中國數字人和數字醫學研究概述

謝叻 顧冬云 譚立文 唐雷

2003年9月9日，第208次香山科學會議在北京香山飯店舉行。會議以“中國數字化虛擬人體研究的發展與應用”為主題，對斷層解剖數據獲取的關鍵技術、多光譜探測技術與人體組織信息獲取、圖形圖像處理技術、網格與數據共享、神經與微小器官信息獲取以及在醫學和相關領域的應用等議題進行了研討，將數字人數據在醫學和其他相關領域的應用提上了日程。就是在這次會議上，鐘世鎮院士將我國構建的虛擬人數據集、可視人數據集所隨意使用的“虛擬人”（virtual human）、“可視人”（visible human）兩詞統一改為“數字人”（digital human）；并且參照數字地球的概念，將凌亂的“賽博醫學”（cyber medicine）、“計算機醫學”（computer medicine）等英譯名詞統一定為“數字醫學”（digital medicine）。

此后，隨著數字人數據集構建技術的成熟以及各種整體和局部應用器官數據集的不斷推出，數字人在臨床和其他相關領域得到廣泛應用，中國數字醫學的應用研究進入快車道。

醫學和科學技術

科學技術給人類提供了認知事物的方法，不斷革新著人們的思維方式、生產方式和生存方式。得益于科學技術的進步，許多科學技術的成果、手段和方法在醫學領域得以應用，醫學也因此獲得突飛猛進的發展。

科學研究的是事物的客觀現象，側重理論分析；技術研究的是解決問題的方法，側重實際應用?？茖W可以重復、推定和驗證（證偽），但醫學不能重復、推定和驗證，只能試驗、推斷和歸納，因此醫學不具備科學的屬性、特征和原則，需要依靠科學技術輔助。另外，由于個體差異，生命的很多指標和癥狀不能夠精確定量而只能粗略定性，所以對病癥只能通過不斷的實踐獲取經驗、摸索前行，醫學由此成為一種實驗科學或經驗科學。然而，人又與物不同，人命關天，吃藥做手術不能“試”！

隨著科學技術的發展，醫學影像已不局限于形態的顯示，還可以進一步量化、功能化；不僅用于醫學診斷，還應用于臨床治療、手術導航和遠程醫療。數字醫學就是結合醫學影像技術，使傳統手術由“開了再看”成為“看了再開”；使手術由不確定的“一錘子買賣”成為“一錘定音”；術前制定的方案使術者心中有數，在術中做到“該留的不切，該切的不留”。

中國數字醫學事業，正是借力于現代科學技術日新月異的發展而蒸蒸日上。

中國數字人及數據集的構建

2001年11月5日，以“中國數字化虛擬人體的科技問題”為主題的第174次香山科學會議召開，第一軍醫大學（現南方醫科大學）鐘世鎮院士、中國科學院計算研究所李華研究員和首都醫科大學羅述謙教授擔任執行主席。與會專家從不同的專業研究和應用角度，對數字化人體研究的國際進展、國內目前擁有的技術基礎、相關的科學問題和關鍵技術，以及開展中國數字化人體研究的意義、必要性、可能性和迫切性等進行深入探討，最后達成共識——構建具有自主知識產權的中國數字化人體數據集。

中國的數字化人體計劃源于中國科技工作者對國際科學前沿及其進展的關注。首都醫科大學生物醫學工程系秦篤烈教授對始于1989年的美國科羅拉多大學可視人計劃（visible human project， VHP）和始于1999年的韓國亞洲大學可視高麗人計劃（visible Korea human， VKH）進行了長期跟蹤。受制于當時的互聯網技術，只能采用衛星接收器接受VHP斷層數據并將其存儲于數千張5寸軟盤上，后又備份到六七十張CD光盤中。

