诊断学大辞典︱附录Ⅹ　虚拟人(Virtual Human)

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附录Ⅹ　虚拟人(Virtual Human)

医学与信息技术、计算技术的结合，人体信息的数字化是全世界科学研究的前沿性课题。以人类基因组计划的完成为标志，医学生物学正处于信息化为主要特征的时期，从基因构成到蛋白质的三维结构，再到细胞、组织以至器官的形态与功能，对人体信息的完整描述已经提到科学研究的日程。利用信息技术实现人体从微观到宏观的结构和机能的数字化、可视化，最终达到人体的整体精确模拟，将对医学生物学及人体相关学科的发展起到难以估量的影响。虚拟人正是人体的解剖学、生理学、生化学、运动学、临床医学、放射医学、内镜学、保健医学与计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、高度并行的实时计算技术等多项技术的更高层次的集成和渗透，目前已应用于教学、诊断、治疗计划、虚拟现实、艺术、数学及工业等多个领域。 　一、虚拟人的由来 　1986年美国国立医学图书馆(National Library of Medicine,NLM)预见到计算机网络运行速度的加快、处理和储存能力加强，数字图像的存储、传输和查阅将成为可能，这对临床和生物医学研究极为重要。于1989年决定首先建立一个完整的正常男性或/和女性的数字图像图书馆，使其能像文献索引一样可供查阅，这就是美国可视人计划(Visible Human Project,VHP)。其图像是由正常人尸体冰冻切片的数字照相、CT和MRI数字图像组成 (初步目标是将男性和女性尸体，平均每间隔 1mm，摄取CT、MRI和冰冻切片横截面图像，以相互印证)。1991年NLM与美国科罗拉多(Colorado)大学签约，由VictorM Spityer博士和DavidG Whitlock博士负责建立图像数据库。1993年一名39岁名叫Joseph Paul Jernigan的男子因为凶杀而在美国得克萨斯州被注射致死，尸体先用MRI和CT成像，随后用胶包埋、冰冻、以横断面间隔为1mm切成1871层横断切片， 每切一片用数码相机对其拍照，之后将数据合成三维的立体解剖结构。半年后处理的女性尸体横断面间隔仅0.33mm，共有5000幅解剖断层图像，上述由CT、MRI和解剖断层图像组成了男性和女性解剖数据库，并建成了可任意层面观察的可视人，其全部数据共 56GB(男13 GB，女 43 GB)。但美国的可视人基本上属于“解剖人”，仅从几何学角度定量描绘人体的结构。1996年，由美国橡树岭国家实验室牵头，美国科学家联盟又提出由虚拟人计划，他们设想，将人类基因组计划和可视人计划的研究结果结合起来，实现人体从分子到细胞、组织、器官系统和整体的精确模拟，完成人体的物理建模，使其能够模拟人体器官组织和整体在外界物理刺激下的反应。有专家称之为“虚拟物理人"简称虚拟人。这个阶段的物理人就不同于可视人，他会像真人一样对外界有反应：骨头会断，血管会出血。比如说，在做汽车碰撞试验时，虚拟人可以提供人体意外创伤的数据，帮助改进汽车的安全防护体系。生理人是第三阶段，它的开发将有助于对人类的细胞、器官及整体功能定量描述的数据库和仿真模型，以实现对人体功能的虚拟化研究。 　二、我国的研究情况及可视人的制作方法 　2001年11月5日～7日举行的主题为“中国人数字化虚拟人体科技问题”的第174次香山科学会议。会议由第一军医大学钟世镇院士、中科院计算所李华研究员和首都医科大学罗述谦教授担任执行主席，邀请了来自美国、韩国、香港、澳门和国内高等院校、科研院所的40余位从事医学生物学、计算机科学、机器人学、航天航空、机械加工、人体测量与标准、核辐射防护、体育训练和影视制作等研究的中外专家，跨领域的多学科交叉和大信息量交流是这次会议的特点。会议的中心议题包括了数字化虚拟人体研究意义、模型数据的获取方案与技术、医学图像处理方法学和数字化虚拟人体应用及平台等。