中國數字人男1號是南方醫科大學從20位自願捐獻者中篩選出來的“標準中國人”。“數字人”，是在電腦里合成的三維人體詳細結構。屍體標本為一名28歲的漢族健康男性。有了屍體標本後 ，科學家所做的工作就是用精密切削刀將屍體橫向切削成薄片。每切下一片，就用高效數位相機和掃瞄器拍照，然後轉化成數據，輸入電腦，最後由電腦合成三維的立體人類生理結構。“中國數字人男1號” 高效數位相機像素達2200萬，圖像解析度為4040×5880，是世界上0.2毫米虛擬人切削中解析度最高的數據集。
基本介紹
- 中文名：中國數字人男1號
- 類別：數字人
- 篩選者：南方醫科大學
- 別稱：標準中國人
- 實質：電腦里合成的三維人體詳細結構
概念解讀,發展歷程,技術優勢,研究“瓶頸”,標本採樣,研究意義,科學釋疑,
概念解讀
所謂“數字人”，實際上是在電腦里合成的三維人體詳細結構。他們沒有感覺和思想，但數據來自真實的人體。“數字人”既不是真人，也不是機器人。它是利用現代信息技術實現人體從分子到細胞、組織、器官和整體層次的精確模擬，從而構建人體的組織形態、物理功能和生物功能的信息系統。“數字人”的生物數據和人相同，能模仿真人做出各種各樣的反應。若設定有聲音和力反饋的裝置，還可以提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感。
人體切片
人體切片“中國數字人男1號”原型是切出來的
“中國數字人男1號”是南方醫大從20位自願捐獻者中篩選出來的“標準中國人”，標本為一名28歲的健康男性。南方醫科大學以每片0.2毫米對屍體進行磨削，並獲取切面照片後，華科大完成了高分辨結構數據集的構建與可視化，包括原始切面照片的分割、標識、三維重建及數據的發布。
“亞毫米級磨削”是“數字人”成型的第一個步驟。通俗地說，就是把屍體冷凍後，從頭到腳，橫切成比0.2毫米還要薄的薄片，從頭到腳大概切成了8952片之多。 “中國數字人男1號”在切片精度、切片數量和數據量上比美國數字人體數據集和韓國數字人體數據集更為先進。“中國數字人男1號”的原始圖像像素高達4040×5880，是世界上解析度最高的人體切削圖片。
海量圖片拼成“中國數字人男1號”
在海量的原始切面照片的基礎上，劉謙博士帶領24名科研人員通過“百日大戰”，處理圖片近20萬張，完成了數字人海量數據集的構建與管理工作，建立了第一套高解析度人體生理系統三維解剖結構數據集，是世界上獲取體素最小的數字人體三維數據結構。
“數字人”將主要運用於臨床醫學，開展無法在自然人身上進行的一系列診斷與治療研究。也就是說，有了“數字人”，許多手術都可以在電腦里模擬完成。
發展歷程
專家認為，“數字人”的發展分4個階段：“數字可視人”、“數字物理人”、“數字生理人”和“數字智慧型人”，至21世紀初，還處於第一、第二階段。
中國數字人男1號器官切片
“數字人”的起源要追溯到1989年美國國立醫學圖書館發起的“可視人計畫”。當時美國國立醫學圖書館和美國科羅拉多大學試圖完成人體截面圖像的採集。要採集這些數據，需先將志願者人體切成薄片，每切一次片，就用數位相機和掃瞄器對已切片的切面進行拍照、分析，之後將數據合成三維的立體人類生理結構。
5年後，負責項目實施的美國科羅拉多大學宣布，他們獲得了一男一女兩組光學照片數據，以及CT和核磁共振斷層掃描圖像。
儘管科學界對“中國數字人男1號”技術予以很高的評價，但實際上當時“中國數字人男1號”在醫學及相關領域的套用是有限的。1996年，美國橡樹嶺國家實驗室牽頭醞釀“虛擬人創新計畫”，他們構想，將“人類基因組計畫”和“可視人計畫”的研究結果結合起來，完成人體的物理建模，能夠模擬人體器官組織和整體在外界物理刺激下的反應，專家稱之為“虛擬物理人”，他不同於“可視人”，他會像真人一樣對外界有反應：骨頭會斷，血管會出血。比如說，在做汽車碰撞試驗時，“虛擬人”可以提供人體意外創傷的數據，幫助改進汽車的安全防護體系。
隨後美國科學家聯盟又提出包括“可視人”、“虛擬人”等全部內容的“數字人”計畫。它的目標是實現人體從分子到細胞、組織、器官系統和整體的精確模擬，被認為是有史以來最雄心勃勃的研究計畫。
從美國的兩個計畫可以明確，“虛擬人創新計畫”構想的是構建能對外界有反應的“物理人”，而“可視人”對應的是被數位化了的“解剖人”。
