中国数字人和数字医学研究概述

谢叻 顾冬云 谭立文 唐雷

2003年9月9日，第208次香山科学会议在北京香山饭店举行。会议以“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”为主题，对断层解剖数据获取的关键技术、多光谱探测技术与人体组织信息获取、图形图像处理技术、网格与数据共享、神经与微小器官信息获取以及在医学和相关领域的应用等议题进行了研讨，将数字人数据在医学和其他相关领域的应用提上了日程。就是在这次会议上，钟世镇院士将我国构建的虚拟人数据集、可视人数据集所随意使用的“虚拟人”（virtual human）、“可视人”（visible human）两词统一改为“数字人”（digital human）；并且参照数字地球的概念，将凌乱的“赛博医学”（cyber medicine）、“计算机医学”（computer medicine）等英译名词统一定为“数字医学”（digital medicine）。

此后，随着数字人数据集构建技术的成熟以及各种整体和局部应用器官数据集的不断推出，数字人在临床和其他相关领域得到广泛应用，中国数字医学的应用研究进入快车道。

医学和科学技术

科学技术给人类提供了认知事物的方法，不断革新着人们的思维方式、生产方式和生存方式。得益于科学技术的进步，许多科学技术的成果、手段和方法在医学领域得以应用，医学也因此获得突飞猛进的发展。

科学研究的是事物的客观现象，侧重理论分析；技术研究的是解决问题的方法，侧重实际应用。科学可以重复、推定和验证（证伪），但医学不能重复、推定和验证，只能试验、推断和归纳，因此医学不具备科学的属性、特征和原则，需要依靠科学技术辅助。另外，由于个体差异，生命的很多指标和症状不能够精确定量而只能粗略定性，所以对病症只能通过不断的实践获取经验、摸索前行，医学由此成为一种实验科学或经验科学。然而，人又与物不同，人命关天，吃药做手术不能“试”！

随着科学技术的发展，医学影像已不局限于形态的显示，还可以进一步量化、功能化；不仅用于医学诊断，还应用于临床治疗、手术导航和远程医疗。数字医学就是结合医学影像技术，使传统手术由“开了再看”成为“看了再开”；使手术由不确定的“一锤子买卖”成为“一锤定音”；术前制定的方案使术者心中有数，在术中做到“该留的不切，该切的不留”。

中国数字医学事业，正是借力于现代科学技术日新月异的发展而蒸蒸日上。

中国数字人及数据集的构建

2001年11月5日，以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的第174次香山科学会议召开，第一军医大学（现南方医科大学）钟世镇院士、中国科学院计算研究所李华研究员和首都医科大学罗述谦教授担任执行主席。与会专家从不同的专业研究和应用角度，对数字化人体研究的国际进展、国内目前拥有的技术基础、相关的科学问题和关键技术，以及开展中国数字化人体研究的意义、必要性、可能性和迫切性等进行深入探讨，最后达成共识——构建具有自主知識产权的中国数字化人体数据集。

中国的数字化人体计划源于中国科技工作者对国际科学前沿及其进展的关注。首都医科大学生物医学工程系秦笃烈教授对始于1989年的美国科罗拉多大学可视人计划（visible human project， VHP）和始于1999年的韩国亚洲大学可视高丽人计划（visible Korea human， VKH）进行了长期跟踪。受制于当时的互联网技术，只能采用卫星接收器接受VHP断层数据并将其存储于数千张5寸软盘上，后又备份到六七十张CD光盘中。

秦笃烈意识到数字人的价值，上书时任人大常委会副委员长吴阶平，请求给予“关于数字化虚拟人体计划建议”支持。2001年6月7日，吴阶平副委员长办公室致函卫生部办公厅，请其研处这份来函。6月19日，科学技术部办公厅复函，“鉴于数字化虚拟人体研究的重要性和我国已具备的研究基础”，建议863领域专家和相关主题专家共同讨论“数字化虚拟人体计划”的立项问题，并提示按照相关规定和程序在相关领域申请相关的课题。当年，中国数字化人体计划获国家863计划和国家自然基金的支持。

