数字化人体技术与体育专业理论课教学

王友华,田振军

(陕西师范大学体育学院,陕西西安710062)

数字化人体技术与体育专业理论课教学

王友华,田振军

(陕西师范大学体育学院,陕西西安710062)

文章综述了近年来数字化人体的研究现状和发展趋势,其目的是把数字化人体运用到体育专业理论课教学,从而促进教学效果和教学质量,以利于培养体育科研工作者更好地进行体育科学领域的研究。

数字化人体;三维图形;体育理论课;教学效果

数字化虚拟人指的是把人体的结构以数字的形式表达出来,然后利用计算机进一步研究人体的微观结构及生化特征[1]。利用信息技术实现人体从微观到宏观的精确模拟,将对医学、生物学及其他人体相关学科的发展产生难以估量的影响。“数字化虚拟人”是可视人体项目、虚拟人体计划、数字化人体这三个部分统称,是通过先进的信息技术与生物技术相结合的方式,在计算机上模拟操作可视的模型,从而得到虚拟的人体解剖结构、组织的物理学特性及人体生理生化等静态和变化性信息。

虚拟人体的研究始于1989年美国发起的“可视化人体计划”(visible human project,VHP),其采集人体横断面的CT、核磁和组织学数据,利用计算机图像重构技术为建造虚拟人体做准备。该项目的整个数据集容量在200GB以上[2]。该数据集在人类医学史上是空前的,它从根本上改变了医学可视化的模式,为虚拟世界进入现实医学敞开了大门。目前,美国、德国、日本等地的许多高校、医院和科研机构已在此数据集的基础上进行了大量临床应用研究,并在很多方面取得了显著的成就[2]。

人体结构的三维成像构造或数字化人体的概念是在医学领域提出来的。利用三维或高维内科成像将人体组织的事件储存为一个三维数据库,再利用计算机技术将人体或人体的组织构建成三维的图像。这样就可以在数字化的人体中进行对真正人体或人体的组织的回顾性观察和分析,而且这种操作通过现代的计算机网络系统可以远程进行。

1 数字化人体的研究内容

虚拟人是科学家在电脑里合成的三维人体结构。科学家首先要选取一具尸体,将尸体冷冻,用精密切削刀将尸体横向切削成0.1mm左右的薄片,并利用数码相机和扫描器对已切片的切面进行拍照,分析之后将数据输入电脑。最后由电脑合成人体三维生理结构。通过计算机技术在电脑屏幕上出现可视的能够调控的虚拟人体形态。随后科学家进一步将人体功能性信息加以数字化转变为电脑语言赋加到这个人体形态框架上,把数据机进行生物、物理和其他模型以及高级计算法整合,成一个研究环境。经过虚拟现实技术的交叉融合,通过操作者的调控,使这个(虚拟人)模仿真人作出各种各样反应[3]。

数字化虚拟人[4]构建一般分为4个步骤：①可视人(Visible Human),从几何学角度定量描绘人体的解剖结构,属于“解剖人”。②物理人(Physical Human),在“可视人”基础上,考虑人体组织的力学特性和形变等物理特性。③生理人(Physiome Human),在“物理人”基础上,包括生理特性的数字化人体称为“生理人”。④虚拟人,研究人体微观结构及生化特性。虚拟人应能最真实、最深入地从解剖、物理、生理、生化,从宏观到微观,从表象到本质全面反映人体的交互数字化人体。数字化虚拟人体,是将人体结构及功能数字化,通过计算机技术,在电脑屏幕上出现可视的、仿真的模拟人体。但这4个阶段不一定截然分开,各个阶段的内容,也可能交叉重叠。因此数字化虚拟人体的模型除了包含基本的几何学角度定量描述的人体解剖结构外,还应考虑人体组织的力学特征和形变等物理特征,并进一步加入人体的功能。生理特性,以便能够从虚拟模型中分别提取从基因、细胞、组织、器官直至人体的数据,并在此基础上建立人体的各种生理模型,如皮肤模型、肌肉模型、骨骼模型、心脏模型、呼吸系统、循环系统模型等等。