数字化虚拟人体计划，将是一个大型的科学研究工程，涉及以人为中心的科学技术发展，使国内与人体相关的研究走向世界的前列。将数字化虚拟人体的高精度数字模型与不同专业领域的知识和需求相结合，将产生具有行业特色的应用模型。这一过程仍有许多关键技术需要解决，如：医学影像导引手术、机器人手术，整形外科在手术前后及术中的复杂变形可视化模型；特定环境血液流动模拟；环境辐射对人体的影响；汽车设计中的人体碰撞检测模型；三维服装设计，布料与三维人体表面的贴合；运动员训练过程动作分析，优秀运动员特定动作的轨迹合成与模拟……通过这次科学会议，在了解国内外科技前沿状况的基础上，结合我国的临床解剖学研究方向，钟世镇院士、李华博士、罗述谦教授等人向国家提出了建设“中国数字化虚拟人”的设想。很快，数字化虚拟人体若干关键技术的研究被列入国家“863”项目，由中国科学院计算所、第一军医大学、首都医科大学、华中科技大学等单位协作攻关。目前我国所完成的3例模型与当年科罗拉多大学所完成的工作差不多，所以称之为可视人要更科学。 　2002年，首例中国数字化可视人体(Digitized visible human)由第三军医大学基础医学部人体解剖学教研室的张绍祥等人制作完成。其方法：选择经肉眼观察、CT和MRI检查无器质性病变的中等身材、中年男性人体标本1例，经外形测量、血管灌注后，用5%明胶包埋，置入-30℃盐水池中冰冻1周，然后在-25℃低温实验室中用TK-6350型数控铣床(铣切精度为0.001mm)从头至足逐层铣切。逐层用高清晰度数码相机摄影，完成人体模型数据获取，得到人体结构数据集。利用连续断层图像数据，在SGI图像工作站上，用其课题组自主开发的三维重建软件包进行人体结构的三维重建和立体显示。结果：所选用标本为男性，35岁，身高1700mm，体重65kg，重庆人，非器质性疾病死亡。CT扫描层厚：头颈部为1.0mm，其他部位为2.0mm。MRI扫描层厚为1.5mm。连续横断面层厚：头部和颈部为0.5mm，其中颅底部为0.1mm，其他部位为1.0mm，全身共计2518个断面。数字化摄影分辨率为6291 456(3072×2048)像素，每个断面图像文件大小为36MB，整个数据集数据量为90.648GB。结论：①其研究为首例中国可视化人体(Chinese Visible Human)，使我国成为第三个拥有本国可视化人体数据集的国家。②美国已报道的可视化人体在断面标本制作前，将人体标本裁成了4截，造成了其中的3段数据缺损，标本生前切除过右侧睾丸，因而标本不完整，断层厚度为1.0mm和0.33mm，断面摄影分辨率为2048×1216像素；韩国已报道的可视化人体为65岁的老年标本，层厚为0.2mm。其报道的首例中国可视化人体为无器质性病变和缺损的中等身材的中年男性，为整个标本的连续断面，无节段性数据缺损，断面图像分辨率达630万像素，断面厚度达到0.1mm。因此，其研究在设备的先进性，数据的完整性、代表性和精确性上都超过国际上已有的报道。 　在可视人数据库的基础上，2000年美国科学家就已经建立了全身皮肤、肌肉、骨骼和心脏等部分器官的三维模型。韩国2000年开始的可视人计划也号称完成了第一例具有东方人种特征的人体数据采集。我们知道，人体模型数据的获取方案和技术有多种途径。现代医学影像学的仪器装备已有很大发展，利用螺旋CT、MRI和DSA，由许多二维的人体断面图像，通过计算机技术进行三维重建，可以转化为数字化的资料。这一部分工作可由临床影像学专家提出人体模型数据获取方案。若在PET和其他对人体功能有分辨性能的仪器协助下，可以进一步建立形态学与功能学相结合的数据库。但是影像学的技术方法有其局限性，当前影像学仪器能采集到的人体影像断层之间最小间距，只能达到1mm左右。由于间距较宽，精度不足，所建立的人体结构模型，不能满足许多现代高精度科技领域的需求。为了精益求精，在人体模型数据获取的技术上，还需要在尸体解剖上进行，冷冻创切的断层技术是其中的一种方法。