第一军医大学国家863计划课题组和第三军医大学（现陆军军医大学）国家自然基金课题组在获得立项支持后，立刻马不停蹄地分头投入中国数字化人体数据集采集实验室的建造中，进行人体切削设备的设计制造、图像采集和存储设备以及人体灌注、包埋、冷冻、固定、切削、采集、存储、分割、重建等工艺流程设计[1-2]。经过半年多你追我赶、夜以继日的奋战，两个课题组于2002年分别构建完成具有世界先进水平的中国男女性数字化人体数据集[3]。其中，2200万像素中国数字人男性数据集——“中国数字人男1号”入选2005年两院院士评选的2005年中国十大科技进展新闻。两个课题组共同完成的《中国数字化人体数据集的构建》获2007年国家科学技术进步二等奖。

数字医学的提出

数字医学是一门研究各种现代技术在医学领域的应用规律和发展趋势，探讨计算机科学、信息学、电子学等与医学相互交叉或融合形成的新理论、新技术、新方法和新产品，挖掘基于数字化条件下衍生的新模式、新流程和新机理，探索数字化技术在医学领域的信息采集、处理、传递、存储、利用、共享和实现过程等内容的学科。

2004年12月，《数字人和数字解剖学》出版，这是世界首部关于数字人和数字解剖学的专著。该书原名为《数字人和数字医学》，但在定稿时，主编钟世镇高瞻远瞩地将“数字医学”改为“数字解剖学”，他说：“我们现在刚开始进行数字人和数字解剖学的研究，虽然数字人和数字解剖学将来要一定要，也一定会应用于临床，但目前在临床应用还没有开展或开展不多的情况下，现在就说数字医学，会给应用和决策层带来错觉，并不利于数字医学的长远发展。”最后，仅在该书封面的简介里提到“数字医学……”。这是“数字医学”一词首次在我国正式出版书籍中出现。

中国数字医学会的酝酿和成立

随着数字医学的普遍开展和广泛应用，2005年钟世镇在南方医科大学成立中国第一个数字人和数字医学研究所。随后，第三军医大学数字人和数字医学研究室、复旦大学数字医学研究中心、上海交通大学（简称上海交大）数字医学临床转化教育部工程研究中心、浙江大学数字医疗工程研究中心等数字医学研究机构相继成立，彼此之间随即开展广泛的交流研讨。在上海交大的一次数字人应用小型研讨会上，再次提出成立数字医学会的议题，同时就数字医学的概念、定义、应用和发展展开了小范围的研讨并搭建大致框架，后向钟院士和上海交大数字化制造专业阮雪榆院士汇报，获得两位的支持。

同年7月7日，钟院士带领属下专程赴沪，与上海第九人民医院（现上海交通大学医学院附属第九人民医院，简称上海九院）骨科戴尅戎院士在阮院士办公室就成立数字医学会进行广泛交流。他们一致认为，数字医学会的成立已水到渠成，应尽快成立，这样有利于数字医学的应用和推广，并推荐由时为第三军医大学基础医学院主任、国家自然基金数字人项目课题组负责人张绍祥教授来担纲组建学会。2006年1月14日，钟世镇、戴尅戎、阮雪榆和张绍祥携属下在上海九院戴尅戎院士实验室，就数字医学会筹建的申报、学术预备会议的举办等事宜进行讨论并作分工。一系列与学会成立相关的学术活动纷纷开展：在中国科学技术协会（简称中国科协）第十届年会第23分会场举行的“中国数字医学研讨会”上，成立了以张绍祥为组长、唐雷为副组长的“中国数字医学研究联络組”；以数字医学为题召开了第十一次中国工程前沿研讨会；2007年12月在重庆举办全国首届数字医学学术研讨会；举办2009中国数字医学论坛；出版《科学前沿报告》《工程前沿——数字医学的现状与未来》《数字医学概论》《数字医学导论》等一批专著。