2 数字化人体的研究进展及我国开展数字化人体的研究情况

2.1 国际数字化人体的研究进展

1989年美国国立医学图书馆发起“可视人计划”(Visible Human Project,VHP)。开始获取一男一女两组的光学照片数据,以及CT和MRI断层扫描图像。男性共有1 878个横断面切片,女性切片数为5 190,片层间距分别是1.0mm和0.33mm。CT层间距1.0mm,片内分辨率为512×512,12级灰度;M RI片层间距4.0mm,图片分辨率为256×256,12级灰度。1995年推出的组织切片数字化的分辨率为2 048× 1 216,24级彩色,数据量男性为12GB,女性为30GB。2000年8月推出分辨率为4 096×2 700的数字化数据集,每一个切片的文件大小为32MB。VHP数据集已经发放了1 500套许可证。在英国、意大利、新加坡和日本建立了VHP镜像站点。1999年10月,美国橡树岭国家实验室着手“虚拟人体计划”(Virtual Hu-man)[5]。主要是采用已获得的VHP数据,编制虚拟软件模型,模拟人体机能,目前为器官级。2001年美国科学家联盟(FAS)提出数字化人体(Digital Human)项目,旨在建造最完整的数字人体信息库。“数字化人体”总框架中包含VHP数据集和辅助数据集(MRI、CT、PET、常规放射学和解剖学)、虚拟人体的解剖层次、疾病和综合征的临床信息基础、相关的医学知识(胚胎学、大体解剖学、显微和巨微解剖学、生理学、生物化学)以及不断扩展的工具和产品,也计划将“数字化虚拟人体“计划与”人类基因组计划”的研究结果结合起来,保持美国在生物学、医学、军事等一系列领域未来50年领先。目前,德国、英国、法国等均已开始“数字化虚拟人体”研究。一些亚洲国家积极开展基于亚洲黄种人的可视人计划。如韩国于2000年启动了“可视虚拟韩国人”计划(VKH),其目标是完整获取CT、MRI断层扫描及0.2mm精度的组织切片数据。该计划准备用5年时间,完成4个人体的测试,目前已经完成一个人体,其数据量为210GB。这是世界上第二个国家级的完整计划,也是第一例东方人种特征的人体数据采集。日本于2002年启动为期10年的人体测量国家数据库建造计划,收集从儿童到老人的各类人体数据。

2.2 我国数字化人体的研究状况

随着人类基因组计划的顺利实施,中国科学家开始启动“数字化虚拟人体”研究。在2001年召开的香山科学会议上,专家集中研讨了“中国数字化虚拟人体的科技问题”,并提出利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和机能的数字化、可视化,最终达到人体的整体精确模拟[6]。数字化虚拟人体涉及到一系列基础科学问题和关键技术,极具挑战性,备受世界关注。目前我国在许多方面已有较多研究积累,另外,由于现代化医学成像设备、高性能计算机和高速网络的出现,我国开展虚拟人体研究所必需的软硬件条件已基本具备[6]。我国的多位计算机专家和医学专家就我国“数字化虚拟人体计划”提出了具体构想和目标,在现有成果基础上,首先获得能反映东方人特征的各种标准数据,完成我国人体特征的男女两个数字人体数据库,“制造”一个具有我国人体的骨骼、肌肉、器官和血管特征,并完全按照真人数据进行模拟的人体三维电脑模型。2002年我国将“数字化虚拟中国人”列入“863”计划项目之一,切片厚度将精确到0.1mm[7],这虽然将极大提高图像的精度,但也为后期数据储存和处理带来不可忽视的挑战也提出了新的设计和组装方案,确定了工艺路线。可以预见,“数字化虚拟中国人”一经问世,其技术水平必将达到国际先进水平。中国科学家登上数字化虚拟人体的科技舞台的切入点是要努力解决国际上尚未解决的科学疑难问题,血管灌注是尚未解决的问题之一。钟世镇[8]院士创立的具有世界水平的管道铸型研究中国学派的成就,成为发展中国数字化虚拟人体的契机和指导。在中国数字化虚拟人女性1号实验数据集获取的攻关中,在世界上首次完成血管全身灌注实验。在血管灌注方面取得重大的突破。我国经过一年多的努力,由中科院计算所、第一军医大学临床解剖学研究所、首都医科大学生物医学工程学院、华中科技大学生命科学与技术学院共同协作,首先完成了虚拟人体有关关键技术的研究任务。在标本切削加工、冰库改建、血管显示、数据采集等方面,在前人的研究基础上有所提高和改进[9-13]。