2006年中國完成的中國數字人男1號與當年科羅拉多大學所完成的工作差不多，所以稱之為“可視人”更科學。
技術優勢
“數位化虛擬人”課題組負責人、廣州南方醫科大學鐘世鎮院士透露，“中國數字人男1號”高效數位相機像素達2200萬，圖像解析度為4040×5880，是世界上0.2毫米“虛擬人”切削中解析度最高的數據集。此外，按60兆一幀釋放，該數據集的數據量超過540千兆，為世界之最。
中國數字人男1號切片標本
中國數字人男1號切片標本美國早在20世紀末就開始建立了人體切片數據集，但他們所做的屬於躺著的虛擬人的切片，且美國、韓國的數字人只能看到骨骼和肌肉，分不清動脈和靜脈血管，與之不同的是，中國所做的“中國數字人男1號”切片屬於站立狀態，且首次將血管鑄型技術套用於“數字人數據集”，能清晰見到血管。
早在2003年2月，原第一軍醫大學完成的國內首例中國數字人就把血管鑄型技術套用進去，使中國的“中國數字人”顯得“有血有肉”。中國的人體血管鑄型技術比較好，把它與計算機結合起來，可能在研究上具有較大優勢。把血管分隔出來的意義則在於，如果在“中國數字人男1號”身上做模擬手術，醫生就可以清楚地分出動、靜脈血管，知道哪根大血管不能破壞，對手術具有重要指導意義。
中國“中國數字人男1號”技術研究具有非凡意義。西方人體模型存在明顯人種差異，不能替代中華民族的體質特徵，美國人和韓國人建立的數位化虛擬人體模型不能反映中國人的體質特點，缺少血管和神經系統模型，加工精度和完整性存在諸多問題。
研究“瓶頸”
由於中國數字人男1號研究需要多學科交叉解決，但是有工科背景的人對於器官的識別分割有困難，而有醫學背景的人對器官數位化重建也不容易，這是最大的“瓶頸”。
人體切片
人體切片不少有信息技術含量的新技術，尚有一定局限性。例如“機器人手術”，但是最後還得要醫生動手。又如“遠程手術”，在很多人看來是“得不償失”，還不如醫生直接坐飛機過來。另外還有影像導航技術、立體定體手術等，都有一定局限。所以，開展研究重要的是善於與其它技術協調、結合和互補。
研究碰到哪些困難？有沒有解決的辦法呢？困難還很多，在第一階段的“可視人”，就還有很多看得到的卻還做不出來。如周圍神經和淋巴系統，不易分割，因為在屍體的切面上，它們跟周圍組織的顏色差不多，所以電腦專家還沒有辦法。第二個難處是數據量太大，不好推廣套用。
所以需要探索一些新的辦法，如用多光譜顯示周圍神經。也有電腦專家儘可能進行少損傷的數據壓縮，使科學研究成果被普通老百姓運用，“飛入尋常百姓家”。
標本採樣
“中國數字人男1號”屍體標本為一名28歲的漢族健康男性，祖籍湖南，身高1.66米，體重58公斤，沒有任何傳染病和代謝疾病。該男子2002年4月死亡，自願捐獻屍體做科學研究。因為標本質量最好，課題組沒有貿然動刀，在技術相對成熟後才開始切削工作。
中國數字人男1號切片斷面
中國數字人男1號切片斷面數字人是怎么誕生的呢？南方醫科大學的科研人員在多具自願捐獻的屍體中，挑出了健康的屍體作為切片標本，根據得到標本的先後順序命名為“中國數字人男1號”、“中國數字人男2號”等。有了屍體標本後，科學家所做的工作就是用精密切削刀將屍體橫向切削成薄片，每切下一片，就用高效數位相機和掃瞄器拍照，然後轉化成數據，輸入電腦，最後由電腦合成三維的立體人類生理結構。2003年初，被稱為“中國數字人女1號”的中國首例女性數字人數據集在南方醫科大學構建成功，標誌著繼美國、韓國後，中國成為世界上第三個擁有本國數字人資料庫的國家。
研究意義
中國數字人男1號為數字人研究發展了新的台階。
從長遠看，中國數字人男1號在醫療衛生領域的套用非常明確。打個比方，有了中國數字人男1號，“他”就能代替人類試服新藥、接受手術。因為數字人可以將人的所有人體信息收集儲存在電腦里，醫生在開處方前，將藥物的影響數據輸入電腦，數字人就會顯示服藥後的反應，這樣就能協助醫生對症下藥，為疾病診斷、新藥和新醫療手段的開發提供參考。在數字人身上“開刀”，還解決了醫學教學中解剖標本有限的難題。
中國數字人男1號標本陰影圖
中國數字人男1號標本陰影圖模擬腫瘤生長和治癒過程
中國數字人男1號還可以模擬腫瘤生長和治癒過程，並進行手術三維模擬、血流動力學模擬、藥代動力學模擬等。比如說，在腫瘤患者做完CT與核磁共振掃描檢查後，電腦將影像模擬組建這位患者的數位化虛擬人體。模擬完成後，醫生戴上三維立體眼鏡，手持虛擬手術刀，對患者的數位化虛擬人體實施仿真模擬手術，檢驗手術效果。