其实美国VHP的模型上，还有许多尚需弥补的重大缺点，例如：血管和周围神经显示上尚属滞后，VHP的血管识别，目前仍依靠解剖学专家的人为识别后，再用计算机勾边处理的技术增强。这种依靠专家经验为主的识别方法，在准确性上尚存有缺点。美国虽然已经建立了人体的部分三维模型，但由于血管、神经等信息难以抽取和分割，目前世界上还没有见到完整的血管和神经模型，可以说美国建立的可视人数据集还不完整。故美国国立医学图书馆和其合作伙伴一直在网上征集对VHP解剖方法的建议，其征集的内容包括：(1)为多种成像模式数据的精确配准与对齐，要在新鲜尸体上做标记记号或某种参考框架增强MRI和CT图像。(2)建立可视人组织最佳固定方法所须的一组条件。(3)通过填充有色物质的鲁米那检测血管系统，该物质在可视人低温保存和低温切片时具有物理稳定性。(4)寻求一种具有能够在低温反应条件下检测外围神经系统结构的组织化学特性的化学标记物，使其能够将神经的图像与周围组织分开。(5)开发包括测试光的极化、本征荧光及多谱成像数据的数字数据采集方法，以实现识别和检测解剖结构之目的。内容的第(1)、(2)意在采集多种模式图像，便于精确配准；第(3)、(4)条要增加人体血管和神经的信息，第(5)点则表明要提高组织重建准确性。我国不少临床解剖学有关专家，已经掌握了血管神经的较先进的显示技术，如第一军医大学的血管铸型标本制作技术，第三军医大学塑化薄层标本保留技术，完全有可能把与外科手术特别重要的血管和神经显示得更好， 该项技术与计算机技术相结合，可弥补现有可视人血管显示不充分的缺陷，使中国可视人达到国际先进水平。 　三、虚拟人的近期研究可能将与以下几方面联合发展 　(1)要从断层扫描数字图像精确的重建出虚拟人，涉及到一系列图像采集和处理的科学和技术问题，如图像的分割、分类、配准、重建和显示等，这些都是当前医学图像处理研究的重点和热点问题。①虚拟人图像是建立在断层扫描技术(Tomography)的基础之上的。所谓断层扫描是指对人体分层扫描，每层是一幅由称作像素(pixel)的最小元素组成的二维平面图像，像素的强度被数字化。一系列的连续层片形成人体的一部分，其最小组成元素称为体素(voxel)。这些体素的强度值构成人体数据库。可以采用各种算法对数据进行加工和处理，产生所需的图像。因此，虚拟人图像质量的基础在于人体数据库的高精度、高可靠性的获取。虚拟人的现代医学图像处理与分析是计算机、信号处理、解剖学、神经科学、核技术、放射科学、心理学等多学科、多领域交叉科学。人体图像数据获取也绝非是一个简单的图像扫描操作，而应由多学科、多领域的专家合作，精心设计才能完成。美国可视人的数据质量就存在严重的问题 ，例如可视人数据胸部、大腿上部及小腿的横断面都有数据缺失及采集过程损坏现象。中国虚拟人计划增加人体功能图像的采集。活体功能数据采集涉及身体运动及生理噪声的干扰，需要有良好的抑制噪声、消除运动及生理伪迹的滤波技术，以增强图像的信号噪声比。可视人数据库包括海量数据，如果通过因特网提供服务必须考虑数据压缩问题。美国的可视人每层片的原始数据有2048×1216个24位彩色像素，未压缩数据是7.5MB。整个数据库为14GB(男 ),39GB(女 )。初始处理包括剪裁原图像 ，去除骨胶背景。原图像是轴向的，须重构冠状及矢状两正交平面图像，并用75%质量值转换为JPEG格式。图像质量略有退化。使轴向层片数据在50～180KB，另两个方向层片略大些，为50～350KB。中国虚拟人计划包含信息更多，数据的压缩与图像质量问题应妥善解决。②虚拟人的医学图像分割和分类需要计算机及医学领域专家密切合作。其中较关键是要完成从数据到知识的转化。无论是2D断层扫描数据，还是3D体数据库都无法让人们直观地了解人体。要想做到这点，必须将这些数据可视化。即精确构建2D和3D交互式浏览器，实现2D任意方向剖面浏览及解剖结构3D可视化。这项工作除医学图像分割与分类算法外，解剖标识可以将可视化的器官 (组织 )与解剖名词联系起来，便于实际应用。但是，目前并无建立这种联系的标准。