安可林文章网新闻资讯计算机人体模型
计算机人体模型是指将人体结构数位化，通过计算机技术和图像处理技术，用电脑的语言符号来表述人体的三维解剖结构，包括组织器官的大小、形状、位置及其空间关係，实现了人体解剖结构信息的数位化。
要确定人体器官剂量必须用到物理人体体模或者数位化仿真人体模型。基于物理人体体模的实验缺乏安全性、经济型和效率，只能用于小规模的辐射剂量验证之用。相比之下数位化仿真人体模型，藉助完善蒙特卡罗计算方法和已知的放射物理学参数能够方便、精确的模拟三维空间下的人体受到辐照场景。
基本介绍
- 中文名：计算机人体模型
- 概述：人体结构数位化
- 第一代模型：程式化模型
- MIRD模型：内照射剂量学的无性别区分的仿真
- 第二代模型：体素模型
来源及发展
自20世纪60年代，放射学界已经在电离辐射剂量学的研究中开发并运用了这类模型。由于计算机技术的发展，数位化人体仿真模型也得以迅速的发展。从最初基于二次方程的简单模型发展到之后基于实际的人体医学影像的体素模型，是仿真人体模型发展过程中的一个巨大的进步。而最新的模型则是基于更先进的数值方法，包括非均匀有理基準样条法（NURBS）和多边形格线技术。这些技术方法不再局限于三维空间，可以使仿真模拟在包括时间维度的四维空间中展开。世界上共有120多个用于模拟计算的仿真人体模型,具体可以分为三代：1）程式化体模（stylized phantom），2）体素体模 (voxel phantom)， 3）使用NURBS或多边形格线的可变形的BREP体模。这些仿真人体模型涵盖了各种不同的人群，包括儿童、青少年、成人的男性和女性模型，还包括孕妇模型。基于这些模型，可以实现包括普通放射学以及核医学等许多情形下的辐射剂量仿真的模拟计算，众多的仿真模拟计算的结果已被用于制定被国际放射防护委员会（ICRP）採纳的标準。
程式化模型（第一代模型）
第一代仿真人体模型被用于更好地评估工人或病人体内沉积的放射性材料的对组织器官的辐射剂量。直到20世纪50年代，国际辐射防护委员会（ICRP）依然使用这种非常简单的模型。 在这种模型中，人体器官被简单得以各种“有效半径”的球体代替。放射性核素被设定在球中央，不同器官有不同的“有效吸收能”。Shepp-Logan模型被用作影像重建算法发展和测试过程中的人体头部模型。 然而，科学家尝试以更真实的方式模拟人体器官乃至整个人体，这样就产生了类似于人体解剖的程式化人体模型。
从20世纪60年代到80年代，程式化模型经历来一个长期的发展过程。程式化的虚拟模型是人体的数位化展示，配以蒙特卡罗辐射输运代码，可用于追蹤辐射在人体内的相互作用和能量沉澱。不同程式化模型的特徵可以通过改变描述各个器官体积、位置、形状的方程的参数来进行调节。
MIRD模型
20世纪60年代，在美国橡树岭国家实验室（ORNL），由Fisher and Snyder提出了MIRD模型，它包括22个内部器官和100多个子区域，含有三个主要部分：代表手臂、躯干、和臀部的椭圆柱；被截的椭圆锥代表腿和脚；一个椭圆锥代表头和脖子。它是第一个用于内照射剂量学的无性别区分的仿真人体模型。
'家庭“模型系列
'家庭“模型系列改进的MIRD模型
基于MIRD模型，数年间多个改进版被提出。主要包括：Cristy and Eckerman于20世纪80年代提出的程式化“家庭”模型系列，GSF（德国）提出的 "ADAM and EVA" 模型，NASA提出的CAM模型等。
程式化模型的限制
