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摘 要:本文从设计和制作在日常教学,甚至网络教学中具有实际应用价值的可视人三维定位的针灸腧穴课件出发,介绍了“数字化虚拟人体”研究的四个阶段以及构建可视人的基本步骤;阐述了虚拟人当前的研究水平和虚拟人技术在教学中应用的技术条件瓶颈,介绍了作者把可视人技术用于针灸腧穴三维定位的一套技术方法,并举例展示了研制开发的可视人三维定位的针灸腧穴课件｡
关键词:可视人 腧穴 三维定位 课件
针灸腧穴的准确定位,以及熟知针灸腧穴所在位置的人体组织结构,是针灸学生必备的基本功｡但是,至今对经络腧穴信息的描述,大体上还是以文字､手绘图像､针灸模型作为主要表现形式,停留在抽象以及不真实的状态｡学生针灸技能的操作训练,目前大多数还是通过在人身上的实际操作来实现,有一定危险性｡可视人(虚拟人)技术是近年来医学与信息技术结合的热门课题｡将可视人(虚拟人)技术与经络腧穴定位相结合,以三维的形式清晰､逼真､完整地反映出人体肌肉､骨骼､血管､神经和各种体内脏器等解剖结构的大小､形状､位置及其毗邻关系,实现腧穴定位的三维可视化､针灸技能训练的智能虚拟化,创设虚拟现实的经络腧穴教学和训练环境,是提高学习兴趣､降低教学风险[1]､提高教学质量的有效方法｡
1 构建可视人的基本步骤
一般将可视人体､虚拟人体､数字化人体统称为“数字化虚拟人体”,简称虚拟人｡1989年,美国国家医学图书馆首先启动可视人计划（Visible Human Project,VHP）研究[2],1994年11月,美国Colorado 大学健康科学中心公布“可视人计划”获取的男性人体数据集,包括CT､MRI和系列高精度组织切片光学照相断面图像;1998年,美国可视人项目又公布一女性数据集[3]｡美国可视人计划的实施在全世界引起了巨大反响｡韩国､日本､意大利相继启动了虚拟人体研究计划,2001年后,我国也开始了中国数字化可视人体的数据集采集以及基于数据集的应用开发研究[4]｡
1.1 “数字化虚拟人体”研究 大体可以分为四个阶段[5]:
1.1.1 可视人 将人体组织的结构信息数字化,再用计算机定量描绘出人体的解剖结构,实现虚拟人的静态形体｡
1.1.2 物理人 在“可视人”基础上,考虑人体组织的力学､形变等物理特性｡
1.1.3 生理人 在“物理人”的基础上,加载人体生理机能参数,让物理人也有如血液循环､气体交换等等生理功能｡
1.1.4 虚拟人 是从解剖､物理､生理､生化､智能,从宏观到微观,从表像到本质,全面精确模拟､反映人体的数字化人体｡
因受技术发展水平的限制,“数字化虚拟人体”研究目前只处于可视人过渡到物理人的初始阶段｡更多应用研究还是处于可视人的水平｡
1.2 可视人的构建步骤
1.2.1 样本的挑选与切削前处理
1.2.1.1 样本的挑选 挑选身高或体重适中,生前没有传染病､代谢疾病史､无手术史､无严重外伤的健康人｡
1.2.1.2 切削前处理 包括尸体固定､CT､MRI 图像采集､动脉灌注､冷冻保存｡
1.3 样本的切削和断面光学图像的采集｡
1.4 断面图像的配准､除噪､分割
1.4.1 配准和除噪 配准校正数据采集过程造成的位移或偏转,消除背景噪点信息｡
1.4.2 分割 对断面二维图像中不同信息进行的归类或者区分,是三维重建的前提和关键技术｡
1.5 三维重建 医学可视化人体中基于表面的三维重建方法,可以分为体素级重建和切片级重建两类｡其中,体素级重建主要采用立方体法､移动立方体法和分解立方体法（DividingCubes）;切片级重建主要采用环行轮廓拼接方法[6]｡
总之,可视人的实现涉及到解剖学､精加工､光学､信息科学等一系列学科,人体又是一个复杂整体,要全面可视化,技术难度､对计算机的图形处理能力和应用平台要求很高,需要花费大量的人力和时间｡