在第十一次中国工程前沿研讨会上，由钟世镇、戴尅戎、王正国、阮雪榆、俞梦孙、朱晓东、李兰娟、傅征和张绍祥九人联名，拟就《成立中华医学会数字医学分会建议书》。会上，戴尅戎就数字医学的定义进行了描述，“数字医学是应用数字化技术，解释医学现象、解决医学问题、探讨医学机理、提高生命质量的一门科学”，得到与会专家的认同。

2011年4月25日获中国科协、国家民政部和中华医学会审查批复，5月21日在重庆召开中华医学会数字医学分会成立大会暨第一届学术年会，宣告中国数字医学会正式成立。

数字人和数字解剖学

手术是门“手艺活”，属实践科学，除对人体结构了如指掌外，还需有丰富的经验和娴熟的技巧。在医学尤其在外科学有着举足轻重地位的解剖学，却在社会进步、人权提升和立法滞后的境遇中举步维艰。标本的匮乏，使医学生少有动刀的机会。没有解剖知识如何了解人体结构，如何积累经验练就娴熟的技巧，如何施展最好的医术？囿于研究技术和装备的欠缺、创新发展空间的逼仄以及工作特性常被忽视，相关人员或流失或研究方向改变，解剖学沦为基础医学中的夕阳学科。

数字解剖学使得临床医学实现源头创新成为可能。它的介入，令外科入路的“由浅入深”改为“由里而外”，腔镜技术由“管中窥豹只见一斑”变为“窥一斑而知全豹”。有了数字解剖学和虚拟现实技术的助力，外科医生在术前“先打个草稿练习练习”不再是奢望。

数字解剖学是采用数字化技术研究人体结构的新兴前沿学科，是临床医学中的朝阳学科[4]。它先将人体结构数字化，再通过虚拟现实技术实现对人的整体、系统、器官、组织，甚至细胞、分子和基因等的精确描述，构建出不同用途的数字化人体模型。其研究目的是建立一个具有目录服务技术和矢量图形图像功能、能随时嵌入各种人体信息、无限接近真实人体的数字化人体系统，从而构建用于解剖的人体结构模型、用于恢复评估的治疗效果模型、用于术式评估的入路模型、用于手术练习的现场模型等。它为医学生和临床医生开辟出一片新天地。

数字医学在临床医学领域的应用

采用数字解剖学和虚拟现实技术建立的个性化人体精准手术模型，具备视觉空间、能够调控、各种物理和生理反应等特质。该模型有着个性化的精细解剖结构，可用于术式和入路的评估、术前的预习和练习、术后的愈后恢复评估以及教学、复盘等。

为骨科手术保驾护航 数字医学技术应用于复杂高难的骨科手术，可提高手术的成功率，使手术更精确、安全，比如寰枢椎的置钉固定。由于寰枢椎所处的部位非常特殊，延髓脊髓穿行其间，周围血管密布，徒手置钉的风险很大。若能采取个性化模板导卫结构，就能提高置钉的准确性。将采集的脱位寰枢椎CT图像分割重建，再采用虚拟现实技术进行复位矫正；依据复位后的模型设置置钉的位置、方位和尺寸，用逆向反求方法设计出复位部位具有个性化的适应寰枢椎贴吻合贴面形状和置钉方向的导航导卫工装；之后，采用3D打印技术、CNC成型技术等快速成型工装，或用专门设计的万能可调整通用置钉工装，调整好吻合贴面形状和置钉通道，在术中作为引导置钉固定的导卫，使置钉准确在预先设定的位置和方位进钉并固定。