高危活動中減少科研人員傷亡
數字人技術能套用在高危活動中減少科研人員傷亡。如汽車製造，可先在數字人身上進行碰撞實驗，將各種數據輸入電腦中，得出怎樣的汽車才能對人體形成最大的保護，再投入生產。相信有了數字人技術支持的汽車生產業，出廠前的碰撞次數可以大大減少，從而達到降低成本的目的。有了數字人技術，汽車製造能從出廠前的真實碰撞80架次，減低到3架次。
還有沙漠地帶、海底地帶等不適合人長期居留的地方，也可以由數字人代替體驗。
如果將人體功能性信息附加到這個人體形態框架上，經過生理功能模擬和虛擬現實技術的交叉融合，中國數字人男1號將能模仿真人在電腦中做出各種各樣的反應。數字人包括數位化可視人、數位化物理人和數位化生理人三個階段。在三個階段研究完成後，數字人將能夠模擬人體的新陳代謝、生長發育、病理生理變
人體切片
人體切片化等。
代替人進行高危科學實驗
除此之外，中國數字人男1號還可以替代人進行核試驗、撞車實驗等高危活動，在航空航天、國防、汽車、體育運動等方面具有廣泛的套用前景。
中國數字人男1號的生物數據和人類一模一樣，這樣一來，中國數字人男1號在醫學、航天、航空、影視製作乃至軍事等領域都有著廣泛的套用價值。例說，比如人類在進行汽車製造時，可先在數字人身上進行汽車碰撞實驗，將各種影響數據輸入電腦，得出怎樣的汽車能對人體有最大保護才下線投產。
科學釋疑
多少刀才能“切”出中國數字人男1號
中國數字人男1號並非切得越薄越好，片層精度的厚或薄是取決於實際套用的要求
解剖數字圖
解剖數字圖“中國數字人男1號”切削時間為27天。該數據集採用的切片斷面為0.2毫米，共切削為9215片，高效數位相機像素達2200萬，圖像解析度為4040×5880，是世界上0.2毫米虛擬人切削中解析度最高的數據集。此外，按60兆一幀釋放，該數據集的數據量超過540千兆，為世界之最。
“中國數字人男1號”0.2毫米的切削間距，與世界公布的各種數據相比，具有明顯優勢。切削精度應是按需切削，切削和數據集的建立應與實際套用緊密聯繫在一起，充分考慮其實際作用。例如，局部器官數據集，如骨頭、臟器等提供給套用單位，切削精度為0.2毫米就足夠了，沒有必要追求更薄；但如果套用單位做的是內耳膜手術，則要求更為精細的切削片面距。
另一方面，以0.2毫米的切片距進行切削，數據量已達540多千兆，對計算機存儲負擔來說，已經很大，如果再細一點，數據量就會更大，很多研究單位的電腦都運轉不了這么龐大的數據集。
中國有多少個虛擬人數據集
有13億人口的泱泱大國，不能夠沒有自己的數字人，必須開展此項科技工作——這是中國專家們的一致觀點。專門研討科技發展前沿的香山科學會議，2001年的主題是“中國數位化虛擬人體的科技問題”，當時中國專家還未曾在這一方面開展過工作，能不能開展好此項工作，還是“心中無數”。
而兩年後，2003年香山科學會議有了明確的答案。這一次研討會的主題是“中國數位化虛擬人體研究的發展與套用”。與兩年前的情況大小相同，參與這一次會議的專家們，帶著親自研究的資料和發展套用的目標來參加討論，有備而來，研討場面空前熱烈。兩年來，中國取得了令人矚目的成績，從無到有，從模仿到創新，從繼承到發展，從理論探討到開發套用。
10個數字人數據集夠不夠
人體切片數據集的構建要特別重視質量而非數量，要為套用單位提供優質框架
至2006年，中國共有10個整體數字人數據集，其中4例在南方醫大，標本來源分別為兩名男性、1名女性和1名嬰兒，育齡女性數據集和女嬰數據集均是世界首套數據集。這10個數字人數據集分別具有年齡、地區、性別特徵。由於每個整體數字人的標本採集、數據建庫投入都很大，“究竟有沒有必要再建整體數字人數據集，這會不會只是一項重複勞動”是許多人心中的疑問。
數字人數據集有民族性、地區性，構建成功的整體數字中國人數據集可基本滿足中國、日本、韓國等人種近似的國家對數字人數據集的需求。但整體數字人的數據集究竟是否足夠，還是要從實際套用出發。人體切片數據集的構建要特別重視質量而非數量，要為套用單位提供優質框架。但隨著社會分工的細化，大部分套用單位都對局部
更為專注，數據提供者就要有所針對地促進社會的發展。