儘管程式化模型通过不断的更新已经推展套用于辐射防护、放射治疗、医学影像等方面，但其固有的缺陷无法被突破。因为只有器官位置和几何构型的大体特徵，程式化模型只是对内部器官的粗浅展示。但人体的解剖学结构非常複杂，仅用少量的曲面方程远远不能真实的描述它，从而导致很多解剖学细节都被忽略。鑒于这些原因，程式化模型已被淘汰。藉助于20世纪80年代快速发展的计算机和断层成像技术，仿真人体模型进入体素化时代。
体素模型（第二代模型）
程式化模型仅仅提供最基础的信息，并有很大的误差，有必要发展更精确的仿真技术。为促进进一步的研究，计算机技术要更强大更有效。在80年代晚期，随着计算机断层成象的到来，基于人体CT及MRI扫描图像发展而来新型的人体模型出现了。CT和核磁共振成像能够产生精确的数字形式的三维内脏图像，研究人员收集这些影像数据并将它们转化成体素形式，实质上已实现了人体的三维数位化重建。三维图像準确的揭示了人体内部解剖学结构，但是需要经过耗时的器官分割分类才能将其用于蒙特卡罗辐射输运计算。这些体素模型包括海量的体素，每个含有器官代号和材料组成。到目前为止已有超过38不同用途的体素模型。
RPI的VIP-MAN模型
RPI的VIP-MAN模型来自实际套用的挑战
体素模型发展过程中两个主要的困难是获得有用的影像和处理从这些影像中产生的大量数据。CT扫描对人体产生较大剂量的电离辐射,这正是设计仿真人体模型来首先规避的事物。核磁共振不产生电离辐射，但需要很长的时间。大部分扫描只针对人体的一小部分的单个器官，然而为获得有用的数据，需要一系列全身的扫描。处理这些数据同样面临问题，儘管新的计算机有足够大的硬碟来存储数据，但将这些图像处理为理想的体素尺寸对记忆体要求很高。
体素模型的基本发展过程
儘管有很多的体素模型，但它们都经历相似的发展途径。首先，要通过CT扫描，核磁共振成像或直接的解剖学照片获得原始数据。其次，要分离或区分人体不同的组织和器官。第三步需要确定各部分的密度和物质组成。最后，数据要被统一到一个三维结构中以方便未来使用。
早期发展
最初的关于体素模型的工作是在1982年同时但独立地由范德堡大学的Dr.Gibbs和德国的环境与健康国家研究中心（GSF）的Dr.Zankl开展的。Dr. Gibbs的工作并非起始于CT或核磁共振成像，而是从X射线影像开始，主要针对用于医疗照射剂量模拟计算的人体模型重建。M. Zankl和他的团队则是利用CT影像先后创造了12个模型，从BABY到VISIBLE HUMAN。
各国体素模型的发展
美国
- 耶鲁大学的Dr. Zubal及其团队，1994年，VoxelMan模型。这个模型只完成了从头到躯干，针对发展放射性药物。
- 伦斯特理工学院（RPI）的Dr. George Xu（徐榭，已任中国科学技术大学教授）小组在2000年使用开创性方法开发的一个男性成年体素体模VIP-Man，这个模型的数据来自美国国家医学图书馆（NLM）的可视化人（VHP）项目。 VIP-Man体模是世界上第一次在基于可视人计画（Visible Human Project）尸体横截面彩色照片进行图像分割而建成的高精度辐射剂量学体素体模。在突破处理37亿个体素的海量图像数据的技术难点之后，VIP-Man已经被广泛的用于不同临床病例蒙卡器官剂量模拟，为以后华中科技大学和清华大学在中国数字人基础上的体模工作提供了宝贵经验。
- 佛罗里达大学的Dr. Bolch及团队，2002至2006年，发展了一系列儿童模型，範围从新生儿到十多岁的少年，弥补了长期缺乏体素化儿童模型的不足。