3 数字化人体在运动人体科学专业理论课教学中的应用

运动人体科学是一门以人体在运动中结构、结构变化为研究领域的科学,其研究的目的在于充分认识运动对人体结构、技能影响的规律,并用这些规律服务于运动实践和大众健身。数字化虚拟人体第一阶段“解剖虚拟人”,可满足体育专业院校教学的应用,在体育专业院校教学中开设有运动生物化学,运动人体解剖学,运动生理学,运动保健学,如保健按摩手法、部位、针灸穴位,经络走向等均可通过虚拟解剖人动态展。这些基础课是运动人体科学研究的基础,只有打下扎实的基础,才能顺利地进行更深层次的研究。数字化“虚拟解剖人”在运动人体科学的专业课教学方面具有优势。本文仅从运动人体解剖学教学和体育保健学教学进行论述。

3.1 数字化人体在运动人体解剖教学中的应用

运动人体解剖学是体育专业的主干课程之一,是其他专业课的基础。所以提高运动人体解剖学的教学效果,对培养厚基础[14],宽口径,重能力,高素质的专业人才起者相当重要的作用,同时,运动解剖学又是医学分支学科,涉及到医学领域的诸多方面,学生学习起来较为抽象,采用数字化人体进行教学,不但能克服传统教学的不足。如粉笔、黑板、媒体等通过教师的板书和学生的笔记,可刺激大脑书写记忆中枢,信息在大脑和笔记之间可长时间保留,但教学费时费力。挂图媒体直观性好,但与显示结构的真实性之间还存在着一定距离,且不能给学生一个空间三维结构概念。模型教学空间结构好,但与真实标本之间距离太大,模型只是理想化了的结构特征。真实标本虽可祢补上述不足,但真实标本费用较高,它的维护较浪费人力物力,并且人体各器官、组织的超微结构学生不能清晰的看到,更谈不上各循环系统的动态变化,有时真实标本的有限性,又给学生的课时安排和教师的课时量带来负担。

数字化虚拟人体要经历三个阶段,既“虚拟解剖人”,“虚拟物理人”,“虚拟生理人”,目前进行的是基础性工作,是第一阶段建立“虚拟解剖人”的阶段,是通过人体切片的三维重现得以实现,日本Jikei[15]大学高维医学成像研究所一直致力于医学上虚拟现实的应用研究[16],最近研制了一套虚拟3D人体解剖图系统。采用真实3D人体数据(包括4D心脏动态图像数据)建立虚拟3D人体环境。从这个完整的3D人体结构中可以交互式提取器官的解剖信息,如器官的位置、3D形状、体积等。这个系统有三个特征：用正常人体3D数据构造了两个虚拟3D人体模型(虚拟男人和虚拟女人);建立一个4D动态心脏以便于观察心脏的跳动状态;加上了与器官解剖结构相关的颜色和纹理信息以便于逼真地显示解剖结构。使用者可以深入地理解器官的3D形状和相关位置,快速的得到某个部位的解剖信息和在人体中的位置。只要在虚拟3D人体中指定一个位置,就可以快速地选择2D切面图像,并且视点可以自由改变。

美国的VHP技术具有多方面的功能,清华大学生物医学工程研究所是国内第一家购买全套VHP数据集的单位。利用该数据集[17],医学信息研究室进行了虚拟人体解剖学教学系统的研究工作。它的目标之一是应用VHP中的CT数据生成全身骨骼模型,制作本地和远程的数字化人体骨骼系统教学软件。该项目分为如下几个部分：①二维骨骼数据的分割;②用V TK对预处理后的二值数据进行三维重建及系列处理,改善三维数据模型的效果,使其符合后续系统的要求;③利用V TK输出三维数据,在OpenGL和VRML中分别完成本地和远程的解剖学教学功能。数字化虚拟人体在人体解剖教学中还可进行个性化服务[18],如德克萨斯技术大学开发的基于PC的解剖学教学工具,可以更具学生的需要而产生VO I(volume of interest)级学生感兴趣区。学生可以储存自己感兴趣的结构或部位的名称,解剖系统,身体部位或者结构可见度存储并进行添加或者移除。除了典型的交互式操作比如旋转、平移、缩放等用户还可以通过三维标签,突出显示,从任意角度切入观看解剖结构的空间结构关系。这样为学生提供了个性化交互的学习工具。数字化人体教学不但能提高学生学习的兴趣,使学生头脑中建立清晰的三维人体结构,而且可动态地观察各组织器官系统的超微结构和动态变化。让学生更完整、全面地掌握中枢神经系统解剖方面的知识。中枢神经系统解剖学中教学难度最大,学生较难理解的部分,采用层层解剖的表现手法,以便清晰的看到重要结构的位置关系;采用实际标本和数字化虚拟三维人体模型相结合,使结构关系更加明确,便于学生理解;脑神经核采用三维立体动画和模型实物标本半透明映射法,生动展现了脑干表面及其内部核团的关系;传导通路则采用闪光流动的动画显示。肝小叶的位置不易掌握,利用数字化人体可以使肝小叶的位置和结构清晰可见。利用数字化虚拟人体进行人体解剖学教学生动直观,即拓宽了学生的知识面,又开阔了学生的视野,将可能使学生对此门功课打下扎实的基础,从而有利于以后更好地进行运动人体科学研究。

