數位化虛擬人體

模型，NASA提出的CAM模型等。 2005年，RPI的Dr. 2012年，RPI的研究人員開發了活體虛擬人計量學（CHAD）模型。

數位化虛擬人體是指將人體結構數位化,通過計算機技術和圖像處理技術,在電腦螢幕上出現一個看似真實的模擬人體,再進一步將人體功能性的研究成果加以數位化,由信息科學家將其轉變為電腦的語言符號,賦加到這個人體形態框架上,經過虛擬現實技術的交叉融合,通過操作者的調控,這個"虛擬人"將能模仿真人做出各種各樣的反應,若設定有聲音和力反饋的裝置,還可以提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感。虛擬人的全部研究發展包括四個階段：“虛擬可視人”、“虛擬物理人”、“虛擬生理人”和“虛擬智慧型人”。

數位化虛擬人體以三維形式顯示人體解剖結構的大小、形狀、位置及器官間的相互空間關係，可有效利用人體的信息，開發多層次需求，實現了人體解剖結構信息的數位化，使人類在認識自身結構方面前進了一大步。
數位化虛擬人體是在計算機分析中使用的人體模型。自從20世紀60年代，放射學協會已經在電離輻射計量學研究中發展運用這類模型。這類模型在人體內部結構方面的認識發展迅速。因為引入了數位化概念，虛擬人的概念被提出。從最初基於二次方程的簡單模型發展到之後基於實際的人體醫學影像的體素模型，是一個巨大的進步。最新的模型基於更先進的數值方法，包括非均勻有理基準樣條法（NURBS）和多邊形格線技術。這種方法不再局限於三維空間，可以使仿真模擬在包括時間維度的四維空間中展開。模型涉及多種類型，包括男性和女性的兒童、青少年、成人，還包括孕婦。基於這些模型，許多仿真模擬可以實現，包括計算來自醫學成像過程和放射性藥物的輻射劑量。仿真模擬的結果已被用於制定被國際輻射防護委員會採納的標準。
目錄

1 程式化模型（第一代模型）

1.1 MIRD模型

1.2 改進的MIRD模型

1.3 程式化模型的限制

2 體素模型（第二代模型）

2.1 來自實際套用的挑戰

2.2 體素模型的基本發展過程

2.3 早期發展

2.4 體素模型的進步

2.5 最近的發展

2.6 統計模型

3 邊界顯示模型

3.1 基於NURBS方法的模型

3.2 多邊形格線模型

3.3 發展現狀

1程式化模型（第一代模型）
第一代虛擬模型被用於更好地評估工人或病人體內沉積的放射性材料的對組織器官的輻射劑量。直到20世紀50年代，國際輻射防護委員會（ICRP）依然使用這種非常簡單的模型。 在這種模型中，人體器官被簡單得以各種“有效半徑”的球體代替。放射性核素被設定在球中央，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發展和測試過程中的人體頭部模型。 然而，科學家嘗試以更真實的方式模擬人體器官乃至整個人體，這樣就產生了類似於人體解剖的程式化擬人模型。
通常，程式化的虛擬模型是人體的數位化展示，配以模特卡羅放射輸運代碼，可用於追蹤人體內的輻射反應和能量沉澱。通過改變描述各個器官體積、位置、形狀的方程的參數，程式化模型可以被有效地調節。從20世紀60年代到80年代，程式化模型經歷來一個長期的發展過程。
1.1MIRD模型
20世紀60年代，在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL），MIRD模型 由FisherandSnyder提出，它包括22個內部器官和100多個子區域。 它是第一個用於內部計量學的擬人化無性別區分的模型。
1.2改進的MIRD模型
基於MIRD模型，數年間多個改進版被提出。主要包括：
CristyandEckerman於20世紀80年代提出的程式化“家庭”模型系列，GSF（德國）提出的"ADAMandEVA"模型，NASA提出的CAM模型等。