- 美国食品药品管理局（FDA）发展了基于体素概念的可视化家庭人体模型，用于X射线剂量学研究。Dr. Gu和 Dr.Kyprianou，2011年，利用高解析度的基于体素和格线技术的男性和女性心脏模型，使得冠状动脉的细节信息可见。
巴西
- Dr. Kramer基于耶鲁的Zubal成果，创造了与国际辐射防护委员会要求相似的MAX模型 。
英国
- 由Dr. Dimbylow领导的团队在1996年基于核磁共振影像开发了NORMAN模型。2005年又开发了一个女性模型。
澳大利亚
- Flinders大学的Dr.Caon及其团队在1999年开发了一个躯干模型来模拟一位女性青少年，被命名为ADELAIDE ，填补了当时女性青少年模型的空白。
日本
- 日本原子能研究所(JAERI)的Dr. Saito及其团队于2001年开发了第一个亚洲人体模型 ，主要用于辐射剂量学研究。
- 国家信息与交流技术研究所(NIICT)的Dr. Nagaoka团队，基于核磁共振成像，几乎与JAERI团队同时，开发了各一个男性和女性模型。
韩国
- 自从2004年，Drs. Lee and Kim已开发多套虚拟模型，包括男性和女性模型。高清晰度参考韩国人（HDRK）是以一具尸体的彩色照片为参照开发的，与RPI的VIP-MAN开发过程相似。
中国
- 2000至2010年间，中国政府启动了自己的可视化人项目。中国辐射防护研究院的Dr. Zhang及其团队基于彩色尸体图片开发了CNMAN模型，华中科技大学基于彩色尸体图片开发了VCH模型，清华大学基于MRI图像开发了CVP模型。
德国
- M. Zankl与同事利用CT影像组建了一系列独立的体素模型，包括3个儿童模型和一个24周身孕的孕妇模型。
统计模型
基于统计方法的具有人种差异的虚拟人模型被开发出来，套用于内照射剂量学和放射性药物研究。这种针对不同人种的统计方法保证了解剖学真实性，也为放射性核素剂量学的套用提供了统计参数。
可变形的BREP模型
儘管体素体模能真实反映人体解剖信息，想要调节器官大小和身体结构的来适应不同的体貌特徵和运动姿势却极端困难。肥胖的个体、心脏运动、或者呼吸运动都是需要进行器官调整的例子。一些研究者已经开创了一种新的方法，使用边界表述（BREP）来提供新的灵活性以应对不同的解剖学结构变形需要。通过非均匀有理基準样条(NURBS)方法和多边形格线技术，这一设计得以实现，它们被统称为BREP方法。与体素模型相比，BREP模型更适于变形与调整，BREP模型可以很方便的对解剖结构进行一系列的操作，包括拉伸、倒角、混合、错位、剥离和扭转。BREP模型的最重要的优点是既可以变形为已有的标準模型，又可以变为真实场景下的工人或病人的解剖学模型，从而使得个性化剂量计算成为可能。
模拟呼吸人体躯干的4D的BREP模型
模拟呼吸人体躯干的4D的BREP模型基于NURBS方法的模型
基于非均匀有理基準样条(NURBS)法的模型表面由一系列NURBS方程定义，这些方程从一些控制点产生。NURBS的表面的形状和体积随着控制点的坐标改变，这一特点被用于设计具有时间依赖性的四维人体模型。由Segars等人开发的NCAT模型就是其中的一个例子，被用来模拟心肺系统的更真实的心脏和呼吸运动。
多边形格线模型
多边形格线由一系列的点、线、面组成，用于在三维空间中确定一个多面体的形状。模型表面有大量多边形格线定义，其中大部分是三角形格线。在开发全身模型方面，多边形格线技术有三个主要优点：一，描绘人体解剖学特徵的格线表面可以方便地从真人影像或商用解剖学格线模型中获得；二，多边形格线模型在调整几何构型方面有优异的灵活性，允许複杂的解剖学仿真；三，许多已有的商业化计算机辅助设计（CAD）软体（例如Rhinoceros, AutoCAD, VisualizationToolkit (VTK)）拥有能快速将多边形格线转换为NURBS内置功能。