为妇科手术厘清彼此 通过人体器官的数字化技术，采集了女性盆腔数据集，所构建的国际首例基于血管铸型技术的子宫动脉血管网模型和首例人离体宫颈癌子宫动脉血管网模型，清晰完整地显示了子宫动脉及其各级分支的走行，并揭示子宫动脉血管网的形态及血供特点，包括显示子宫动脉与膀胱、输尿管之间、卵巢血供之间、卵巢与输卵管之间血循环的关系，为子宫动脉栓塞术治疗中如何避免损伤泌尿系统和卵巢提供精确直观的依据。同时，结合收集挖掘的63 926例妇科肿瘤的病历数据和构建的1538项目数据库，将相关的技术荧光导航等应用于子宫颈癌、子宫肌瘤、子宫腺肌病、复杂盆腔包块等疾病的诊断、术前风险评估、手术效果预测等相关病例的传统手术或微创治疗，以及其他妇产科疑难病例诊疗。

为肝胆手术精确制导 精准肝胆等器官肿瘤切除手术术前，对患者肝胆胰等器官的个性化影像数据进行快速配准、自动分割和三维重建。重建生成的模型能显示肝动静脉、门静脉等血管的分支结构，可量化分析肿瘤和相邻组织的解剖关系；能显示病灶处肿瘤与内部动静脉、胆管等管道系统的相对位置关系以及与周围脏器的黏连程度。接着，将模型导入专门的软件中，自动计算出血管所担负的功能容量，以及肝段体积、肿瘤体积、全肝体积、拟切除肝脏体积和剩余肝脏体积，经过微调后生成精准切除肝段的标记线。术中，辅以分子荧光材料导航，最终完成精准肝脏肿瘤的切除。

为胸外手术精准定位 数字化三维重建技术在胸外科诊疗中逐渐得到普及。经数字技术处理的三维模型，具有更形象、立体、准确等优势。在肺结节手术中，常采用肺楔形或肺段切除的术式。肺楔形切除用于浅表的结节，但对于位置较深的结节，需要避开大血管和支气管，还要防止术后大出血、肺不张、支气管胸膜瘘等严重并发症，具有不小的挑战性。肺段手术则需要识别3～4级支气管及其伴行的动静脉，因在肺段水平的血管变异相当丰富，在联合亚段切除中要辨别的结构尤为精细。如何在最大化保护肺功能的前提下完成安全有效的切除，是胸外科医生不断探索的方向。胸部CT三维重建技术能够对结节定位，帮助医生在术前明确结节毗邻的肺支气管、血管的分型及变异情况，为手术做好预案；并能让医生交互式全角度任意观察血管、支气管和病灶等的结构。

数字人在多领域的应用

数字化人体数据集的构建催生了数字人。数字人能“代为人过”，可替代真人在有害或有损伤，甚至危及生命的环境下，参与生物或物理测试，提供生理反应的数据和资料。它甫一问世就备受各行各业的关注和重视，已在医学、国防、航空、航天、交通、竞技等领域有了极其广泛的应用。

人虽然没有等级之分，但有性别之分，还有人种、肤色、体重、形态和结构之分。尤其是人种的不同，会导致人体形态、结构和重量各异。例如，东西方人由于生活的地理位置、环境和饮食不同，形态外貌有很大不同。在形态方面，西方人身材高大，有着高鼻梁、深眼窝、蓝眼睛、白皮肤以及杂色的头发等明显特征；而东方人则普遍身材娇小，低鼻梁、褐眼睛、黃皮肤、黑头发等。在结构方面，西方人普遍皮肤粗糙、多毛且汗腺发达、体味重；而东方人大多皮肤细腻光滑且少有体味。这些特征通过视觉、触觉和嗅觉都易捕捉到，但是还存在一些不易察觉的差异，如骨骼的构造，大多西方人的骨骼数为206块，而东方人以204块居多；由于腿部长骨骨骼的比例不同，亚洲人普遍可以做到的“亚洲蹲”，西方人则做不到；西方人多为梨型体型，体重偏重且重心偏下，而东方人大多为苹果体型，重量偏轻且重心偏上。