“家庭”模型系列

1.3程式化模型的限制
儘管在輻射防護、放射治療、醫學影像套用方面做了很多擴展和創新，但程式化模型固有的限制無法被突破。因為只有器官位置和幾何構型的大體特徵，程式化模型只是對內部器官的粗淺展示。藉助於20世紀80年代快速發展的計算機和治療成像技術，虛擬人進入體素時代。
2體素模型（第二代模型）
程式化模型僅僅提供最基礎的信息，並有很大的誤差，有必要發展更精確的仿真技術。為促進進一步的研究，計算機技術要更強大更有效。真正的突破來自CT和核磁共振成像的實現與套用。它們能夠產生精確的數字形式的三維內臟圖像。研究人員收集這些診斷數據並將它們轉化成體素形式，實質上已三維方式重建了人體模型。到目前為止已有超過38不同用途的體素模型。
2.1來自實際套用的挑戰
體素模型發展過程中兩個主要的困難是獲得有用的影像和處理從這些影像中產生的大量數據。CT掃描對人體產生大劑量的電離輻射,這正是設計虛擬模型來首先規避的事物。核磁共振不產生電離輻射，但需要很長的時間。大部分掃描只針對人體的一小部分的單個器官，然而為獲得有用的數據，需要一系列全身的掃描。處理這些數據同樣面臨問題，儘管新的計算機有足夠大的硬碟來存儲數據，但將這些圖像處理為理想的體素尺寸對記憶體要求很高。
2.2體素模型的基本發展過程
儘管有很多的體素模型，但它們都經歷相似的發展途徑。首先，要通過CT掃描，核磁共振成像或直接的解剖學照片獲得原始數據。其次，人體不同部分要從其他組成中分離或區分出來。第三步需要確定各部分的密度和物質組成。最後，數據要被統一到一個三維結構中以方便未來使用。
2.3早期發展
最初的關於體素模型的工作同時但獨立地由范德比爾特大學的Dr.Gibbs和德國的環境與健康國家研究中心（GSF）的Dr.Zankl開展。 這大概在1982年。Dr.Gibbs的工作並非起始於CT或核磁共振成像，而是從X射線影像開始，主要針對醫學劑量仿真的人體模型重建。M.Zankl和他的團隊則是利用CT影像先後創造了12個模型，從BABY到VISIBLEHUMAN.

RPI的VIP-MAN模型

2.4各國體素模型的發展
美國
耶魯大學的Dr.Zubal及其團隊，1994年，VoxelMan模型。[15]這個模型只完成了從頭到軀幹，針對發展放射性藥物。
倫斯特理工學院（RPI）的Dr.GeorgeXu和兩名學生，2000年,VIP-Man模型。這個模型的數據來自國家醫學圖書館（NLM）的可視化人（VHP）項目。 這個模型擁有37億個體素，到目前為止，是最複雜的模型，被用於涉及醫學物理和醫藥學的多項研究中。
佛羅里達大學的Dr.Bolch及團隊，2002至2006年，發展了一系列兒科模型，範圍從新生兒到十多歲的少年，彌補了長期的兒童模型的不足。
美國食品藥品管理局（FDA）發展了基於體素概念的可視化家庭人體模型 ，用於X射線計量學研究。Dr.Gu和Dr.Kyprianou，2011年，利用高解析度的基於體素和格線技術的男性和女性心臟模型，使得冠狀動脈的細節信息可見 。
巴西
Dr.Kramer基於耶魯的Zubal成果，創造了與國際輻射防護委員會要求相似的MAX模型 。
英國
由Dr.Dimbylow領導的團隊，1996年，NORMAN模型 ，基於核磁共振影像。2005年有開發了一個女性模型。
澳大利亞
Flinders大學的Dr.Caon及其團隊，1999年，開發了一個軀幹模型來模擬一位女性青少年，被命名為ADELAIDE ，填補了當時女性青少年模型的空白。
日本
日本原子能研究所(JAERI)的Dr.Saito及其團隊，2001年，開發了第一個亞洲人體模型 ，主要用於輻射劑量學研究。
國家信息與交流技術研究所(NIICT)的Dr.Nagaoka團隊，基於核磁共振成像，幾乎與JAERI團隊同時，開發了各一個男性和女性模型。
韓國
自從2004年，Drs.LeeandKim已開發多套虛擬模型，包括男性和女性模型。 高清晰度參考韓國人（HDRK）以一具屍體的彩色照片為參照開發，與RPI的VIP-MAN開發過程相似。
中國
2000至2010年間，中國政府啟動了自己的可視化人項目。 中國輻射防護研究所的Dr.Zhang及其團隊開發了CNMAN模型，是目前為止最精確的虛擬人模型。
德國
M.Zankl與同事利用CT影像組建了一系列獨立的體素模型，包括3個兒童模型和一個24周身孕的孕婦模型。
2.5最近的發展
2.6統計模型
基於統計方法的具有人種差異的虛擬人模型被開發出來，套用於內部放射性核素計量學和放射性藥物研究。這種針對不同人種的統計方法保證了解剖學真實性，也為放射性核素計量學的套用提供了統計參數。
3邊界顯示模型
邊界顯示模型(BREP)套用邊界顯示技術，包含有人體的外部和內部解剖學特徵。在醫學物理領域被用於電離輻射計量學研究。
在虛擬人的發展過程中，“可變形”的概念一直受到廣泛的關注。這樣可以方便的改變幾何參數來適應不同的體貌特徵和運動姿勢。通過非均勻有理基準樣條(NURBS)方法和多邊形格線技術，這一設計得以實現，它們被統稱為BREP方法。與體素模型相比，BREP模型更適於變形與調整。因為一系列虛擬操作可以被實現，包括拉伸、倒角、混合、錯位、剝離和扭轉。BREP模型的最重要的優點是既可以變形為已有的標準模型，又可以變為真實場景下的工人或病人的解剖學模型，從而使得個性化劑量計算成為可能。
3.1基於NURBS方法的模型
基於非均勻有理基準樣條(NURBS)法的模型表面由一系列NURBS方程定義，這些方程從一些控制點產生。NURBS的表面的形狀和體積隨著控制點的坐標改變，這一特點被用於設計具有時間依賴性的四維人體模型。 由Segars等人開發的NCAT模型就是其中的一個例子，被用來模擬心肺系統的更真實的心臟和呼吸運動。
3.2多邊形格線模型
多邊形格線由一系列的點、線、面組成，用於在三維空間中確定一個多面體的形狀。模型表面有大量多邊形格線定義，其中大部分是三角形格線。在開發全身模型方面，多邊形格線技術有三個主要優點：一，描繪人體解剖學特徵的格線表面可以方便地從真人影像或商用解剖學格線模型中獲得；二，多邊形格線模型在調整幾何構型方面有優異的靈活性，允許複雜的解剖學仿真；三，許多已有的商業化計算機輔助設計（CAD）軟體（例如Rhinoceros,AutoCAD,VisualizationToolkit(VTK)）擁有能快速將多邊形格線轉換為NURBS[33]內置功能。

