（一）立項依據與研究內容：
1. 專案的立項依據
數字人體是乙個涉及多學科多領域的綜合性研究課題，是現代醫學與資訊科學相互交叉的乙個全新領域，它利用數位化技術實現人體解剖結構和機能的視覺化，為人體研究相關領域提供研究平台與技術支援。數字人體研究在醫學研究與教學、新藥開發、組織工程、人體**工程、核放射**和科學普及等方面有著廣泛的應用前景[1]。基於數字人體的各種技術，特別是基於「虛擬中國人男一號」資料的多模式影象融合（fusion）及三維影象視覺化技術[2]，可在醫學領域開展應用性研究，對加快推進數位化虛擬中國人體研究成果與臨床實用學科的結合意義重大。
數位化虛擬人體多模式影象融合是數字人體研究的重要部分之一，也是進行臨床應用的重要基礎[3]。構成「虛擬中國人男一號」的資料集有兩種型別：一是通過冰凍斷層銑削的高解析度彩色斷層**資料；二是同一人體的計算機斷層成像（computed tomography，ct）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，mri）醫學影像資料。
這些非同源影象資料為人體研究和臨床診療帶來了海量的、全新的、多方位的素材，如何充分利用這些資訊資源，是乙個值得**和研究的問題[4]。非同源影象的資訊融合便是解決此問題的有效途徑之一。如果能將非同源資訊進行綜合分析，使各種影象對同一器官反映的資訊達到融合，則對器官的資訊表達能力將超過單個影象的表達能力之和，能將來自結構和功能的資訊進行整合[5]。
由於各種影象的成像裝置不同，成像原理不同和引數條件不同，使得非同源影象各自的特徵不同，因此其相互之間融合的技術方法也有所不同。
近年來，醫學影象融合在臨床放療應用研究中引起了廣泛的關注，如顱內腦腫瘤病變的定位。ct、mri在確定腦腫瘤部位、大小、數目、形態、內部結構、周圍組織反應、繼發顱內改變等方面各具優勢。在臨床工作中顱內腫瘤的診斷首選ct、mri檢查，多數情況mri優於ct。
然而，在顱內腦腫瘤放療中ct或mri都難以提供腫瘤靶區精確的部位、形態和結構等資訊，ct、mri兩種影象融合可提高定位的準確性，極大提高人腦表達的精度，顯著改變患者的放療計畫，為進一步制定**計畫提供非常有價值的資訊。為此影象融合為現代醫學臨床診斷帶來新的思維，為腫瘤靶區立體定位及放射**劑量的評估等帶來技術和方法上的革新[6]。
數字人計畫最早發端於美國，2023年由美國國立衛生圖書館發起倡議，美國colrado大學和相關臨床醫療中心參與研究虛擬可視人計畫 [7] (visible human project, vhp),於2023年11月成功獲取一例男性資料集，2023年發布了西方女性解剖結構資料集。2023年南韓ajou大學與南韓科技資訊研究院公布了一例南韓男性切片資料集的獲取[8]。我國2023年11月在北京召開的香山科學會議第174次學術討論會上，首次提出中國數位化虛擬人體研究的規劃和建議，啟動了虛擬中國數字人體（virtual chinese human, vch）[9]的研究。
2023年起，南方醫科大學（原第一軍醫大學）、第三軍醫大學先後完成了中國數位化虛擬人原始斷層切削**資料的獲取。2023年華中科技大學生物醫學光子學教育部重點實驗室在南方醫科大學高解析度原始切削**的基礎上，完成了高解析度的數位化虛擬人三維解剖結構資料集的獲取，建立了各生理系統的標識資料庫，資料網路共享和發布平台。
「虛擬中國人男一號」資料集，使用立式包埋，剛性標桿，一次切削，血管灌注等先進技術，是目前解析度最高，資料量最大的高質量資料集；同時，在資料集的後續處理上也取得較大突破，不僅實現了在高效能平行計算環境中對數字人海量資料集的影象融合三維重建處理，而且也建立了人體各個組織器官的高精度三維模型[10]。
