在的，对人体系统信息的机制、信息产 高速计算机信息网络技术、超媒体与分布式空间信息 生、信息获取与处理方法和信息传播规律等进行研 系统技术、数字人体地理信息的分布式计算、数字人 究。具体是从研究人体系统信息机制入手，从信息流 体数据的无级比例尺信息综合技术、数字人体的空间 的角度，探讨人体系统信息的结构和性质、人体系统 数据仓库、空间数据仓库模型与数据挖掘理论研究、 信息的认识和分类、人体系统信息的获取与处理和应 数字人体多种数据的融合技术、数字人体的新技术和 用基础理论等。 数字人体的虚拟与仿真技术等;还包括医学上的 *C、 ,?@:<1A,4-)，是我 人体系统中的分岔，也称分歧(状态的特点，分析如何用有序、无序来标识它们;对自 们分析人体系统演化的主要内容，它研究带参数的人 组织现象进行分类、规范，以使人们对人体系统演化 体动力系统，随参数变化时，定态解个数发生变化的 的这类新现象有一个全面、准确的了解。 现象。定态解个数发生改变对应的参数值称为分岔 !"# 简单巨系统和复杂巨系统不同性质 复杂程度将点，人体系统数字学主要研究分岔点出现的重要条 人体系统分为 = 类:简单人体系统、 件、在分岔点附近解集的构造、对分岔点局部的了解 简单人体巨系统、复杂人体巨系统、特殊复杂人体巨 能否得出有关解集的整体性结论等等。 系统。简单人体巨系统是研究的基础和起点。 人体系统的复杂性，在数字人体研究中，应做到:BCD=，$，C"E 数字人体分类# 把人体系统的非线性当作非线性处理;把人体系 "! 统的远离平衡态当作远离平衡态处理;把人体系统 # 人体系统是一个非常宽泛的概念，它几乎包括了的混沌当作混沌处理;把人体系统的分形当作分形 $ 人体系统的所有客观实在。对于一般人体系统性质、处理;%把人体系统的模糊性当作模糊性处理。组分 数目多到巨型规模，就使人体系统的整体行为相对于 特点的研究通常属于方法论、一般哲学的内容，这种 讨论很难得到具体结果。人体系统是按照研究问题的 简单人体系统来说可能涌现出显著不同的性质。 方法，按照它们子系统之间的相互作用特点等进行分 !"$ 稳定性 类:!按是否有人参与人体系统的形成分为自然系统 人体系统稳定性包括状态稳定性(又称解的稳定 和人造系统;按人体系统与环境的关系分为孤立系 "性)、轨道稳定性、结构稳定性。 统、开放系统和封闭系统;按人体系统内子系统之 #状态稳定性是人体系统局部的性质，是人体系统 间相互关系分为线性人体系统和非线性人体系统;对初值扰动依赖的敏感程度。结构稳定性是讨论人体 $ 按人体系统的状态与时间的关系分为静态人体系统整体结构的变化，讨论人体系统对参数的依赖关 系统 和动态人体系统;%按人体系统演化规律的特系;参数改变时，一般会引起人体系统结构的变化，人 点分为 确定性人体系统和随机人体系统;&按人体体使系统呈现为增加或减少自由度等。结构稳定性要 系统构成 的复杂程度、分析求解方法的复杂程度可讨论当人体系统参数变动时，人体系统结构变化还是 将人体系统 分为简单人体系统和复杂人体系统;’不变化。 人体系统的层 次性:人体系统的层次性是人体系统人体系统结构稳定性通常靠分析人体系统定态 的重要特征。一 个系统是否复杂，主要不是由构成解的稳定性来判断。当人体系统存在多个定态解时， 它的子系统数目的 多少决定的，而是由它所具有的有的定态解是稳定的，有的是不稳定的，这些稳定的 层次性决定的。 与不稳定的定态解的集合形成人体系统一种结构。当 数字人体——人体系统数字学按照学科门类分 参数改变时，人体系统定态解的个数及其稳定性会改 为八大类 CF 个学科。这八大类是:数字人体方法、数 变，也就引起了人体系统结构稳定性的改变。稳定性 字人体理论、数字人体原型、数字人体模型、数字人体 是讨论人体系统演化状态性质的重要内容，对人体系 技术、数字人体工程、数字人体应用和数字人体微观 统的任何状态都可以讨论其稳定性。 研究——量子人体。 !"% 线性、非线性与分岔 线性人体系统与非线性人体系统是基于人体系 统的数学性质给出的人体系统分类，既适用于静态人 ，，体系统，也适用于动态人体系统。