2 可视人三维定位的针灸腧穴课件
由于虚拟人数据集的数据十分庞大,需要图像处理性能极高的计算机才能有效地处理这些海量数据以实现人体的三维重建､显示和应用,限制了可视人成果在经络腧穴定位方面的实际教学应用｡因此,需要突破计算机硬件技术瓶颈,设计和制作可在课堂上,甚至在网络上应用的可视人三维定位的针灸腧穴课件,才能从实际出发､尽快､有效地把可视人技术应用于针灸教学,提高教学效果｡可视人三维定位的针灸腧穴课件以德国汉堡大学基于VHP数据集开发的Voxel man可视人模型为基础,从人体表面到人体内部的脏器､神经血管,分为十层,每层都以360°自由旋转的控制方式,显示某个腧穴的三维定位以及穴位毗邻的各层面人体组织结构｡使用者通过键盘或着鼠标旋转可视人,即可从各个视角观察穴位的各个解剖层的真实三维定位投影,下面截取该课件的中脘穴的各部分三维可视人图像来简介可视人三维定位的针灸腧穴课件｡
2.1 从正面 俯视10°的角度,观察中脘穴从第一到第十个解剖层的位置关系｡见图2至图5(为了减少文章的容量,三维可视人图片只截取4个解剖层中脘穴周围部分)｡
2.2 第七个解剖层俯视10°的角度 旋转一周的三维可视人中脘穴定位关系(为了节省篇幅,只截取部分角度),见图6至图11｡
3 可视人三维定位的针灸腧穴课件的设计制作
由于直接从人体切削所获取的断面图像,通过配准､除噪､分割和三维重建来获得可视人,其工作量巨大,技术复杂,难度很高;更因为其数据集的数据十分庞大,直接采用象素信息来实时重绘三维图像,对计算机的图像处理性能要求极高,不可能在课堂教学甚至网络上的推广应用｡所以,该课件避开“尸体处理+图像分割+三维重建”的技术路线,而是采用德国汉堡大学开发的Voxel-man项目,通过一套简便而快捷的方法来重建可视人,快速将可视人成果应用于经络腧穴定位,从而实现针灸腧穴定位三维可视化在教学中的应用｡
可视人三维定位的针灸腧穴课件的设计制作方法主要包括:①利用Macromedia Flash 封装可视人数据集十个解剖层,每层36张图,一共360张图的二维序列图片以模拟3D场景的可视人｡②使用3DMax建模制作穴位的定位标记的360°序列图片｡穴位定位标记的制作必须考虑可视人3D场景的观察视角､准确位置对应关系､显示长度以及与可视人数据集序列图的遮挡关系进行处理｡③使用Photoshop来帮助确定每一个定位标记在可视人3D场景上的位置,并且处理每一个定位标记在可视人场景的三维层次的遮挡关系｡④在Macromedia Flash中将定位标记放到与其相对应的层,以及视角一致的图片上,匹配定位标记与可视人3D场景,使定位标记与每一个解剖图达到融合｡⑤课件控制功能的制作｡
经过上述的设计和制作过程,使可视人三维定位的针灸腧穴课件可以通过鼠标左右拖动换帧,很好地模拟物体在三维场景中的拖动旋转;定位标记能够与可视人序列图的换帧同步,在不同解剖层次的切换过程中,定位标记能够实时切换匹配的显示长度,腧穴在不同解剖层的投影得到很好的三维标识｡人体可视化是新兴的信息技术和医学学科交叉的世界前沿性研究领域,通过可视人技术构建人体虚拟现实的教学课件和教学环境,有广阔的发展前景和重要价值｡
参考文献
1､刘红菊,严振国.数字化虚拟人为针灸学发展提供新舞台[J].上海针灸杂志,2004;23（10）:33-35
2､Ackerman M J. The Visible Human Project. A resource for education[J]. Acad. Med.1999，74（6）:667-670
3､罗述谦.中国虚拟人医学图像方法学考虑[J]. 中国基础科学, 2002,6:20-24
4､柴慧臻,罗述谦.构建中国女虚拟人一号的初步探索[J].中国医疗器械信息,2003，9（4）,18-20