在基于图像的结构描述和表示方面需要做基础研究，以将基于图像的结构-解剖数据与基于文本的功能-生理数据联系起来。医学领域专家 (包括眼、耳、头颈、胸、腹等科 )的积极参与是虚拟人最终质量的决定性因素之一。包含多种信息的虚拟人数据挖掘与知识发现也是重要的研究内容。③虚拟人应包含解剖与功能等多种信息的医学图像。美国可视人基本上是解剖人，不包含任何人体功能信息。用传统的成像技术是无法了解人体器官或组织的功能的。近10年来伴随科学技术的发展出现了多种反映人体功能 (新陈代谢、感官、认知、药物动力学等 )的成像方式。例如PET(正电子断层扫描像 )、SPECT (单光子发射断层扫描像 )、fMRI(功能磁共振成像 )及Optical Intrinsic Imaging(本征光学成像 )等。有了这么多种成像方式，就可以从解剖、功能、生理及生化等方面更加全面了解人体。由于功能成像必须是健康活体采集，若对死刑犯采集可能存在心理对功能影响问题。对功能图像质量评估存在一定困难。若对不同受试者采集功能图像，则存在功能信息与解剖信息有效融合的问题。不同人体信息的融合涉及复杂形变的配准等难题。④虚拟人计划应加强具有复杂形变的配准方法研究。在临床诊断、放射治疗计划和图像引导手术中，经常要求病人接受多种计算机断层扫描成像，以提供病理和解剖方面的互补信息；但由于病人在成像时的定位差异，以及不同图像的分辨率、对比度等参数的设置不同，医生很难单凭想像将多幅图像准确地对齐。医学图像配准就是通过寻找某种空间变换，使两幅图像的对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点都达到匹配。没有配准功能，虚拟人数据只是一个孤立的模型，有了精确配准可视人数据才能得到充分的应用，实现标准数据与正常人或病人比较。由于人体个体解剖差异，需要具有复杂形变的配准方法研究。⑤虚拟人计划应与现代计算医学紧密结合。无论人体解剖结构精确重建，包括边缘、轮廓提取、感性趣区(ROI)提取，产生人体器官、组织形状、大小及空间位置，与周围器官、组织的相互关系或3D可视化技术都需要涉及处理大量数据、复杂算法。这整套的处理方法已经形成一门新的科学 ，即计算医学。虚拟人的应用突出地显现了计算医学的威力。一个典型的例子是图像指导的治疗 (Image Guided Therapy,IGT)技术。由于用图像实时引导手术过程要求对术间获取的图像在尽可能短的时间内处理，而一个包含结构形态改变的体积图像，在考虑人体组织的材料特性的情况下，须解数十万乃至数百万个方程，属于高性能计算(HPC)，只能用超级计算机并行实现。哈佛大学使用Sun Microsystems公司的Ultra HPC6000超级计算机。它由20个250MHz Ultra SPARC-II，有4MBEcache的CPU组成，系统RAM为5GB。对生物力学的人脑形变运算时间约10～20秒，不只限于手术仿真，而且已经临床应用2例。他们还实验了其他的方案，例如，使用多个CPU为533MHz,RAM为768MB，硬盘2.1GB的Compaq Alpha工作站通过10/100Mbps以太网联结的机群结构，得到相近的效果。IGT的出现不足10年的时间，由于它对提高现代临床医学，特别是疾病治疗和手术水平方面的巨大影响，因此发展十分迅速。 　(2)人体骨骼、肌肉结构的模拟“George”是 Zeltzer开发的一个由计算机生成的、能够行走的骨架，这是计算机人体模拟上取得的第一个重大突破。从此，人们引进了深度和维数的信息，来更好地理解计算机所生成的三维的人体模型使用一个由计算机生成的带有肌肉和肌腱传动器的髋关节模型，Delp和 Malone可以对某些髋关节移植手术的结果进行预测。通过模拟25个肌肉-肌腱复合体，他们算出了腿部的外展、内收以及弯曲所能产生的最大力量与髋关节位置之间的关系。使用这个模型，可以预测髋部修复术对于各个肌肉群的影响。Chen和 Zeltzer提出了一种方法，将计算机动画同肌肉的生物机械模拟结合起来。