8月7日，中国“数字人”研究联络组组长钟世镇院士在南方医科大学举行的现代临床解剖学进展研讨会上透露，“中国数字人男1号”数据集在南方医科大学构建完成，并成为目前世界上数据量最大、分辨率最高的“虚拟人”。
虽然我国目前的“数字人”家族“人丁兴旺”，这一领域的研究也开展得如火如荼，但对于普通百姓，“数字人”这个概念还好似雾里看花：究竟什么是“数字化虚拟人”？它的研究又与百姓的日常生活有何关系——
“虚拟人”由实体切片而来
影迷不会忘记今年的美国大片《西蒙妮》：男主人公在家“闭门造车”，通过计算机制造出一个全世界的万人迷——西蒙妮。由于能提供视、听、触等直观而又自然的实时感，这个虚幻的数字人举手投足，一颦一笑，都与真人无异，而且西蒙妮泪滴的大小都在制造者的掌控之中。
这只是一个科幻故事。但在现实中，“虚拟人”的面孔已经变得越来越清晰。此次公布的“中国数字人男1号”，是目前世界最高分辨率“虚拟人”。
那么，数字化虚拟人体是怎样完成构建的呢？
首先，科学家从自愿捐献遗体的无重大病史志愿者中筛选出一具尸体标本，将其切成亚毫米级的薄片，利用数码相机或扫描仪对切片切面进行拍照、扫描和存储，之后将图片进行分割标识，建立数据集，再通过计算机合成三维的立体人体结构。科学家把数据、生物物理和其他模型以及高级计算法整合成一个研究环境，并在这种环境中观察人体对外界刺激的反应。
“其实，‘数字化虚拟人’包括数字化可视人、数字化物理人和数字化生理人三个阶段。”863计划该课题负责人骆清铭教授告诉记者，“数字化可视人”是把实体变成切片，然后在计算机中实现三维重建，但没有生理变化；“数字化物理人”，主要是实现物理建模，模拟人体对外界物理刺激的反应；“数字化生理人”则能够反映人体的新陈代谢、生长发育、病理生理变化等，可以用于研究人体疾病的发生机理，预测疾病发展规律，进行各种新药的筛选，以及代替真人进行核试验等冒险活动。他说，现在虽然完成了一个标准男性人体切片图片集的获取工作，但数字化虚拟人工作也只是刚刚起步，还有大量的工作要做。
谁能成为“虚拟人”
虽然“虚拟人”并不是一个真实的人体，但是它最初的数据却都来自于普通的真人，此次的“中国数字人男1号”的标本也是如此。
据介绍，南方医科大学的科研人员在多具自愿捐献的尸体中，挑出了健康的尸体作为切片标本，根据得到标本的先后顺序命名为“中国数字人男1号”、“中国数字人男2号”等。有了尸体标本后，科学家所做的工作就是用精密切削刀将尸体横向切削成薄片，每切下一片，就用高效数码相机和扫描仪拍照、扫描，然后转化成数据，输入电脑，最后由电脑合成三维的立体人类生理结构。今年初，被称为“中国数字人女1号”的我国首例女性数字人数据集在南方医科大学构建成功，标志着继美国、韩国后，中国成为世界上第三个拥有本国数字人数据库的国家。
“中国数字人男1号”尸体标本为一名28岁的汉族健康男性，祖籍湖南，身高1.66米，体重58公斤，没有任何传染病和代谢疾病。该男子今年4月死亡，自愿捐献尸体做科学研究。因为标本质量最好，课题组没有贸然动刀，今年在技术相对成熟后才开始切削工作。
目前，国内共有10个整体数字人数据集，其中4例在南方医大，标本来源分别为两名男性、1名女性和1名婴儿，育龄女性数据集和女婴数据集均是世界首套数据集。这10个数字人数据集分别具有年龄、地区、性别特征。由于每个整体数字人的标本采集、数据建库投入都很大，“究竟有没有必要再建整体数字人数据集，这会不会只是一项重复劳动”是许多人心中的疑问。
钟世镇分析，“虚拟人”数据集有民族性、地区性，目前我国构建成功的整体虚拟中国人数据集可基本满足中国、日本、韩国等人种近似的国家对虚拟人数据集的需求。但整体“虚拟人”的数据集究竟是否足够，还是要从实际应用出发。他说，“人体切片数据集的构建要特别重视质量而非数量，要为应用单位提供优质框架。但随着社会分工的细化，大部分应用单位都对局部更为专注，我们作为数据提供者就要有所针对地促进社会的发展。”
因此，钟世镇认为，今后不仅要有不同特色整个人体的数据集，更需要有针对性，可供各种医学专科开发应用的局部数据集；不仅要有人体解剖学的数据集，还要与时俱进构建组织学、细胞学的数据集。据悉，南方医大目前已完成了13个数字人局部数据集，作为今后虚拟人研究的主要发展方向。