5､刘强,朱文峰.中医虚拟人的构建方法及态势[J].中医药学刊,2003;21（10）:1709-1710
6､林斌,鲍苏苏.中国针炙虚拟穴位人的三维表面重建[J].现代计算机,2003;（169）:6-11
(收稿日期:2007.12.17)
关键词:可视人 腧穴 三维定位 课件
针灸腧穴的准确定位,以及熟知针灸腧穴所在位置的人体组织结构,是针灸学生必备的基本功｡但是,至今对经络腧穴信息的描述,大体上还是以文字､手绘图像､针灸模型作为主要表现形式,停留在抽象以及不真实的状态｡学生针灸技能的操作训练,目前大多数还是通过在人身上的实际操作来实现,有一定危险性｡可视人(虚拟人)技术是近年来医学与信息技术结合的热门课题｡将可视人(虚拟人)技术与经络腧穴定位相结合,以三维的形式清晰､逼真､完整地反映出人体肌肉､骨骼､血管､神经和各种体内脏器等解剖结构的大小､形状､位置及其毗邻关系,实现腧穴定位的三维可视化､针灸技能训练的智能虚拟化,创设虚拟现实的经络腧穴教学和训练环境,是提高学习兴趣､降低教学风险[1]､提高教学质量的有效方法｡
1 构建可视人的基本步骤
一般将可视人体､虚拟人体､数字化人体统称为“数字化虚拟人体”,简称虚拟人｡1989年,美国国家医学图书馆首先启动可视人计划（Visible Human Project,VHP）研究[2],1994年11月,美国Colorado 大学健康科学中心公布“可视人计划”获取的男性人体数据集,包括CT､MRI和系列高精度组织切片光学照相断面图像;1998年,美国可视人项目又公布一女性数据集[3]｡美国可视人计划的实施在全世界引起了巨大反响｡韩国､日本､意大利相继启动了虚拟人体研究计划,2001年后,我国也开始了中国数字化可视人体的数据集采集以及基于数据集的应用开发研究[4]｡
1.1 “数字化虚拟人体”研究 大体可以分为四个阶段[5]:
1.1.1 可视人 将人体组织的结构信息数字化,再用计算机定量描绘出人体的解剖结构,实现虚拟人的静态形体｡
1.1.2 物理人 在“可视人”基础上,考虑人体组织的力学､形变等物理特性｡
1.1.3 生理人 在“物理人”的基础上,加载人体生理机能参数,让物理人也有如血液循环､气体交换等等生理功能｡
1.1.4 虚拟人 是从解剖､物理､生理､生化､智能,从宏观到微观,从表像到本质,全面精确模拟､反映人体的数字化人体｡
因受技术发展水平的限制,“数字化虚拟人体”研究目前只处于可视人过渡到物理人的初始阶段｡更多应用研究还是处于可视人的水平｡
1.2 可视人的构建步骤
1.2.1 样本的挑选与切削前处理
1.2.1.1 样本的挑选 挑选身高或体重适中,生前没有传染病､代谢疾病史､无手术史､无严重外伤的健康人｡
1.2.1.2 切削前处理 包括尸体固定､CT､MRI 图像采集､动脉灌注､冷冻保存｡
1.3 样本的切削和断面光学图像的采集｡
1.4 断面图像的配准､除噪､分割
1.4.1 配准和除噪 配准校正数据采集过程造成的位移或偏转,消除背景噪点信息｡
1.4.2 分割 对断面二维图像中不同信息进行的归类或者区分,是三维重建的前提和关键技术｡
1.5 三维重建 医学可视化人体中基于表面的三维重建方法,可以分为体素级重建和切片级重建两类｡其中,体素级重建主要采用立方体法､移动立方体法和分解立方体法（DividingCubes）;切片级重建主要采用环行轮廓拼接方法[6]｡
总之,可视人的实现涉及到解剖学､精加工､光学､信息科学等一系列学科,人体又是一个复杂整体,要全面可视化,技术难度､对计算机的图形处理能力和应用平台要求很高,需要花费大量的人力和时间｡
2 可视人三维定位的针灸腧穴课件