使用从 CT、MRI数据重建的图像和 Swivel的3D专用建模软件，可以用有限元方法合成出人体小腿肌肉的多边形模型。该模型可以模拟肌肉的力量，并对肌肉收缩的动力学进行可视化。 　(3)人体动力学的模拟引进了解剖图像和三维的数字化骨架，并对肢体和关节的生物机械学进行了评测之后，Mc Kenna开发了一套模拟“复杂的人体动力学”的系统。他的人体模型带有 90个自由度，每英尺上带有28个自由度。能够模拟的行动包括起立、伸手、踮脚尖、行走和摔倒等。Renault和 Thalmann提出了一种模拟人在走廊中移动而不会撞上障碍物的方法。他们使用一种合成了视觉和位移的自动操作系统，下达“沿着走廊前进”和“避开障碍物”两种指令，来指导行动者在房间内移动。 　(4)在当前的医学图像分析和研究中，构建一个高精度、高速度、又易于操作的三维数字化人脑图谱(digitized atlas of the human brain)的工作引起科学家们的重视。例如，用MRI数据生成的图谱可以清楚地看到人脑内部复杂的空间关系，在手术计划、模型驱动分割(model driven segmentation)及神经解剖教学方面都有重要的应用。数字化人脑图谱是用某种特定的扫描装置获取的人体数据经3D分割处理，加上解剖标识再辅以3D可视化技术的结果。因此医生可以在3D空间对人脑中感性趣的对象任意旋转和平移，做认真细致的观察。这无疑是手术步骤计划的重要参考信息。当然也是神经解剖教学的较好工具，在图谱中各神经解剖结构间的空间关系很容易被识别。特别是，人脑的主要组成部分在图谱中都有相应的解剖名词标识，并能在鼠标控制下显示。图谱的这一特性使它可以用做模型驱动分割的模板。对任何待分析的新的脑图像的多个感性趣区同时做特征描述。另外，大脑的结构和功能的模拟为了提高我们对大脑的结构和功能的认识，欧洲 MAGNOBRAIN研究项目的 Anogianaski等人正在将脑磁图、脑电图及MRI数据结合起来。并将大脑分割为150万个大小为 1 mm的立方体，对每个立方体赋予相应的解剖学、结构学和电生理学的属性，从而建立一个带有丰富细节信息的大脑数据库。使用 BRAINQUERY软件来处理MRI数据，他们实现了大脑结构的可视化。现在，研究者正努力将数据转化到一个虚拟现实的系统之中，从而对大脑内部的功能关系实现更加准确的可视化。波士顿的 The Brigham and Women's Hospital和 General Electric R& D Center合作开发了一个脑模型。他们使用一副特殊的眼镜把图像转换成“立体”格式 ，产生真实的深度幻觉。在计算机键盘上击键，可以使脑子旋转，并逐层剥离大脑皮层、灰质、白质等，显示大脑的内部结构。目前，数字化人脑图谱主要应用于以下几方面：①神经解剖教学：对不同解剖结构的形状、构造及其之间的关系的显示是件困难的事情。数字脑图谱可以给学生提供一种直观地学习神经解剖学快速而有效的方式。学习时可以与常规图谱书一起使用。由于是数字化的3D数据库配合灵活快速的表面重建和浏览功能使学生能从各角度观察指定的解剖结构，观察的对象也可很方便地选择。所以是一个很好的教学工具。②手术计划：数字化人脑图谱可以为外科手术步骤的计划提供详实的参考信息。例如对神经胶质瘤患者的手术计划。医生所面临的挑战是如何防止对皮层脊髓束的损伤。有了图谱给出的准确、可靠的解剖参考，尽管使用交互式刚性配准方法在手术室可以作到大致的对准，医生还是深感能在手术之前得到这些信息是十分重要的，数字化人脑图谱预报的位置在手术中得以确认。这些知识增强了神经外科医生手术的信心，可以最大限度地避免对关键脑组织的伤害。下一步可以考虑使用弹性形变算法达到更好的匹配。③模型驱动分割：由于人体解剖个异性差别较大，人脑中许多组织和结构的图像灰度分布互相重叠，使人脑图像分割具有很大的难度。医学图像的分割是医学图像研究永恒的话题，图谱的信息可以用于指导分割算法的研究。因为成像方法本身的对比度不能区分组织相似但功能不同的结构。特别是目前的功能图像空间分辨率较低。