3.2 数字化人体在体育保健学教学中的应用

体育保健学作为运动人体科学专业的主干课程之一,教学中,针灸和推拿按摩是此门学科的重中之重,中医针灸和推拿医术是获得全球众多医生的认同和证明应用性较强的学科,有着悠久的历史,其独特的针灸理论和实践却是一个庞大且复杂的课题。中医针灸和推拿按摩对减轻运动疲劳,治疗运动损伤,提高运动能力有重要作用。基于中医针灸对运动能力的巨大影响,给体育保健的教学提出了挑战。在人体上观察穴位的具体位置比较抽象,由老师的口述只能确定穴位的大概范围,而不能观察到穴位的三维立体结构。针灸穴位的准确定位以及进针的角度、深度、方向会直接影响着针刺的功能和疗效,所以针刺者要熟悉进针的解剖层次结构。并且中医针灸的行针都很有讲究,同学们不能建立穴位的三维立体位置,因此掌握起来比较困难。有时学生练习针灸,在老师指导下直接在人体上进行练习,这样难免存在一定的风险,数字化人体可很好地解决这些问题,在“虚拟人体[19]”上,人们可以精确地进行穴位定位,可以探索穴位的层次结构、断面结构、CT断面结构,以及探索穴位大体空间形态学方面的特征,也可以与针灸子午流注、灵龟八法、飞腾八法选穴等内容相结合。三维重构图像数据库和三维重构软件及相配套系统[20],可以在计算机屏幕下对人体部分组织沿任何方向进行组织切片,并可获得彩色图像。最终能通过三维虚拟环境,学生可以任意定位、转动和观察虚拟人体穴位的内部结构。从而达到提高学生对人体各穴位结构加深了解的目的。其次在传统教学实践上,针灸学习者必需通过在真人身上训练其针灸技能,而这样的实体训练极具风险,并可能危机人体。最近,香港中文大学“学习与训练中国针灸技术的智能虚拟现实环境”项目[21]正式启动。学生将在一个三维交互式虚拟环境中学习和练习针灸。该环境提供一个具有弹力的接口,让学生真实感应到针尖插入时的反弹力。他们不但能亲眼目睹而且能够触摸到他们的“病人”。与此同时,高性能的计算器会灵活处理大量的信息,并将之可视化,继而把人体经络上的针灸点明亮地显示出来,引导学生测试其针灸技术。另外,此研究将会设计和开发一个专家系统,训练学生利用针灸来治疗和处理各类疾病。智能虚拟现实系统提供一个低风险、高效能而又趣味浓的学习环境。所以,对人体全身穴位进行三维重建成为一项新兴的课题,国内已有学者运用计算机图像数字处理技术重建人体针灸穴位应用解剖立体结构,在计算机上显示穴位的三维图像和多方位的立体结构,指导科研工作者正确掌握针灸方法。同时制作出“中国针灸穴位人[22]”。推拿按摩[23]是我国古代医著中已包含着一些朴素的康复医学思想和独特的康复医疗方法中的一种。推拿的特点是以中医理论为基础,结合现代医学、生物力学、保健等学科,凭医者熟练的手法技能作用于人体,具有较高的保险系数和安全系数,对疾病有相当广泛的适应性。不同的按摩手法有不同的作用,如重叩、重揉捏起兴奋作用,而轻按摩、轻揉捏起抑制作用。中医推拿手法是推拿治病的决定因素。以往,推拿手法的选择几乎完全取决于老师的个人经验和习惯,缺少客观的科学分析和比较。由于没有直接可视化的观察和研究手段,很难对某种手法的优劣做出客观的评价。李义凯等[24]利用生物力学和计算机三维重建技术相结合,显示不同的颈椎旋转扳法和牵引对颈椎间盘髓核内压力明显不同,并进一步结合其对正常和患者脊椎关节的影响,有可能阐明旋转手法作用机制,进而提高脊柱推拿手法的准确性和安全性,并为研究推拿手法开辟一条新途径。将这些功能附加到数字化虚拟人体上,可以从三维立体的人体肌肉和骨骼观察推拿按摩手法对肌体的影响,将有助于更好地掌握推拿按摩的手法和探索推拿按摩对肌体的内在作用机制。