由于虚拟人数据集的数据十分庞大,需要图像处理性能极高的计算机才能有效地处理这些海量数据以实现人体的三维重建､显示和应用,限制了可视人成果在经络腧穴定位方面的实际教学应用｡因此,需要突破计算机硬件技术瓶颈,设计和制作可在课堂上,甚至在网络上应用的可视人三维定位的针灸腧穴课件,才能从实际出发､尽快､有效地把可视人技术应用于针灸教学,提高教学效果｡可视人三维定位的针灸腧穴课件以德国汉堡大学基于VHP数据集开发的Voxel man可视人模型为基础,从人体表面到人体内部的脏器､神经血管,分为十层,每层都以360°自由旋转的控制方式,显示某个腧穴的三维定位以及穴位毗邻的各层面人体组织结构｡使用者通过键盘或着鼠标旋转可视人,即可从各个视角观察穴位的各个解剖层的真实三维定位投影,下面截取该课件的中脘穴的各部分三维可视人图像来简介可视人三维定位的针灸腧穴课件｡
2.1 从正面 俯视10°的角度,观察中脘穴从第一到第十个解剖层的位置关系｡见图2至图5(为了减少文章的容量,三维可视人图片只截取4个解剖层中脘穴周围部分)｡
2.2 第七个解剖层俯视10°的角度 旋转一周的三维可视人中脘穴定位关系(为了节省篇幅,只截取部分角度),见图6至图11｡
3 可视人三维定位的针灸腧穴课件的设计制作
由于直接从人体切削所获取的断面图像,通过配准､除噪､分割和三维重建来获得可视人,其工作量巨大,技术复杂,难度很高;更因为其数据集的数据十分庞大,直接采用象素信息来实时重绘三维图像,对计算机的图像处理性能要求极高,不可能在课堂教学甚至网络上的推广应用｡所以,该课件避开“尸体处理+图像分割+三维重建”的技术路线,而是采用德国汉堡大学开发的Voxel-man项目,通过一套简便而快捷的方法来重建可视人,快速将可视人成果应用于经络腧穴定位,从而实现针灸腧穴定位三维可视化在教学中的应用｡
可视人三维定位的针灸腧穴课件的设计制作方法主要包括:①利用Macromedia Flash 封装可视人数据集十个解剖层,每层36张图,一共360张图的二维序列图片以模拟3D场景的可视人｡②使用3DMax建模制作穴位的定位标记的360°序列图片｡穴位定位标记的制作必须考虑可视人3D场景的观察视角､准确位置对应关系､显示长度以及与可视人数据集序列图的遮挡关系进行处理｡③使用Photoshop来帮助确定每一个定位标记在可视人3D场景上的位置,并且处理每一个定位标记在可视人场景的三维层次的遮挡关系｡④在Macromedia Flash中将定位标记放到与其相对应的层,以及视角一致的图片上,匹配定位标记与可视人3D场景,使定位标记与每一个解剖图达到融合｡⑤课件控制功能的制作｡
经过上述的设计和制作过程,使可视人三维定位的针灸腧穴课件可以通过鼠标左右拖动换帧,很好地模拟物体在三维场景中的拖动旋转;定位标记能够与可视人序列图的换帧同步,在不同解剖层次的切换过程中,定位标记能够实时切换匹配的显示长度,腧穴在不同解剖层的投影得到很好的三维标识｡人体可视化是新兴的信息技术和医学学科交叉的世界前沿性研究领域,通过可视人技术构建人体虚拟现实的教学课件和教学环境,有广阔的发展前景和重要价值｡
参考文献
1､刘红菊,严振国.数字化虚拟人为针灸学发展提供新舞台[J].上海针灸杂志,2004;23（10）:33-35
2､Ackerman M J. The Visible Human Project. A resource for education[J]. Acad. Med.1999，74（6）:667-670
3､罗述谦.中国虚拟人医学图像方法学考虑[J]. 中国基础科学, 2002,6:20-24
4､柴慧臻,罗述谦.构建中国女虚拟人一号的初步探索[J].中国医疗器械信息,2003，9（4）,18-20
5､刘强,朱文峰.中医虚拟人的构建方法及态势[J].中医药学刊,2003;21（10）:1709-1710
6､林斌,鲍苏苏.中国针炙虚拟穴位人的三维表面重建[J].现代计算机,2003;（169）:6-11
(收稿日期:2007.12.17)