秦篤烈意識到數字人的價值，上書時任人大常委會副委員長吳階平，請求給予“關于數字化虛擬人體計劃建議”支持。2001年6月7日，吳階平副委員長辦公室致函衛生部辦公廳，請其研處這份來函。6月19日，科學技術部辦公廳復函，“鑒于數字化虛擬人體研究的重要性和我國已具備的研究基礎”，建議863領域專家和相關主題專家共同討論“數字化虛擬人體計劃”的立項問題，并提示按照相關規定和程序在相關領域申請相關的課題。當年，中國數字化人體計劃獲國家863計劃和國家自然基金的支持。

第一軍醫大學國家863計劃課題組和第三軍醫大學（現陸軍軍醫大學）國家自然基金課題組在獲得立項支持后，立刻馬不停蹄地分頭投入中國數字化人體數據集采集實驗室的建造中，進行人體切削設備的設計制造、圖像采集和存儲設備以及人體灌注、包埋、冷凍、固定、切削、采集、存儲、分割、重建等工藝流程設計[1-2]。經過半年多你追我趕、夜以繼日的奮戰，兩個課題組于2002年分別構建完成具有世界先進水平的中國男女性數字化人體數據集[3]。其中，2200萬像素中國數字人男性數據集——“中國數字人男1號”入選2005年兩院院士評選的2005年中國十大科技進展新聞。兩個課題組共同完成的《中國數字化人體數據集的構建》獲2007年國家科學技術進步二等獎。

數字醫學的提出

數字醫學是一門研究各種現代技術在醫學領域的應用規律和發展趨勢，探討計算機科學、信息學、電子學等與醫學相互交叉或融合形成的新理論、新技術、新方法和新產品，挖掘基于數字化條件下衍生的新模式、新流程和新機理，探索數字化技術在醫學領域的信息采集、處理、傳遞、存儲、利用、共享和實現過程等內容的學科。

2004年12月，《數字人和數字解剖學》出版，這是世界首部關于數字人和數字解剖學的專著。該書原名為《數字人和數字醫學》，但在定稿時，主編鐘世鎮高瞻遠矚地將“數字醫學”改為“數字解剖學”，他說：“我們現在剛開始進行數字人和數字解剖學的研究，雖然數字人和數字解剖學將來要一定要，也一定會應用于臨床，但目前在臨床應用還沒有開展或開展不多的情況下，現在就說數字醫學，會給應用和決策層帶來錯覺，并不利于數字醫學的長遠發展?！弊詈?，僅在該書封面的簡介里提到“數字醫學……”。這是“數字醫學”一詞首次在我國正式出版書籍中出現。

中國數字醫學會的醞釀和成立

隨著數字醫學的普遍開展和廣泛應用，2005年鐘世鎮在南方醫科大學成立中國第一個數字人和數字醫學研究所。隨后，第三軍醫大學數字人和數字醫學研究室、復旦大學數字醫學研究中心、上海交通大學（簡稱上海交大）數字醫學臨床轉化教育部工程研究中心、浙江大學數字醫療工程研究中心等數字醫學研究機構相繼成立，彼此之間隨即開展廣泛的交流研討。在上海交大的一次數字人應用小型研討會上，再次提出成立數字醫學會的議題，同時就數字醫學的概念、定義、應用和發展展開了小范圍的研討并搭建大致框架，后向鐘院士和上海交大數字化制造專業阮雪榆院士匯報，獲得兩位的支持。

同年7月7日，鐘院士帶領屬下專程赴滬，與上海第九人民醫院（現上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院，簡稱上海九院）骨科戴尅戎院士在阮院士辦公室就成立數字醫學會進行廣泛交流。他們一致認為，數字醫學會的成立已水到渠成，應盡快成立，這樣有利于數字醫學的應用和推廣，并推薦由時為第三軍醫大學基礎醫學院主任、國家自然基金數字人項目課題組負責人張紹祥教授來擔綱組建學會。2006年1月14日，鐘世鎮、戴尅戎、阮雪榆和張紹祥攜屬下在上海九院戴尅戎院士實驗室，就數字醫學會籌建的申報、學術預備會議的舉辦等事宜進行討論并作分工。一系列與學會成立相關的學術活動紛紛開展：在中國科學技術協會（簡稱中國科協）第十屆年會第23分會場舉行的“中國數字醫學研討會”上，成立了以張紹祥為組長、唐雷為副組長的“中國數字醫學研究聯絡組”；以數字醫學為題召開了第十一次中國工程前沿研討會；2007年12月在重慶舉辦全國首屆數字醫學學術研討會；舉辦2009中國數字醫學論壇；出版《科學前沿報告》《工程前沿——數字醫學的現狀與未來》《數字醫學概論》《數字醫學導論》等一批專著。