中国“虚拟人”的特色
“你能想象把直径小于1毫米的血管都看得清清楚楚吗？”在生命科学与技术学院的实验室里，骆清铭教授拿出一个玻璃器皿，里面保留着一个完整的肾脏血管灌注标本。每根细小血管都清晰可辨，红蓝相间，细致入微，真可谓“秋毫毕现”。
这是南方医科大学钟世镇院士发明的“人体管道铸型”技术。通过给尸体动脉灌注按一定比例配制的明胶、朱砂和淀粉，使动脉呈现红色，而静脉是蓝色的。一蓝一红对比明显，在计算机对切片数据进行图像分割时能够容易分辨出动脉和静脉。
虽然早在2000年，美国科学家就已经建立了全身皮肤、肌肉、骨骼和心脏等部分器官的三维模型，韩国也早于我国完成第一例具有东方人种特征的人体数据采集，但钟世镇指出，在一段时期内，由于人体动静脉回流原理，人死了动脉内是空的，而静脉内填满了黑色的淤血，国外在对虚拟人进行图像分割时只能看到骨骼、肌肉和脏器，分不清动脉和静脉血管。
“而我们第一例女性数字人就把血管铸型技术应用进去，使中国的数字人显得‘有血有肉’。”钟世镇说，“我们的人体血管铸型技术比较好，把它与计算机结合起来，可能在数字人的研究上取得较大优势。”
“这绝对是世界独有的。利用该项科技成果制作人体标本，可使中国数字化虚拟人体具有较高的起点。”骆清铭说，心脏冠状动脉可显示到3级血管，肾脏可显示到4级血管，头部血管切片中能见到头皮的微小血管及头发毛囊。如果在虚拟人身上做模拟手术，医生就可以清楚地分出动、静脉，知道哪根血管不能破坏，对手术有重要指导意义。
让“虚拟人”替你吃药挨刀
虚拟人究竟能干什么？这是所有老百姓最关心的问题。
“不是有很多美容官司吗？有了‘虚拟人’在计算机上虚拟成像，产生预期效果，人们在进行美容手术时就会有信心得多，官司也会减少。”钟世镇解释，“虚拟人的生物数据和人类一模一样，这样一来，虚拟人在医学、航天、航空、影视制作乃至军事等领域都有着广泛的应用价值。”他举例说，比如人类在进行汽车制造时，可先在虚拟人身上进行汽车碰撞实验，将各种影响数据输入电脑，得出怎样的汽车能对人体有最大保护才下线投产。相信有了数字人技术，汽车制造能从目前出厂前的真实碰撞80架次，减低到3架次。专家认为，从长远来看，虚拟人在医疗卫生领域的应用非常明确。通俗地打个比方，有了虚拟人，“他”就可以替人类“吃药挨刀”。因为虚拟人可以将个人的所有人体信息收集储存在电脑里，开处方前，医生先将药物影响数据输入电脑，电脑里的“虚拟病人”就会显示服药后的生理反应，从而协助医生对症下药，这就为疾病诊断、新药和新医疗手段的开发提供了参考，促进新一代医疗高新技术产业的形成。
上海中医药大学经穴形态解剖教研室余安胜教授等研究人员，采用中国人体定穴标本的断面切割方法提取数字化可视人体基础数据，经图像配准、三维重构，建立了我国穴位组织形态数据库。从人体三维重构的任意切面上，可以观察穴位各层次结构的顺序变化，模拟不同针刺方向下各组织结构的变化。穴位组织形态三维重构，可为我国针灸这一传统医学的研究和发展提供有力的工具。
另外，随着医学影像技术和计算机应用技术的发展，以引导手术为标志的数字化技术被引入医学领域。由于数字化虚拟人体数据集所获得的人体解剖图像较CT、MRI医学影像具有更高的清晰度，可以反映人体组织结构的不同颜色，因此将更有利于准确标定靶点和指示手术途径。
除此之外，利用“虚拟人”还可以模拟肿瘤病灶生长或治愈过程，并进行手术三维模拟、血流动力学模拟、药物动力学模拟等。在虚拟人身上“开刀”，还解决了医学教学中解剖标本有限的问题，从而为教学与临床提供形象而真实的模型。
浙江大学现代工业设计研究所在计算机辅助工业设计与概念设计方面处于国内领先地位。今年，该所成立虚拟人与新媒体研究小组，主要研究方向有虚拟人的建模、运动编辑、运动控制及行为模型等。目前已开展“三维虚拟服装展示系统”和“面向编钟乐舞的虚拟人舞蹈动作编排系统”的研发工作。
据悉，我国数字人数据集的研发已率先向应用性方向发展。国内已有近150个科研单位合作对数据集进行开发研究，领域涉及医学、艺术、航天、汽车工业以及人机工程等。数字人产业化也提上了议程。但是，从总体上说目前世界数字人的研究还只是刚迈进“数字物理人”阶段，离真正意义上的“虚拟人”还有很长一段路要走。本报综合新华社、《科技日报》报道