即便是同一人种，个体的结构也有区别，正是这些区别使得数字人在航空航天、汽车制造等人—机—环场合，以及在体育竞技、艺术演艺等方面有用武之地。

航空航天和汽车制造领域

冲击会对人体造成伤害，甚至致死。冲击与加速度、质量（重量）和位移三个主要参数成正比。在匀速环境中由于没有惯性，物体不会产生位移，也就不会受到损坏。比如在车辆开停时，速度改变，导致物体失稳摇晃。速度改变越大，重量越重的物体受到的约束越少、损害越大。为减少损害，通常采用束缚减少位移，通过缓冲减少冲击，从而达到保护的目的。最有效的缓冲就是用缓冲材料对物体进行全防护，但这对生物尤其是要进行驾驶操作的人而言不合适，只能通过半防护+束缚的方式来达到保护的目的，如飞机、汽车的座椅和安全带。航空航天工况中的防护要求更高，鉴于人种、体型不同以及个体结构差异，保护对象的防护需要个性化设计：先通过构建个性化的数字化物理人体模型，计算其质心（重心）的位置并将此位置作为束缚点，这样在同等的冲击力作用下，位移最小。

数字化物理人体模型的开发和旨在构建模拟人体功能模型的生理组学研究是数字人应用的热点。其中有用于评估在辐射环境中对人体产生影响的辐射模型，用于人工假体的度身定做、构建微观人体及其局部器官的数字化力学模型，模拟器官的器质和功能的生理学模型等。

体育竞技和艺术演艺领域

“台上一分钟台下十年功”，这是大家对演艺竞技等技巧性表现的共识，觉得要获得好成绩就得勤学苦练。孰不知演艺竞技成绩的好与否，不光与训练的方法、努力程度密切相关，还受到人体结构的影响，尤其是赛跑、举重、舞蹈和杂技等项目。以跑步运动员为例， 决定其速度的是步频和步幅，步频是单位时间的步数，步幅是两步之间的距离。速度和步频步幅呈正比，步频越高、步幅越大，速度越快。但步频和步幅之间呈反比，步频越高，步幅则越小；反之，步幅越大，步频则越低。步频和步幅的最佳配比决定了运动员的速度。步频和步幅首先取决于该运动员的人体结构，尤其是发育后的人体结构，其次才是有针对性的训练。数字人立足于人体结构角度，通过大数据分析和家族遗传等角度预测运动员从少年到成人的人体结构变化，在运动员的遴选、发展和训练培养方面给予客观评定。

数字人和数字医学是新生的事物，是新兴的科技，是崭新的事业。在其发展历程中，人类智慧的闪光点频现，科技创新高度不断刷新。随着人工智能和大数据技术的发展，数字医学将变得更加智能化和精准化。未来，它将为临床医学提供更为科学和精确的诊断、治疗方案，给生活带来更多便利。期待数字医学为人类健康事业做出更大贡献！

[1]唐雷， 原林， 黄文华， 等.“虚拟中国人”（VCH）数据采集技术研究. 中国临床解剖学杂志， 2002， 20（5）： 324-326， 329.

[2]张绍祥， 王平安， 刘正津， 等. 首套中国男、女数字化可视人体结构数据的可视化研究. 第三军医大学学报， 2003， 25（7）： 563-565.

[3]秦笃烈， 罗述谦， 周果宏， 等. 数字化虚拟中国人女性-1（VCH F-1）实验数据集血管标识的突破进展. 科学中国人， 2003， 9（4）： 4-8.

[4]唐雷， 刘谦， 钟世镇. 数字解剖学——数字医学的基础. 科学， 2009， 61（2）： 27-31.

关键词：数字人 数字解剖 数字医学 临床医学 三维重建虚拟现实 ■