數字人體——人體系統數字學

央視國際 2004年04月23日 10:29

　　“數字人體—人體系統數字學”是醫學科學技術的最新領域，是當今醫學科學技術、生命科學、信息科學、智慧科學技術和計算機科學技術的高度綜合。該領域的研究將大大促進２１世紀醫學科學技術從定性描述向定量表達發展，其研究成果將加深對人體系統的認識，提供公共衛生安全管理的有效手段，深刻地改變未來人體系統的研究活動和人們的生活、工作方式。這是專家學者們在最近召開的全國第一屆“數字人體—人體系統數字學”學術研討會上達成的共識。針對“數字人體—人體系統數字學”與“虛擬人”、“可視人”等已有概念之間有何不同，這一新興學科的提出背景、重要意義、研究內容和發展現狀等問題，在研討會及會前會後，專家們各抒己見，對此進行了深入的研討。

　　何為“數字人體”？

　　與“數字化虛擬人”區別何在？

　　“數字人體”與當前的“數字化虛擬人”、“虛擬人”和“可視人”在研究思路和研究內容上有何不同？“數字人體—人體系統數字學”概念的提出者、中科院遙感所研究員畢思文認為，兩者有著本質的區別。首先，數字人體的研究對像是活人，是建立在以多時空、動態的人體系統為研究對象，以人體實時觀測、網絡和計算機信息處理為主體的技術系統。而“數字化虛擬人”或“虛擬人”等研究的對像是死人，是將屍體用刀切削成為成千上萬個人體切片，然後照相，在電腦裏對其進行整合，重建人體三維結構。形象地説，也就是將屍體切片“摞”起來，成為一個“數字化”的人形。按照國外“數字化虛擬人”研究專家的設想，該研究包括虛擬可視人、虛擬物理人和虛擬生物人三個研究層面，目前做的工作是虛擬可視人。當然，不同虛擬人會取得不同的結果，但無論是虛擬什麼人，它研究的立足點是死人。所以，得到的研究結果有很大的局限性，與利用活人作為立足點研究的數字人體有著很大的差異性；這是“數字人體”與“數字化虛擬人”本質上的區別，如果説有聯絡，也只是在數字化虛擬技術上。另外，數字人體也做數字化虛擬人體的研究，目的是為了解人體系統在某一時間、空間尺度的情況，就需要這種技術。但其立足點還是活人。

　　數字化虛擬人在構成人體形態學信息研究的實驗平臺，為醫學、生命科學等的研究和應用提供了重要基礎，但與有生命的人體系統相差甚遠。因為，人體是一複雜巨系統，是由１００多萬億個細胞組成的複雜整體，僅人的神經系統就約有１０００億個神經元。而且，由細胞構成的組織、器官間的相互作用，人體與外界環境的衝突與和諧，這些極為複雜人體系統的變化，數字化虛擬人是無法實現的。

　　據悉，衛生部醫藥衛生科技情報檢索中心曾對“數字人體—人體系統數字學”進行了查新。結果表明，在國內外檢索範圍內均未見與該研究內容相同的文獻報道。

　　緣起基於需要

　　數字人體—人體系統數字學的提出，畢思文研究員認為主要基於以下幾個方面的需要。

　　醫學科學技術創新發展的需要。在數字人體的研究中，不僅需要局部的精雕細刻，也需要對整體的把握。如果我們的注意力和想象力總是聚焦在一個局部的層次上，而不能從宏觀戰略上放眼國際醫學科技發展和世界潮流的話，在醫學科學技術方面將陷入全面的被動。因此，開展數字人體的應用研究，不僅能開闊人們的思維空間，而且能産生強烈的聚合力，為從更高層次上集成醫學科學技術提供了廣闊的空間機遇。中醫藥學是我國醫學科學的特色，是我國有能力有可能成為站在國際科學前沿的重要領域。中醫藥現代化的科學目標是綜合運用現代數學、物理學、化學、信息科學及生命科學相關學科的最新進展提供的新理論、新技術、新方法，以揭示中醫藥學基礎理論的科學內涵為突破口，爭取中醫藥基礎理論能在源頭上有所創新，為中醫藥現代化與國際化奠定基礎。在繼承和發掘的基礎上組織多學科協作，利用現代科學技術理論和方法研究中醫藥學，將為解決當代生命科學重大疑難問題作出貢獻。為了促進中醫藥現代化的發展進程，進一步探討研究數字中醫藥對中醫藥跨躍式發展的促進作用，“數字人體—人體系統數字學”是解決中醫藥現代化的瓶徑、也是中醫藥現代化的需要，必將在中醫藥現代化發展中起越來越重要的作用。