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中国“虚拟人”切数据世界之最
刚完成数据集的“中国数字人男1号”切削时间为27天。该数据集采用的切片断面为0.2毫米，共切削为9215片，高效数码相机像素达2200万，图像分辨率为4040×5880，是目前世界上0.2毫米虚拟人切削中分辨率最高的数据集。此外，按60兆一帧释放，该数据集的数据量超过540千兆，为世界之最。
“中国数字人男1号”0.2毫米的切削间距，与世界目前公布的各种数据相比，具有明显优势。但是否就说明我们所掌握的数字人技术就是世界第一？对此，钟世镇院士认为，“数字人”并非切得越薄越好，片层精度的厚或薄取决于实际应用的要求。
“切片建模是数字人研究的基础，但不是数字人研究计划的全部。”钟世镇解释，“看上去我们的切片距要比美国、韩国的小，但实际上目前的切片技术已可达到纳米级，要切到多细都可以，关键是我们有没有必要对标本进行这样的切割。”
他说，切削精度应是按需切削，切削和数据集的建立应与实际应用紧密联系在一起，充分考虑其实际作用。例如，局部器官数据集，如骨头、脏器等提供给应用单位，该“数字人”的切削精度为0.2毫米就足够了，没有必要追求更薄；但如果应用单位做的是内耳膜手术，则要求更为精细的切削片面距。
“另一方面，目前我们以0.2毫米的切片距进行切削，数据量已达540多千兆，对计算机存储负担来说，已经很大，如果再细一点，数据量就会更大，很多研究单位的电脑都运转不了这么庞大的数据集。这些都是我们作为研究者所必须考虑到的。”钟世镇说。
在获取人体切片图片集后，就要对图片进行预处理，先配准，再分割、标识，从而建立人体结构数据集，然后三维可视化，这也是华中科技大学主要承担的工作。6月底，由骆清铭领导的24人科研团队刚刚结束了“百日大战”。在3个月的时间里，他们终于完成了数字化虚拟人海量数据集的构建与管理工作。据《科技日报》
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“数字化虚拟人”诞生史
“数字化虚拟人”这个概念由美国科学家于20世纪末提出，并率先进行研究。它的含义是把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过大型计算机处理，而实现的数字化虚拟人体，可代替真实人体进行实验研究的技术平台。在此之后，世界许多国家都予以高度重视，特别是西方发达国家一直积极酝酿，或启动专项研究计划。
1989年美国国立医学图书馆最先提出“可视人计划”，于1994年11月完成。先后获得一男一女两组断层光学照片数据，以及CT和MRI断层扫描图像。男性共有1878个横断面切片，女性共有5190个横断面切片，片层间距分别是1.0毫米和0.33毫米。男性数据量15GB，女性为30GB。从1996年开始，美国酝酿“虚拟人创新计划”，设想将人类基因组计划和可视人计划的研究结果结合起来，完成人体的物理建模，能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应。1997年“生理人计划”提出开发有助于对细胞、器官、有机体整体功能理解的数据库和数学计算机模型的设想。其目标是统合生物物理、生物化学和生理学的研究成果，对性质和功能做出预测。上述计划的总和可概括为美国科学家联盟最近提出的“数字人计划”，它的目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟，被认为是有史以来最雄心勃勃的研究计划。
中国的“数字化虚拟人体若干关键技术”研究，于今年在北京香山科学会议上提出，目前是国家“863”重点项目。今年7月，第一位“虚拟中国人”诞生。如果将中国数字化虚拟人研究定义为有中国人特征的人体信息的数字化，则包括了几何模型、物理模型和生理模型（分别称为数字可视人、数字虚拟人和数字生理人），并将与基因组计划相配合。
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。中国人口占世界的1/5，人力资源庞大。研究和开发有自主知识产权的数据集，建立起自己的完整的多层次的人体模型，将具有重大的社会经济意义。据《科学世界》