9個月的孕婦模型

3.3發展現狀
Segars是在模型設計中套用NURBS的先驅。2001年，他的博士論文詳細地描述了開發基於NURBS的心臟軀幹(NCAT)模型。這個模型利用四維標記的核磁共振影像（MRI）數據開發了四維心跳模型，軀幹的其他器官基於可視化人項目(VHP)的CT數據設定和三維NURBS表面開發。呼吸運動也被加入到這個模型中。
2005年，RPI的Dr.Xu等人通過將NCAT模型的呼吸運動數據導入三維VIP-MAN模型，實現了對呼吸運動的模擬仿真。 這個四維VIP-MAN胸部模型被用於肺癌病人的外部束流治療方案的研究。
2007年，Dr.Xu團隊開發了一系列基於多邊形的模型，分別展示了3，6，9個月妊娠期的孕婦及其胎兒。 相關格線數據最初分別來自未懷孕的婦女的解剖學信息，7個月身孕的孕婦的CT掃描數據和一個胎兒的格線模型。2008年，兩個基於三角形格線的模型面世，被命名為RPI可變形男士/女士（RPI-AM,RPI-FM）。 這兩個模型的解剖學參數來源：內臟的質量和密度參數來自ICRP-23和ICRP-89，全身的身高體重百分比來自國家健康和營養檢測報告（NHANES1999-2002）。之後為研究胸部尺寸和肺部劑量之間關係，通過調節RPI-AF的胸部幾何參數，一組新的模型被開發出來。
2006年至2009年間，佛羅里達大學的研究人員設計了總計12個“混合”男性/女性模型，包括新生兒，1，5，10，15周歲兒童和成年男女。 這些模型被視為“混合”，因為大部分器官和組織由NURBS表面模擬，而骨骼，大腦和外呼吸道由多邊形表面模擬。[42]解剖學參數經調整與4個相關數據集匹配，即標準人體數據，ICRP出版物（89版）的參考器官質量，ICRP 89和ICRU46號報告的相關元素組成，ICRP出版物（89，100版）的消化道器官參考數據。

動作捕捉系統（中）提取真人活動數據（左）來決定CHAD模型（右）的姿勢

2008年，范德比爾特大學和杜克大學的研究人員通過調整基於NURBS的NCAT成年男女模型，一同開發了一家的成人與兒童模型。 其中用到ICRP-89的參考人體和器官數值來調整NURBS表面。
2009年，巴西Pernambuco聯邦大學的Cassola等人，開發了一對基於多邊形格線的站姿模型（FASH和MASH）。 方法與設計RPI-AM和RPI-FM時相似。
2010年，基於已有的RPI-AM，RPI的研究人員開發了5個具有不同身體質量指數(BMI)（從23到44kg∙m-2）的新模型。 這些模型被用於研究CT和正電子發射斷層掃描（PET）檢測中BMI和器官劑量之間的關係。
2011年，韓國Hanyang大學的研究人員，公布了一個基於多邊形表面的參考韓國男性（PSRK-MAN）模型。 該模型通過將可視化韓國人（VKH-MAN）轉換為多邊形格線模型來實現。身高、體重和器官組織的幾何參數經調整與參考韓國人數據相匹配。通過內置功能，PSRK-MAN不需要體素化就可以被直接套用於Geant4蒙特卡洛模擬，但耗時比高解析度參考韓國人（HDRK-MAN）所要求時間長70~150倍。
2012年，RPI的研究人員開發了活體虛擬人計量學（CHAD）模型。通過連線動作捕捉系統，該模型的姿勢可以被調整。 該模型可被用於模擬核事故情況下從業工人的運動過程，進而允許研究人員了解工人運動過程中改變姿勢對輻射劑量的影響。
2013年，中國科學技術大學(USTC)核科學技術學院(SNST)輻射防護教研室(RMD)在新一代數位化虛擬人體的研究套用方面開展了全新的工作。