　　智慧科學計算的需要。２１世紀人類全面進入信息時代，而信息化的精華是智慧化。人類對智慧化的追求導致“智慧革命”。在智慧革命中，人工智慧是核心。人工智慧是研究機器智慧的學科，即用人工的方法和技術，研製智慧機器或智慧系統以模倣、延伸和擴展人的智慧，實現智慧行為。經過４０多年的研究，人工智慧在科學計算等領域應用取得了很多成果，提出了啟髮式搜索策略、非單調推理、機器學習的方法等。人工智慧應用，特別是專家系統、智慧決策、智慧機器人、自然語言理解等方面的成就促進了人工智慧的研究。但還存在著種種不足：例如，人工智慧在一些關鍵技術方面，諸如機器學習、非單調推理、常識性知識表示、不確定推理等尚未取得突破性的進展；人工智慧對全局性判斷模糊信息處理、多粒度視覺信息的處理是極為困難的；目前尚不清楚人工智慧是否可歸結為一組基本原理，或者只是若干個不同子領域的鬆散結合，其中每個子領域集中研究思維中的一個不同部分或者一個不同的應用。因此，“數字人體—人體系統數字學”的提出，試圖把人體系統模型作為智慧計算模擬的原型系統，使數字人體—人體系統數字學成為人工智慧研究的新途徑。數字人體—人體系統數字學用於智慧科學計算研究的主要內容為：數字人腦智慧邏輯、數字人腦約束推理、數字人腦定性推理、基於範例推理的數字人腦、數字人腦的歸納學習、類比學習和解釋學習；數字人腦的知識發現和數據開採、分佈式數字人腦智慧；數字人腦的進化計算等。

　　人類工程活動的需要。數字人體—人體系統數字學在人類工程活動的應用前景是不言而喻的。例如，在航空、航天技術、計算機、傳感器等新技術的推動下發展起來的遙感科學技術，很長時間以來，在基礎與應用研究的各種模型和計算誤差一直是沒有解決的難題，其主要原因是遙感所探測的地球表面是一複雜的巨系統，現有模型和算法難以滿足要求。根據遙感面臨的挑戰與困難，“數字人體”作為一種智慧科學計算方法可對複雜自然環境時空信息獲取與融合處理進行理論和應用研究，因而可滿足遙感科學技術的需要。再如，“信息時代”和“數字時代”的到來，對軍隊就意味著數字化，即“數字化戰場”、“數字化軍隊”、“數字化戰爭”，但是這一切都離不開人。因此，開展“數字人體—人體系統數字學”的研究對國防安全具有重要的意義。又如，地球系統科學是研究地球系統在複雜的相互作用中運轉的機制、地球系統變化的規律和控制這些變化的機理，從而奠定全球環境變化預測的基礎科學，併為地球系統的科學管理提供依據。但是，要解決上述科學問題，地球系統動力學模型的建立和大型科學計算模擬是其主要難題；目前現有的方法和技術難以滿足要求，“數字人體”從倣生學的角度可以開展上述內容的研究，滿足地球系統科學研究的需要。

　　科學數據共享的需要。在知識經濟和信息社會中，因特網的出現為人類實現全球性科學數據共享提供了強大的平臺。但是，隨著因特網規模和信息量的日益擴大，網絡的管理與控制水平已成為制約有效進行數據共享的主要問題。“數字人體—人體系統數字學”作為描述整個人體系統中各類信息的時間序列與空間分佈的共同框架，在人體系統觀測信息的集成、傳輸信息的流暢、系統互操作與協調能力的完善、多維動態信息的模擬與倣真等諸方面均有著獨特的優勢。其信息獲取、傳輸、存儲與處理等方面的機制對於提高因特網的管控水平具有非常重要的借鑒意義。

　　多科性的創新性研究

　　中國醫藥信息學會理事長、北京大學醫學部王德炳教授認為，我國科學長期以來缺乏原始性創新，多為從國外和他人的成果中複製或模擬的科學技術。“數字人體—人體系統數字學”是一門邊緣性、交叉性和多科性的學科，具有原始創新性。由來自中西醫學、生命科學、信息科學和計算機科學技術等不同領域的專家協同作戰，共同推進這一新興的邊緣學科領域的發展具有開拓性的意義。

　　畢思文研究員指出，數字人體研究所涉及的動態學圖像處理與分析是精確的定量研究，無論是人體系統結構的精確重建，還是人體器官、組織狀態及與周圍器官、組織的關係等，都需要涉及大量的數據和複雜性的計算。人體系統數字學用信息化和數字化的方法研究和構建數字人體，即人體活動的信息全部數字化之後由計算機網絡來管理，以了解整個人體系統所涉及的信息過程，特別注意人體系統之間信息的聯絡和相互作用的規律。這一特點與數字化虛擬人有著本質的不同，使其在現代中西醫學、智慧科學計算、人類工程活動以及科學數據共享等領域具有非常重要的理論意義。