图像对比不能反映的信息主要靠图谱来提供。从图谱信息到受试者或病人的影像主要使用弹性匹配方法。关键是如何建立结构间的对应关系，已有一些数学方法可以解决这类问题。④仿真多种成像方式：利用人脑图谱数据和特定的其他成像模式的原理相结合，可以用计算机模拟产生PET、SPECT或fMRI图像 ，构建多种模式的仿真脑图像体数据集供诸如配准等图像方法学研究。实际上，除MRI外，目前已有一些用其他成像模式直接扫描构建的PET和SPECT数字化人脑图谱。这些图谱系统地提供人脑的功能信息，与已有的提供解剖信息的MRI图谱结合起来，在神经解剖学的研究及临床应用中必将发挥更大的作用。 　(5)人体中最难模拟的区域是脸部。早在20世纪80年代早期，Platt和 Badle使用一个包括皮肤、肌肉和骨骼的三层模型模拟了人的脸部。皮肤是用三维坐标下的一系列来表示的，骨骼是用皮肤下的一个刚性表面来表示的，而肌肉则是由一组肌肉纤维的点来表示的。它们通过弹性的弧线同上层的皮肤和下层的骨骼相联系。皮肤上的点也是通过弧线同相邻的点相连的。Pieper使用由 CT和 MRI扫描重建的病人图像，创造了一个带有丰富细节信息的脸部模型。它的原型-计算机辅助整形手术 (CAPS)系统，可以对脸部软组织的整形手术进行计划、分析和可视化。使用有限元方法和一个模拟软组织的生物机械学的通用模型，可以预示手术结果。怎样将此成果与虚拟人结合并发展将是一项很好的课题。 　(6)器官的模拟Satava开发出了一个腹部的虚拟现实模型，用来教授医学院的学生们腹部器官的详细解剖，以及教授外科住院医师们手术的技巧和操作的程序。在这个仿真器中，人可以在消化道中漫游，并观看胆和胰腺。该模型允许观察者从器官的外部来观察解剖构造，就像传统的剖腹手术一样，观察者还可以从器官的内部来进行观察，这种模式被称为“漫游”，就像在进行内窥镜检查一样。Merril也开发了一个人体躯干模型，其中的虚拟器官能够模拟真实器官的一些属性，例如：弯曲、伸长以及切割器官时产生的边缘收缩现象。 　(7)虚拟人体同真实人体数据的融合：①虚拟现实(AR)技术的本质在于将真实世界的景象同计算机生成的对象结合起来，主要使用的方法有两种：光学结合器和视频技术。光学结合器在视频显示上添加一个半透明的镜片，透过该镜片可以看到真实的世界，与此同时，将计算机生成的图像反射到镜片上；而第二种方法则是透过固定在头盔式显示器(HMD)的视频照相机观察外部的世界。将视频图像与计算机生成的图像用数字的方法结合起来，然后显示在HMD上，也可以使用传统的显示器来代替 HMD。The Institute of Laryngology and Otology,UK正在积极地开发一个 AR系统，他们使用了实时体绘制技术，能够对病人的数据进行配准，并且对手术仪器进行追踪。北卡大学的超声小组已经开发出了一个将超声数据同活体的视频图像结合在一起的系统。该系统成功地将一个胎儿叠加在孕妇的腹部上显示出来。这项功能可以用来更准确地进行妊娠检查和羊水诊断。神经外科手术中的立体定位是最精确的外科程序之一。为了在开放的手术中充分发挥立体定位的精确性，研究人员们正在努力开发一种无框架的系统。Roberts等人开发的系统能够将CT、MRI和DSA数据准确地叠加在手术区域之上，以此来提供手术导航指导。纽约大学医学中心正在使用一种带有实时数据融合功能的解剖结构显示系统。使用该系统，外科医师可对大脑深处的肿瘤切除进行术前计划。在手术过程中对肿瘤实现实时可视化，并将计算机生成的图像叠加于手术区域之上。医学媒体系统已经开发出了一个使用计算机辅助进行膝关节内窥镜手术的机器原型。在这个系统中，事先采集的膝盖的 MRI数据经过重新格式化之后，生成一个三维的虚拟模型，然后叠加在实时获得的膝盖的内窥镜的图像之上。Preview是一个由 MMS开发的图像处理系统，它可以使用 CT或 MRI数据来创建三维的模型。该模型同 CAD图像相似，可以交互式地进行处理。在手术室内，一个视频成像系统同该计算机模型进行配准，将外科医师所见到的实时图像叠加到该计算机模型之上。