因此用数字化虚拟人体进行体育保健学中医针灸和推拿按摩方面的教学,可以克服以前教学中存在的不足,对提高教学效果将起到事半功倍的作用。使同学们在此方面打下扎实的中医针灸和推拿按摩的基础,从而能更好地促进运动人体科学在体育保健学方面的研究。

4 小 结

数字化虚拟人体作为人类进行科学研究的工具,必将架起从教学通往科研的桥梁。同时其在运动人体科学专业理论课教学方面将大有用武之地。数字化人体[25]构件的多种虚拟人体模型在医学教育,临床和科研中得到广泛的应用,以非线性为特征的医学图像处理技术(包括分割、配准、融合和重构等),给予新一代的intenet和卫星传输的医学远程教育和远程医疗,各种新型的图案三位浏览软件平台,医学多媒体技术等都获得巨大的发展空间。数字化人体应用于教学增强了教学的可视性、直观性和新颖性,可展示人体的骨骼和肌肉,心血管系统、呼吸系统、循环系统的运作过程均可动态展示。保健按摩手法,部位,针灸穴位,经络走向,均可从不同角度、三维立体空间进行观察宏观到微观的不同断层的结构。利用数字化人体进行教学可增加现场感,给学生以实践机会,从而促进学生能力的培养。数字化人体和网络技术的结合从根本上改变了教学信息的传授方式、对教学方法、教学手段、教学观念和形式的改革产生了巨大的影响。既发挥了老师的主导作用,又体现了学生的认知主体作用。教学生动,图文并茂,花费较少学时,获得较多信息量。同时学生自己能进行交互式操作、学习,调动了学习的积极性,还有利于激发学生的空间思维和想象力,培养具有创新能力的“复合型”人才。

数字化人体和目前的生理人体相比较具有明显的优点,通过数字化虚拟人体,人体的每一部分和每一事件都可以通过数据库得以重建,可以通过网络系统将3D数据传递到一个偏远的地方对人体进行虚拟解剖。数字化三维人体数据为医学研究、教学与临床提供了形象而真实的模型等,为疾病诊断、新药和新的医疗手段的开发及人类活动的多层次应用提供参考。另一方面,目前,人体的三维数据库还不完善,人体的同一部分利用不同的工具和方法测量所得到的数据也不尽相同,所以还需要找到一个标准的方法来使之平衡;再者,目前的设备还不能完全实现这一数字化人体的构建,只能完成某些组织的三维成像构建。利用计算机图像技术与临床解剖学相结合,实现人体从微观到宏观的结构和机能的数字化、可视化,完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以至器官的形态与功能,最终达到人体信息的整体精确模拟。这些研究还需要一个长期的过程。相信随着数字化人体技术的不断完善,其在体育专业理论课教学中将大有用武之地。

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Digital Technology of Human Body and Theory Course Teaching of Sports Professional

WANG You-hua,TIAN Zhen-jun

(Department of PE Shanxi Normal University Xi’an,710062 China)

This article summarizes the current research situation and development trends of the digital human in recent years.Its purposes are to apply digital human to the professional theory lesson teaching of science of the sport physical,thus promote the teaching result and teaching quality,make the students make the well-kint theoretical foundation.In order to benefit scientific researcher of sports physical do better in their afterwards work.

digital human body;three-dimensional figure;sports professional theory course;teaching result

G804

A

1004-3624(2010)05-0096-04

陕西师范大学“211工程”重点建设学科——运动生物学重点学科建设项目资助

2010-04-19

王友华(1980-),男,河南周口人,博士,主要研究运动人体科学.