　　中國人工智慧學會副秘書長、北京工商大學信息工程學院院長韓力群教授認為，由於數字人體研究的對像是活人，其應用前景是不言而喻的。用於臨床可提高醫療和疾病預測、預防水平，增強人體健康，延長人的壽命；用於中醫學，有利於解釋和理解經絡、陰陽、臟腑、虛實、氣血等的本質涵義；用於工程技術，可對數字人體進行模擬、延伸和拓展，製造出具有人類特徵的人造生命系統，如擬人機器人，娛樂機器寵物等；用於人與環境的關係研究，可通過綜合各種環境氣候信息預測流行疾病的發生概率和流行趨勢；用於航天航空領域，可改進宇航員和飛行員的訓練方法，提高飛行質量；用於體育競賽的訓練，可有效提高運動員的訓練水平和競技狀態；用於影視創造，可使虛擬演員的動作更逼真，形態更生動。另外，還可用在汽車、建築、礦山、服裝、生物和國防等領域。

　　集成“有生命的”人體模型

　　開展可視化再現和倣真試驗研究

　　數字人體是以活人為研究對象，以醫學、信息科學、智慧科學和計算科學為理論基礎，建立一系列不同層次的原型、物質模型、生理模型、力學模型、數學模型、信息模型和計算機模型，並將這些模型集成為“有生命的”人體模型。同時，用高新人體信息觀測處理和網絡技術，建立具有多分辨率、海量數據和多種數據的融合，並可用多媒體和倣真虛擬技術進行多維的表達，是具有空間化、數字化、網絡化、智慧化和可視化的技術系統。

　　畢思文研究員提出，首先應對數字人體系統的結構進行深入的研究，構建完整的“數字人體”的理論和體系結構，建立數字人體的信息標準化體系，規劃指導整體的數字人體研究。數字人體的研究基礎是人體系統原型與模型和基礎理論，數字人體研究的關鍵是靈活方便實時獲取人體信息，分析生物信息的傳遞、協調、控制機理，對信息進行識別、融合和理解，開展可視化再現和倣真試驗研究。數字人體研究將以基礎理論、技術方法和應用示範為思路，重點研究人體的感受器（五官七竅）、信息通道（經脈、絡脈），調控中樞（大腦）、效應器（五臟六腑）和運動協同中心（軀體）的信息獲取預處理機理和技術。因此，數字人體研究涉及“數字軀體”、“數字經絡”、“數字臟腑”、“數字感官”、“數字人腦”等方面。

　　人體系統是一個複雜性巨系統。對人體的研究不僅從人體形態結構入手，而且要借助現代科技探測、分析等先進技術和試驗方法手段，將人體從整體到系統、器官、組織、細胞、分子、基因進行分析和研究；更重要的是從人體功能狀態入手，採集人體體表的宏觀物理信息與人體感官信息，把握人體的功能狀態和生命活動規律；後者正是數字人體—人體系統數字學的優勢和特長。數字人體要解決如何利用統一性的數字化技術手段，對人體系統、變化規律進行完整重現和認識；利用數字化技術建立人體數據、信息和知識的獲取、存儲、處理的人體信息系統；綜合運用數學、信息科學和生物學的各種方法，闡明和理解大量數據所包含的生物學意義和內在機理；將倣真試驗和臨床診斷治療結合起來，推進人體生物信息學和醫學進展。

　　畢思文研究員認為：數字人體—人體系統數字學的研究方法應注意幾個結合。即系統分析與系統綜合相結合，局部描述與整體描述相結合，定性描述與定量描述相結合，確定性與不確定性相結合，模型與原型相結合。

　　研究應用前景廣闊

　　“數字人體”提出後，在國內引起不小的反響，不少中青年研究人員積極響應，開始進行積極的研究、探討和學術交流活動。據悉，我國第一部“數字人體—人體系統數字學”研究論文已結集出版；來自研究所、高校的中西醫學界和信息科學界的學者們，參加了全國第一屆“數字人體—人體系統數字學”研討會；而我國第一部“數字人體”方面的專著《數字人體—人體系統數字學》已經付梓，不久即將面市。數字人體研究示範已經開始，專家們已經開始用“數字人體—人體系統數字學”的研究思路和理論基礎，聯絡自己的專業實際，開始了探索，這是十分難能可貴的。據了解，目前開展的主要研究工作有：

