作者：李安安 刘谦, 曾绍群, 唐雷, 钟世镇, 骆清铭
    单位：华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室,
             武汉光电国家实验室
             南方医科大学解剖学教研室

    摘要 中国数字人研究是将人体解剖结构数字化和可视化, 建立具有组织形态、物理功能和生理功能的人体信息系统. 在获取的中国数字人体断层切削照片的基础上, 本研究对中国数字人体断层切削照片进行了预处理, 完成了中国男性数字人体生理系统主要器官和组织的分割、标识和命名; 用高性能计算集群, 对海量的分割数据进行并行快速三维结构重建, 构建了国际上分辨率最高的人体三维解剖结构数据集(体素0.1 mm × 0.1 mm × 0.2 mm); 在三维结构数据集的基础上, 开发了二维断层图像和三维结构可视化软件; 建立中国数字人体网站(www.vch.org.cn)进行数据集的共享、发布和推广. 该数据集是国家信息数据库和医学基础建设的重要组成部分.

    数字人研究是将人体解剖结构数字化和可视化,建立人体组织形态、物理功能和生理功能的人体信息系统. 它是多学科交叉产生的前沿性课题, 近年来得到了国内外学者的广泛关注. 该研究源于1989 年由美国国立医学图书馆发起的“可视人计划”(VisibleHuman Project, VHP)[1]. 该计划于1994 年成功获取一例西方男性解剖结构数据集, 1995 年发布了西方女性解剖结构数据集.

    2000 年韩国开始了可视人研究的5 年计划(Visible Korean Human, VKH), 并于次年获取了第一例可视韩国人数据[2]. 目前, VHP数据集已成为最流行的人体断层解剖数据集, 以VHP数据集为基础, 全世界的科研工作者在图像处理、三维建模、可视化软件开发、物理模拟等很多领域取得了重大成果[3~5].2001 年11 月以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的香山科学会议第174 次学术讨论会[6]在北京香山召开. 会议提出了我国数字化虚拟人体研究的规划和建议, 揭开了我国数字化虚拟人体研究的序幕. 目前, 南方医科大学和第三军医大学都已获取高分辨的二维断层切削图像[7~9], 基于上述二维图像, 不同的研究机构进行了部分器官和组织的三维结构重建。

    构建完整人体组织器官的三维结构数据集是数字人体应用的基础, 这些应用涉及医学、工业设计、航天和科教等诸多领域, 能够有效地提高工作效率,降低成本, 统一人体模型标准, 避免人体标本使用中的伦理道德问题等. 其中, 在与人类身体关系密切的医学领域, 数字人三维结构数据集的应用最为广泛,包括新治疗方法研究、手术导航、虚拟手术、临床诊断、核辐射评估与放射治疗、医学教育等. 本研究对中国数字人体男性主要器官和组织高分辨率三维解剖结构数据集的构建和三维可视化等技术进行了研究, 构建了世界上分辨率最高的人体三维解剖结构数据集。

    1 材料来源

    本研究所处理的原始数据来自中国数字人男性2 号(Chinese digital human No. 2, CDH M2)人体断层切片数据集[7]. 该数据集于2005 年3 月获得, 是目前世界上分辨率最高的人体断层切片数据集(表1)。

表1 3 种数字人原始数据集的对比

    CDH M2 源自无物理损伤的男性捐献遗体, 通过冰冻断层铣削成像方式获得9320 张断层切片图像。单张图像大小为4080×5440 像素, 采用24 位彩色深度. RAW(原始图像数据存储格式)格式下的数据总量达到了260 GB (Giga Byte, Giga 为109, Byte 为字节), 总的空间分辨率约为0.1 mm×0.1 mm×0.2mm。

    2 方法

    本研究从RAW 原始数据出发, 对数字人三维解剖结构数据集的构建和三维可视化进行了研究, 整体研究步骤见图1. 图像处理是研究的开始, 涉及图像配准、图像压缩、图像分割等方面(图 2). 三维重建是第二步, 它也被看成是一种“理解层次”的图像处理行为. 可视化研究建立在二维的图像处理数据与三维的建模数据基础之上。

    数字人研究中的数据处理是海量的, 其平均数据处理任务量达到百GB 级, 总的数据量更是达到了TB 级(Tera Byte, Tera 为1012), 与传统的图像处理、三维建模和可视化工作相比, 需要更加高效的数据处理方法和更加强大的硬件支持. 本研究的海量计算任务都基于浪潮天梭10000 高性能计算集群实现, 该设备具有17 个计算节点, 每个节点配备2 个IntelXeon 2.4 GHz CPU, 各节点采用InfiniBand 高速交换技术互联, 总的计算能力达到了1000 亿次。

图1 高分辨数字人体数据集的构建与可视化流程图

    2.1 图像的预处理

    数字人研究中的图像预处理包括RAW 格式转化、配准、感兴趣区域(ROI)提取、无损图片压缩等。预处理的目的是最大限度地降低图像获取过程中引入的空间和曝光误差、去除冗余数据、降低后期图像处理的难度。

    (ⅰ) RAW 格式释放. RAW 是一种具有设备相关性的非图像格式的数据包, 需使用数码相机配套的解码工具进行格式释放. 这里将数字人原始数据从RAW格式释放为24 Bit 深度的TIFF (tagged imagefile format)非压缩图片格式。

图2 第2305 号图片的图像处理结果
(a) 原始切面图; (b) 图像预处理结果; (c