②手术模拟：现在的手术模拟是融合了高分辨率、高对比度的尖端图像采集技术、新颖的计算机图形学的绘制算法、与图像数据相关联的物理建模技术和实时的、高性能的、多处理器的计算机图形学系统的产物。手术模拟的主要应用区域有教学、培训、诊断、术前计划、康复和手术器械的建模和分析。最早的商业手术训练系统之一是“MIS Training and Rehearsal System323”。它包括带有高分辨率阴极射线管的立体 HMD，并连接到33MHz的SGI Elan工作站(11万个明暗处理后的多边形/秒)。仿真软件可以产生一个虚拟病人；要更逼真地进行训练，还可以把扫描图像的数据覆盖于虚拟的病人模型之上。HMD的设计允许在正常的视线上观看虚拟场景。仪器和其他诊断设备可以显示在视线以下的任何地方。工作站可以连接多个 HMD，使得参与者与做微型介入手术(minimally invasive surgery)的专家见到同样的立体场景。另外，使用一个普通的2D彩色监视器将手术过程显示给观众。该系统还配备了聚焦光源，指导者可以为参与者指出各个有意义的部位。位于华盛顿大学的人机接口技术(HIT)实验室的综合医学接口实验室(LIMIT)正在参与一个用于训练内窥镜的瘘管手术的VR模拟器的构造和评估项目。该模拟器能够提供与复杂的体数据的直观交互和触觉反馈。其视觉接口的帧频能够达到20Hz。日本东京的国家肿瘤中心医院正在开发一个VR的手术会议系统，用于教学、培训和肿瘤手术计划。该系统使用两台视频照相机，能够模拟虚拟的器官和肿瘤，通过一个头部定位的显示装置进行察看，在对癌症模型进行手术的过程中能够同时对病人器官的真实的视频图像进行交互。一种使用VR技术来指导医师进行血管内手术的系统使用了力反馈装置，让医师知道是否已经碰到了血管壁。这种系统将3D可视化技术和力反馈技术添加到通常的导管程序中去。该系统还能够使用MRA和CTA，来建立一个虚拟的脉管系统的模型。 　(8)随着计算机技术、图像处理技术、三维医学成像技术、虚拟现实技术等现代信息技术的发展，出现了一种新兴的三维可视化工具-虚拟内窥镜 (Virtual Endoscopy)。虚拟内窥镜由计算机生成的基于 CT和MRI图像的人体解剖结构的三维视图组成。计算机显示连续的三维器官内腔结构视图，使用者可以沿这个虚拟的内部空腔做飞行观察，模拟传统的内窥检查过程 ，所看到的情况就像用视频内窥镜观察到的一样，甚至还可以显示解剖结构的三维外观图像以及各个方位的CT和MRI断层图像。虚拟内窥镜用虚拟现实显示系统来实现，可以让医生一边观察解剖结构一边逼真地操纵观察方向，还提供了光学内窥镜所不具备的如视向、视角、视野、转换、照明、测量等观察、控制和选择功能。其视觉反馈定位和导航系统确定操作者相对于实际解剖结构的距离和方向。此外，还可以把虚拟视图与光学内窥镜图像及术后病理数据做比较 ，验证虚拟内窥镜的检查效果。与光学和视频内窥镜检查(Optic Endoscopy and Video Endoscopy)不同的是，虚拟内窥镜检查是非侵入性的，不会给病人带来不舒服感，也不会产生任何如穿孔、感染和出血等副作用。此外，虚拟内窥镜能够对同一个器官对象任意地进行重复检查，并且可以模拟检查光学内窥镜接触不到或不能检查的人体内部许多重要的系统如脑、脊椎管、内耳、胆汁管、胰腺管、大血管等，从而极大地降低了检查难度，减少了意外事故的发生，目前的应用仅仅局限在教学、培训和设计治疗方案等少数领域，且处于初级研究阶段。随着医学成像和计算机、虚拟人等相关技术的飞速发展，虚拟内窥镜的临床应用将指日可待。 　最后，通过虚拟人计划给我们的启迪是，古老的人体解剖学若能与前沿性的信息技术相结合，把单纯的人体结构与物理学、生理学、生化学、生物医学、临床医学、放射医学、核辐射防护、内窥镜学、保健医学、运动学、计算机科学、机器人学、航天航空、机械加工、体育训练、现代影视制作、广告、通信、产品设计等相结合，科研选题将更加宽广，将会有更多、更新的科研成果出现。