在第十一次中國工程前沿研討會上，由鐘世鎮、戴尅戎、王正國、阮雪榆、俞夢孫、朱曉東、李蘭娟、傅征和張紹祥九人聯名，擬就《成立中華醫學會數字醫學分會建議書》。會上，戴尅戎就數字醫學的定義進行了描述，“數字醫學是應用數字化技術，解釋醫學現象、解決醫學問題、探討醫學機理、提高生命質量的一門科學”，得到與會專家的認同。

2011年4月25日獲中國科協、國家民政部和中華醫學會審查批復，5月21日在重慶召開中華醫學會數字醫學分會成立大會暨第一屆學術年會，宣告中國數字醫學會正式成立。

數字人和數字解剖學

手術是門“手藝活”，屬實踐科學，除對人體結構了如指掌外，還需有豐富的經驗和嫻熟的技巧。在醫學尤其在外科學有著舉足輕重地位的解剖學，卻在社會進步、人權提升和立法滯后的境遇中舉步維艱。標本的匱乏，使醫學生少有動刀的機會。沒有解剖知識如何了解人體結構，如何積累經驗練就嫻熟的技巧，如何施展最好的醫術？囿于研究技術和裝備的欠缺、創新發展空間的逼仄以及工作特性常被忽視，相關人員或流失或研究方向改變，解剖學淪為基礎醫學中的夕陽學科。

數字解剖學使得臨床醫學實現源頭創新成為可能。它的介入，令外科入路的“由淺入深”改為“由里而外”，腔鏡技術由“管中窺豹只見一斑”變為“窺一斑而知全豹”。有了數字解剖學和虛擬現實技術的助力，外科醫生在術前“先打個草稿練習練習”不再是奢望。

數字解剖學是采用數字化技術研究人體結構的新興前沿學科，是臨床醫學中的朝陽學科[4]。它先將人體結構數字化，再通過虛擬現實技術實現對人的整體、系統、器官、組織，甚至細胞、分子和基因等的精確描述，構建出不同用途的數字化人體模型。其研究目的是建立一個具有目錄服務技術和矢量圖形圖像功能、能隨時嵌入各種人體信息、無限接近真實人體的數字化人體系統，從而構建用于解剖的人體結構模型、用于恢復評估的治療效果模型、用于術式評估的入路模型、用于手術練習的現場模型等。它為醫學生和臨床醫生開辟出一片新天地。

數字醫學在臨床醫學領域的應用

采用數字解剖學和虛擬現實技術建立的個性化人體精準手術模型，具備視覺空間、能夠調控、各種物理和生理反應等特質。該模型有著個性化的精細解剖結構，可用于術式和入路的評估、術前的預習和練習、術后的愈后恢復評估以及教學、復盤等。

為骨科手術保駕護航 數字醫學技術應用于復雜高難的骨科手術，可提高手術的成功率，使手術更精確、安全，比如寰樞椎的置釘固定。由于寰樞椎所處的部位非常特殊，延髓脊髓穿行其間，周圍血管密布，徒手置釘的風險很大。若能采取個性化模板導衛結構，就能提高置釘的準確性。將采集的脫位寰樞椎CT圖像分割重建，再采用虛擬現實技術進行復位矯正；依據復位后的模型設置置釘的位置、方位和尺寸，用逆向反求方法設計出復位部位具有個性化的適應寰樞椎貼吻合貼面形狀和置釘方向的導航導衛工裝；之后，采用3D打印技術、CNC成型技術等快速成型工裝，或用專門設計的萬能可調整通用置釘工裝，調整好吻合貼面形狀和置釘通道，在術中作為引導置釘固定的導衛，使置釘準確在預先設定的位置和方位進釘并固定。