发展现状
Segars是在模型设计中套用NURBS的先驱。2001年，他的博士论文详细地描述了开发基于NURBS的心脏躯干(NCAT)模型。这个模型利用四维标记的核磁共振影像（MRI）数据开发了四维心跳模型，躯干的其他器官基于可视化人项目(VHP)的CT数据设定和三维NURBS表面开发。呼吸运动也被加入到这个模型中。
9个月的孕妇模型
9个月的孕妇模型2005年，徐榭小组通过将NCAT模型的呼吸运动数据导入三维VIP-MAN模型，实现了对呼吸运动的模拟仿真。这个四维VIP-MAN胸部模型被用于肺癌病人的外照射放射治疗计画的研究。
2007年，徐榭小组开发了一系列基于多边形的模型，包括3，6，9个月妊娠期的孕妇及其胎儿。这些模型的相关格线数据最初分别来自未怀孕的妇女的解剖学信息，7个月身孕的孕妇的CT扫描数据和一个胎儿的格线模型。2008年，两个基于三角形格线的模型面世，被命名为RPI可变形成年男士/女士（RPI-AM,RPI-FM）。这两个模型的解剖学参数来源：内脏的质量和密度参数来自ICRP-23和ICRP-89，全身的身高体重百分比来自国家健康和营养检测报告（NHANES1999-2002）。之后为研究胸部尺寸和肺部剂量之间关係，通过调节RPI-AF的胸部几何参数，一组新的模型被开发出来。
2006年至2009年间，佛罗里达大学的研究人员设计了总计12个“混合”男性/女性模型，包括新生儿，1，5，10，15周岁儿童和成人。这些模型被视为“混合”，因为大部分器官和组织由NURBS表面模拟，而骨骼，大脑和外呼吸道由多边形表面模拟。解剖学参数经调整与4个相关数据集匹配，即标準人体数据，ICRP出版物（89版）的参考器官质量，ICRP 89和ICRU 46号报告的相关元素组成，ICRP出版物（89，100版）的消化道器官参考数据。
动作捕捉系统提取真人数据来决定CHAD的姿势
动作捕捉系统提取真人数据来决定CHAD的姿势2008年，范德堡大学和杜克大学的研究人员通过调整基于NURBS的NCAT成年男女模型，一同开发了一家的成人与儿童模型。该模型也用ICRP-89的参考人体和器官数值来对NURBS表面进行调整。
2009年，巴西Pernambuco联邦大学的Cassola等人，开发了一对基于多边形格线的站姿模型（FASH和MASH）。 方法与设计RPI-AM和RPI-FM时相似。
2010年，基于已有的RPI-AM，RPI的研究人员开发了5个具有不同身体质量指数(BMI)（从23到44kg∙m-2）的新模型。这些模型被用于研究CT和正电子发射断层扫描（PET）检查中BMI和器官剂量之间的关係。
2011年，韩国Hanyang大学的研究人员，公布了一个基于多边形表面的参考韩国男性（PSRK-MAN）模型。该模型通过将可视化韩国人（VKH-MAN）转换为多边形格线模型来实现。身高、体重和器官组织的几何参数经调整与参考韩国人数据相匹配。通过内置功能，PSRK-MAN不需要体素化就可以被直接套用于Geant4蒙特卡洛模拟，但耗时比高解析度参考韩国人（HDRK-MAN）所要求时间长70~150倍。
2012年，RPI的研究人员开发了用于动态剂量学（CHAD）仿真人体模型。通过连线动作捕捉系统，来动态调整模型的动作姿势。该模型可被用于模拟核事故情况下从业工人的运动过程，进而允许研究人员了解工人运动过程中改变姿势对辐射剂量的影响。