　　１． “數字人體—人體系統數字學”的理論體系、標準化體系和信息平臺結構研究

　　據畢思文研究員介紹，該項研究工作首先在理清數字人體的研究思路、基本概念和特徵的基礎上，提出數字人體的研究任務、研究內容和理論體系。其次，開展“數字人體”標準化體系研究，制定和引用數字人體構建的各類數據標準。建立數字人體的標準化體系總表和數據標準化子系統（信息指標體系、信息分類編碼、數據控制和質量標準）、信息處理標準化子系統（信息系統開發、信息交換接口、空間數據轉換格式標準）、系統構建標準化子系統（軟體硬環境、數據庫標準）、管理標準化子系統（管理規定、術語標準和管理辦法標準），實現數字資源共享。最後，根據數字人體的理論體系和系統標準，構建數字人體信息系統總體的技術體系，進行數字人體系統總體功能和模塊設計，建立統一信息共享平臺。

　　２．“數字人腦”研究

　　韓力群教授領導的“數字人腦”研究工作主要從事“數字人體”的並行信息處理與多級協調控制方法研究。目前對人腦神經系統的研究主要是在細胞和分子水平上對人腦神經系統結構和功能進行微觀層次的研究，而“數字人腦”研究則是對人腦神經系統信息處理規律進行系統層次的探索，這種系統層次的研究更有利於對腦內的信息處理形成總體性的概念，更易於詳盡研究包含各種相互作用的複雜非線性神經系統，通過倣真和實驗結果對比有可能發現新現象並設計新實驗，近年來正逐漸展現出其強大的生命力。

　　３． “數字經絡”研究

　　北京郵電大學王樅教授提出的“數字經絡”，重點研究“數字人體”的集散通信體制與雙向信息傳輸調度方法。從控制論觀點出發，結合中醫“經絡學説”和西醫“神經學説”，主要研究經絡在控制整個人體生命活動的信息傳播機制、途徑、方式等，開展“數字經絡”的信道網絡模型與集散通信體制及信息傳輸方法研究。

　　４． “數字感官”研究

　　中科院自動化所楊一平研究員和楊國勝副研究員從事的“數字感官”研究，主要研究數字人體系統的信息獲取方法和機理，包括感覺系統機理研究、感覺信息處理研究、多媒體多模式信息獲取與融合算法研究和多光譜的人體識別技術等內容。從視覺、聽覺信息流的角度和經絡穴位的觀點出發，系統地研究視覺、聽覺、觸覺系統的輸入輸出通道、視覺信息處理過程、視覺行為和視覺模式識別。並研究人體系統的成像光譜技術、基於成像光譜圖像的人體經絡信息提取方法、基於特徵信息的人體經絡系統的識別和數字化重建和人體系統典型信息譜庫的建立。

　　５． “數字臟腑”研究

　　北京中醫藥大學東直門醫院高穎教授的“數字臟腑”研究工作，主要研究數字人體的整體綜合調控理論與方法，重點是建立人的數字臟腑系統功能模型並提出整體綜合調控理論與方法。“數字臟腑”是以五臟為主體，將六腑、五體、五官、九竅、四肢百骸等組織器官系統聯絡成有機的整體，以上五個系統是通過經脈的絡屬溝通，氣血的流貫，相互聯絡，並按照五行生克制化的規律進行調節和控制，保證機體生命活動的協調統一。此外，從生理功能和病理狀態兩個方面，重點研究臟與臟，臟與腑之間的關係，以探討臟腑系統的整體調控理論與方法。

　　６． “數字藏象人”研究

　　北京中醫藥大學任廷革、中科院數學研究所高全泉等人提出“數字藏象人”的概念。他們認為，“數字”是運用計算機科學與技術、信息科學理論等虛擬現實的研究方法和手段，“藏象”是研究的對象，是中醫理論的核心內容，中醫學理論體系形成的基礎；“人”是研究內容的載體。“數字藏象人”將中醫學認為人體所具備的功能、狀態、行為等生命屬性，用數字化的信息形式表達出來。數字藏象人基礎性研究包括三個方面的內容：一是藏象理論數據庫的構建；二是藏象理論知識庫的研究；三是藏象理論模型庫的研製。數字藏象人基礎性研究力圖在藏象理論研究與現代科學技術的切入方面搭建一個平臺，在信息技術的幫助下實現多層次、多學科的綜合性研究做出有意義的探索。

　　“數字人體”是一項複雜的系統工程，其中有許多共性問題，也存在許多區域性和具有本國特徵的特定需求和環境，需要進一步探討。考慮到從全球到地區的不同角度的需求，專家們認為，應該為“數字人體”提出一個統一的、多層次的科學框架結構；確定自主開發與全球共建共享的科學數據規範、源數據標準和信息交換協議；建立全球性的網絡連接，以保障全球性的人體觀測數據的提供與定期更新；創造透明點訪問和導航；協調有關系統效率和信息安全與管理法規等。因此，專家學者呼籲，各領域科技工作者應攜手並肩，聯合作戰，為合作研究具有中國特色和原始性創新的“數字人體—人體系統數字學”而共同努力。（記者/王為）