為婦科手術厘清彼此 通過人體器官的數字化技術，采集了女性盆腔數據集，所構建的國際首例基于血管鑄型技術的子宮動脈血管網模型和首例人離體宮頸癌子宮動脈血管網模型，清晰完整地顯示了子宮動脈及其各級分支的走行，并揭示子宮動脈血管網的形態及血供特點，包括顯示子宮動脈與膀胱、輸尿管之間、卵巢血供之間、卵巢與輸卵管之間血循環的關系，為子宮動脈栓塞術治療中如何避免損傷泌尿系統和卵巢提供精確直觀的依據。同時，結合收集挖掘的63 926例婦科腫瘤的病歷數據和構建的1538項目數據庫，將相關的技術熒光導航等應用于子宮頸癌、子宮肌瘤、子宮腺肌病、復雜盆腔包塊等疾病的診斷、術前風險評估、手術效果預測等相關病例的傳統手術或微創治療，以及其他婦產科疑難病例診療。

為肝膽手術精確制導 精準肝膽等器官腫瘤切除手術術前，對患者肝膽胰等器官的個性化影像數據進行快速配準、自動分割和三維重建。重建生成的模型能顯示肝動靜脈、門靜脈等血管的分支結構，可量化分析腫瘤和相鄰組織的解剖關系；能顯示病灶處腫瘤與內部動靜脈、膽管等管道系統的相對位置關系以及與周圍臟器的黏連程度。接著，將模型導入專門的軟件中，自動計算出血管所擔負的功能容量，以及肝段體積、腫瘤體積、全肝體積、擬切除肝臟體積和剩余肝臟體積，經過微調后生成精準切除肝段的標記線。術中，輔以分子熒光材料導航，最終完成精準肝臟腫瘤的切除。

為胸外手術精準定位 數字化三維重建技術在胸外科診療中逐漸得到普及。經數字技術處理的三維模型，具有更形象、立體、準確等優勢。在肺結節手術中，常采用肺楔形或肺段切除的術式。肺楔形切除用于淺表的結節，但對于位置較深的結節，需要避開大血管和支氣管，還要防止術后大出血、肺不張、支氣管胸膜瘺等嚴重并發癥，具有不小的挑戰性。肺段手術則需要識別3～4級支氣管及其伴行的動靜脈，因在肺段水平的血管變異相當豐富，在聯合亞段切除中要辨別的結構尤為精細。如何在最大化保護肺功能的前提下完成安全有效的切除，是胸外科醫生不斷探索的方向。胸部CT三維重建技術能夠對結節定位，幫助醫生在術前明確結節毗鄰的肺支氣管、血管的分型及變異情況，為手術做好預案；并能讓醫生交互式全角度任意觀察血管、支氣管和病灶等的結構。

數字人在多領域的應用

數字化人體數據集的構建催生了數字人。數字人能“代為人過”，可替代真人在有害或有損傷，甚至危及生命的環境下，參與生物或物理測試，提供生理反應的數據和資料。它甫一問世就備受各行各業的關注和重視，已在醫學、國防、航空、航天、交通、競技等領域有了極其廣泛的應用。

人雖然沒有等級之分，但有性別之分，還有人種、膚色、體重、形態和結構之分。尤其是人種的不同，會導致人體形態、結構和重量各異。例如，東西方人由于生活的地理位置、環境和飲食不同，形態外貌有很大不同。在形態方面，西方人身材高大，有著高鼻梁、深眼窩、藍眼睛、白皮膚以及雜色的頭發等明顯特征；而東方人則普遍身材嬌小，低鼻梁、褐眼睛、黃皮膚、黑頭發等。在結構方面，西方人普遍皮膚粗糙、多毛且汗腺發達、體味重；而東方人大多皮膚細膩光滑且少有體味。這些特征通過視覺、觸覺和嗅覺都易捕捉到，但是還存在一些不易察覺的差異，如骨骼的構造，大多西方人的骨骼數為206塊，而東方人以204塊居多；由于腿部長骨骨骼的比例不同，亞洲人普遍可以做到的“亞洲蹲”，西方人則做不到；西方人多為梨型體型，體重偏重且重心偏下，而東方人大多為蘋果體型，重量偏輕且重心偏上。

