中新網(wǎng)3月19日電 前不久，據(jù)媒體報(bào)道，以一名少女為“藍(lán)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(bào)對此進(jìn)行了披露。報(bào)道稱，中國21世紀(jì)是生物科學(xué)的世紀(jì)，因此發(fā)達(dá)國家牽頭的“數(shù)字虛擬化人體”研究項(xiàng)目更成了焦點(diǎn)中的焦點(diǎn)。美國是這項(xiàng)恢弘計(jì)劃的先行者，早在上個(gè)世紀(jì)80年代中后期即投入巨資開始“虛擬美國人”計(jì)劃的研究，并于1994年和1996年相繼推出一男一女兩個(gè)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(jì)劃。

　　——中國虛擬人計(jì)劃應(yīng)時(shí)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(jì)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(gè)極富挑戰(zhàn)性的課題，怎能沒有中國科學(xué)家的身影。同時(shí)還有一個(gè)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(jì)劃”數(shù)據(jù)集開發(fā)的1.8萬多個(gè)解剖結(jié)構(gòu)圖譜在起步階段就售價(jià)3.7萬美元�；�于圖像處理的臨床應(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(xiàng)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(xiàng)生理指標(biāo)。

　　開展中國虛擬人計(jì)劃還要有先進(jìn)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(biāo)本之外，在血管鑄型等人體管道標(biāo)本的制作等許多方面已達(dá)國際先進(jìn)水平，加上中國現(xiàn)代化醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)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(jì)算所李華研究員和首都醫(yī)科大學(xué)羅述謙教授擔(dān)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(jì)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(xiàng)課題相繼列入國家863項(xiàng)目，由中科院計(jì)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(jì)劃進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段。此時(shí)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(jì)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(jì)和組裝方案。與美國和韓國的“虛擬人”相比，中國將放棄對標(biāo)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(dāng)研究小組向哈爾濱刀具廠訂做特制刀具時(shí)，廠家卻犯難了：他們的刀具廣泛應(yīng)用于機(jī)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(gè)西瓜“試刀”，將其切成薄薄的細(xì)片，見識了刀具的“軟功”；再對新西蘭大白兔進(jìn)行切片試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)兔子被急凍冷藏后肢體僵硬，切片效果不錯，甚至可以達(dá)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(jì)算機(jī)儲存和運(yùn)算能力的限制，研究小組決定還是按原計(jì)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(xiàn)遺體的志愿者中篩選出他作為中國虛擬人計(jì)劃的尸體標(biāo)本，取名為“中國虛擬人Ⅰ號”。而美國虛擬人原型曾在15歲時(shí)手術(shù)切除右睪丸，21歲時(shí)切除闌尾，38歲時(shí)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)中國人”，失真度小，更有應(yīng)用價(jià)值。

　　完成虛擬人的建構(gòu)，第一步就是對標(biāo)本進(jìn)行切片處理。研究人員使用藥物對其全身組織進(jìn)行固定，使用明膠、朱砂、淀粉進(jìn)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(shí)就很容易分辨出動脈和靜脈了。這項(xiàng)技術(shù)絕對是世界獨(dú)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(jìn)行圖像分隔時(shí)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(jì)算機(jī)圖像勾邊處理。這種依靠經(jīng)驗(yàn)為主的識別方法，在準(zhǔn)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(xì)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(biāo)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(gè)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(hù)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��？首都醫(yī)科大學(xué)教授羅述謙介紹，男虛擬人計(jì)劃推后是從保證質(zhì)量考慮的。負(fù)責(zé)開發(fā)海量儲存系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)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(biāo)本切出來后無法裝進(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)劃，決定先切女的。中國虛擬人Ⅰ號尸體標(biāo)本完好地保存在醫(yī)院特制冷庫內(nèi)，切削工作已暫時(shí)停止。在此前，已對尸體標(biāo)本的頭、心臟和腎臟3個(gè)部分進(jìn)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(gè)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(rèn)為雖然她不是一個(gè)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(jì)很輕，生殖器官功能完全，是一個(gè)條件很不錯的標(biāo)本。

　　2002年年底，研究小組決定對其進(jìn)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(jìn)行尸體橫斷面的切削。動刀時(shí)，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(gè)人體切片。但是大家不會看到八千多片的人體橫斷面標(biāo)本，因?yàn)橄窦堃粯颖〉娜梭w切片在刀子旋轉(zhuǎn)時(shí)已經(jīng)變無法辨認(rèn)了。要獲得這幾千個(gè)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(biāo)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(biāo)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(shí)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(biāo)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(shí)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(jìn)行信息化處理，在電腦中組建出三維人體圖像。這項(xiàng)工作更能體現(xiàn)虛擬人研究的特點(diǎn)——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(gè)個(gè)是醫(yī)學(xué)專家，同時(shí)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(jì)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(jì)劃在短短一年多的時(shí)間里完成了國外三四年走的歷程。不過這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，中國虛擬人計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)別技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)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(jià)值很高，在這方面中國還要奮力追趕。

　　對于媒體極力宣揚(yáng)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(dá)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(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起，充分考慮其實(shí)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?yàn)闆]有一個(gè)應(yīng)用單位需要一個(gè)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(dá)43GB。這么龐大的數(shù)據(jù)儲存量不是一個(gè)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(shí)意義呢？

　　據(jù)了解，中國女虛擬人總數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到了149.7GB，相當(dāng)于750億漢字的存儲量。羅教授的研究小組所用的計(jì)算機(jī)達(dá)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(jī)，切片厚度達(dá)到0.1毫米以下時(shí)，對數(shù)碼相機(jī)的要求也會相應(yīng)提升，至少需要2400萬像素。這樣的相機(jī)造價(jià)很高，對于經(jīng)費(fèi)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(jī)”

　　翻開當(dāng)前的報(bào)紙，關(guān)于虛擬人體的報(bào)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(zé)任感，給當(dāng)前胡亂上馬的虛擬人體建構(gòu)計(jì)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(gè)復(fù)雜整體，由1000多萬億細(xì)胞組成，僅人體的神經(jīng)系統(tǒng)就約有1000億個(gè)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(jī)”。

　　中國雖然人口眾多，但是有一男一女高質(zhì)量的兩個(gè)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(cái)。

　　——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(xì)結(jié)構(gòu)。科學(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(jī)和掃描儀對已切片的切面進(jìn)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(jì)算法整合成一個(gè)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(yùn)用于臨床醫(yī)學(xué)，開展無法在自然人身上進(jìn)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(gè)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(shí)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(jì)劃提供科學(xué)參考。

　　二、制藥實(shí)驗(yàn)：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(yàn)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(zhǔn)確性和研制新藥及新藥上市的效率。相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jià)值。比如，可以用虛擬人來試驗(yàn)核武器、化學(xué)武器、生物武器的威力。現(xiàn)在的核爆炸試驗(yàn)都是利用動物進(jìn)行。試驗(yàn)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(yàn)。有了虛擬人就可以直接拿她來做試驗(yàn)。

　　四、腫瘤治療：放射治療是目前治療腫瘤疾病的一個(gè)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(yàn)進(jìn)行輻射量的調(diào)節(jié)，病人往往擔(dān)心在此過程中受到過量的輻射。現(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(shí)際輻射量的使用，最后再用到真正的病人身上。這樣就進(jìn)一步提高了治療的安全性。(郝婧)