在人体系统数字学 BGFC"E $ 数字人体在医学应用 数字人体是当前医药信息学研究的热点之一。信 息标准已经成为数字人体研究面临的首要问题。医院 信息系统因为业务流程不统一、共享数据无标准、医 学术语不规范等原因造成低水平重复开发、系统难以 数字人体用于临床，可提高诊疗和疾病预测预防参考文献: 毕思文数字人体——人体系统数字学总论中国医学影 : < 5:=<5; 水平，进行疾病发生发展规律的模拟;治疗药物的机 像技术，，():""%$">?@5 !;!;制模拟;医学临床教学，如制造人体模型、诊疗训练 毕思文，王秀利数字人体原型——人体系统中国医学 : ! < 5:=< 5等。可增强人体健康，延长人的寿命;用于中医学，有 影像技术，，():!""%;$!;>"?;>>5 利于验证和解释经络、阴阳、脏腑、虚实、气血等的本 毕思文，王秀利数字人体研究的方法论中国医学影像 : % < 5:=< 5质含义;用于生物医学工程，可进行人工脏器、人造器 技术，，():!""%;$%!A$?!B!5 毕思文，汪湘，罗述谦，等数字人体(人体系统数字学)的概 : > < 5官的设计，研制诊断设备、器械设计和医疗设备;用于 念、框架、内涵和应用第九届全国医药信息学大会论文 :<5*体育竞赛的训练，可有效提高运动员的训练水平和竞 集北京:5""5B5 !!技状态;用于智能科学技术，可对数字人体进行模拟、 韩力群，毕思文数字人脑高级中枢神经模型及实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 : # < 5 :=< 5延伸和拓展，创造出具有人类特征的人造生命系统， 中国医学影像技术，，():!"">!";;;>?;;B5 如拟人机器人、娱乐机器宠物等;用于人与环境的关 毕思文数字人体简单巨系统的几种数学模型中国医学 : A < 5 :=< 5 影像技术，，():!""%$;;;>$"?;>$%5 系研究，可通过综合各种环境气候信息预测流行疾病 毕思文数字人体系统演化的分析方法中国医学影像技 : B < 5:=< 5的发生概率和流行趋势，提高抗灾应急的社会效率， 术，():""%0$A"A?A"$5 !;;!;;及早减少疫情影响，尽快完善应对公共卫生危机的三 景东升，毕思文数字人体信息标准化体系和内容研究: @ < 5 :=< 5个机制:预警机制、快速反应机制和信息报告机制，建 中国医学影像技术，():!""%0;$!">;>A?;>$5 立统一的公共卫生事件应急系统平台体系。 毕思文数字人体微观研究——量子人体中国医学影像 : $ < 5:=< 5 技术，，():!"">!"A@%%?@%A5 在“数字人体—人体系统数字学”理论体系研 —毕思文数字人体—人体系统数字学北京:科学出版 —:;"< 5:<5’究构建的基础上，已开展应用示范研究，如:数字人 社，!"">5 体、人脑建模;数字人体信息获取;数字人体信息处 理;数字人体与中医药工程;数字人体可视化技术在 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!?信息动态? “超声彩色成像新进展”及“超声造影临床应用”国家级继续教育学习班开班通知 由复旦大学及附属中山医院主办的国家级继续教育项目:5“超声彩色成像及血流动力学临床应用研究新进展”学习班，编号 ; (国);“肝肿瘤超声造影临床应用”学习班，编号 (国)。拟于 年 月上旬及下旬在上海举 ""#?"$?"?"B5""#?"$?"?">>""# A !!!!!!! 行。学习班将由国内著名超声专家徐智章、张珏华、余见国、张爱宏、王文平、胡兵教授等主讲。讲课内容包括超声诊断原理及最新 进展，腹部、妇产科、泌尿科及周围血管彩色血流的临床分析和误区，肝肿瘤超声造影原理及临床应用等。内容新颖、实用。经授课 及考试后颁发复旦大学继续教育学分证书。愿参加者可先发信或传真索取报名须知。 联系地址:上海枫林路 号中山医院超声科齐青医生;邮编:;电话:转 ;传真:;@" !"""%!"!;?A>">;$$" !>B!"!;?A>!!"%;$