即便是同一人種，個體的結構也有區別，正是這些區別使得數字人在航空航天、汽車制造等人—機—環場合，以及在體育競技、藝術演藝等方面有用武之地。

航空航天和汽車制造領域

沖擊會對人體造成傷害，甚至致死。沖擊與加速度、質量（重量）和位移三個主要參數成正比。在勻速環境中由于沒有慣性，物體不會產生位移，也就不會受到損壞。比如在車輛開停時，速度改變，導致物體失穩搖晃。速度改變越大，重量越重的物體受到的約束越少、損害越大。為減少損害，通常采用束縛減少位移，通過緩沖減少沖擊，從而達到保護的目的。最有效的緩沖就是用緩沖材料對物體進行全防護，但這對生物尤其是要進行駕駛操作的人而言不合適，只能通過半防護+束縛的方式來達到保護的目的，如飛機、汽車的座椅和安全帶。航空航天工況中的防護要求更高，鑒于人種、體型不同以及個體結構差異，保護對象的防護需要個性化設計：先通過構建個性化的數字化物理人體模型，計算其質心（重心）的位置并將此位置作為束縛點，這樣在同等的沖擊力作用下，位移最小。

數字化物理人體模型的開發和旨在構建模擬人體功能模型的生理組學研究是數字人應用的熱點。其中有用于評估在輻射環境中對人體產生影響的輻射模型，用于人工假體的度身定做、構建微觀人體及其局部器官的數字化力學模型，模擬器官的器質和功能的生理學模型等。

體育競技和藝術演藝領域

“臺上一分鐘臺下十年功”，這是大家對演藝競技等技巧性表現的共識，覺得要獲得好成績就得勤學苦練。孰不知演藝競技成績的好與否，不光與訓練的方法、努力程度密切相關，還受到人體結構的影響，尤其是賽跑、舉重、舞蹈和雜技等項目。以跑步運動員為例， 決定其速度的是步頻和步幅，步頻是單位時間的步數，步幅是兩步之間的距離。速度和步頻步幅呈正比，步頻越高、步幅越大，速度越快。但步頻和步幅之間呈反比，步頻越高，步幅則越??；反之，步幅越大，步頻則越低。步頻和步幅的最佳配比決定了運動員的速度。步頻和步幅首先取決于該運動員的人體結構，尤其是發育后的人體結構，其次才是有針對性的訓練。數字人立足于人體結構角度，通過大數據分析和家族遺傳等角度預測運動員從少年到成人的人體結構變化，在運動員的遴選、發展和訓練培養方面給予客觀評定。

數字人和數字醫學是新生的事物，是新興的科技，是嶄新的事業。在其發展歷程中，人類智慧的閃光點頻現，科技創新高度不斷刷新。隨著人工智能和大數據技術的發展，數字醫學將變得更加智能化和精準化。未來，它將為臨床醫學提供更為科學和精確的診斷、治療方案，給生活帶來更多便利。期待數字醫學為人類健康事業做出更大貢獻！

[1]唐雷， 原林， 黃文華， 等.“虛擬中國人”（VCH）數據采集技術研究. 中國臨床解剖學雜志， 2002， 20（5）： 324-326， 329.

[2]張紹祥， 王平安， 劉正津， 等. 首套中國男、女數字化可視人體結構數據的可視化研究. 第三軍醫大學學報， 2003， 25（7）： 563-565.

[3]秦篤烈， 羅述謙， 周果宏， 等. 數字化虛擬中國人女性-1（VCH F-1）實驗數據集血管標識的突破進展. 科學中國人， 2003， 9（4）： 4-8.

[4]唐雷， 劉謙， 鐘世鎮. 數字解剖學——數字醫學的基礎. 科學， 2009， 61（2）： 27-31.

關鍵詞：數字人 數字解剖 數字醫學 臨床醫學 三維重建虛擬現實 ■