將數位化虛擬人體多模式三維影像融合技術應用到臨床醫學影像中有重要的意義。如在組織結構及形態學方面，鮮明的人體彩色切片及清晰的斷面解剖學影象，是臨床各個影像學科（如ct、mri等斷層影像學）的診斷基礎和標準圖譜。由於數位化虛擬人體三種模式影象各自成像原理不同，每種斷層影像各具特點、相互補充，其多模式影象融合研究對臨床應用有著積極的作用。
ct、mri的成像清晰度和真實度仍無法與彩色切片解剖學影象相比，並且目前影象融合研究主要為ct、mri等影像之間的二維和三維融合及其臨床應用，同一人體彩色切削**、ct和mri影像資料之間的影象融合少有研究[11]。如果把數位化虛擬人體精細斷層組織解剖切片影像與同期同一人體的常規ct、mri等斷層影像融合起來，將會進一步推進「數位化虛擬中國人男1號」研究成果與臨床結合應用開發的程序[12]。
原始影象資料集**於「中國數字虛擬人男一號」的原始資料，該資料集由ct、mri和彩色斷層切削三種影象資料集組成。「虛擬中國人男一號」屍體標本編號為vch-male no：1, 男性， 24歲，漢族，身高1.
66公尺，胸圍84厘公尺，體重58公斤，身體健康無重大病史。該男子2023年4月死亡，生前自願捐獻屍體做科學研究。「虛擬中國人男一號」的資料採集工作由南方醫科大學（原廣州第一軍醫大學）完成。
圖1.1中（a）圖是標本頭部斷層定位圖。
mri影象資料集是用1.5t磁共振儀、自旋回波（se）序列採集，於2023年6月完成。該資料集的掃瞄層厚為2.
0mm，共有796張原始mri影象。每張影象的畫素為256×256，為16位灰色深度，採用dicom檔案格式儲存，共102mbyte資料容量。mri影象是以不同灰度反映組織弛豫時間長短的數位化影像，軟組織對比解析度高。
自旋回波序列（se）是常用的脈衝序列。「中國數字虛擬人男一號」mri影象採用se序列採集。圖1.
1中（b）圖即是mri影象資料集頭部斷層的影象。
ct影象資料集是用***ct機掃瞄採集，於2023年5月完成。該資料集的ct掃瞄層厚為1.0mm，共有1723張原始影象，每張影象的畫素為512×512，16位灰色深度，採用dicom檔案格式儲存，單張斷層影象儲存大小為516kbyte，共869mbyte資料容量。
ct影象是由一定數目由黑到白不同灰階的畫素按矩陣排列而構成的數位化影象，以灰階來表示組織的密度。圖1.1中（c）圖即是ct影象資料集中頭部斷層掃瞄影象。
圖1.1 中國數字人三種模式影象圖例
（a）標本斷層定位圖，（b）ct影象，（c）mri影象，（d）彩色斷層切削影象
fig. 1.1 example of three modality images of vch, (a) segment localization in image,
(b) ct image, (c) mri image, (d) color slice image.
彩色斷層切削影象資料是用2200萬畫素的數位相機獲取，採集工作於2023年3月至4月完成。將人體標本經明膠包埋和低溫固定後，置入-25℃低溫實驗室中用tk26350 型數控銑床（銑切精度為0.001mm，數控系統為日本生產，銑刀為法國生產）進行無鋸耗逐層銑切，採用高畫質晰度數位相機獲取對應準確的連續斷面影象資訊。
「中國數字人男一號」屍體標本基本處理流程為：（1）清潔；（2）測量；（3）定型；（4）血管灌注；（5）立姿預凍；（6）裝入包埋模具；（7）立姿包埋；（8）拆除包埋模具；（9）固定在銑床進行切削處理；（10）影象獲取。圖1.
1所示彩圖為獲取的標本切削影象。本研究採用的立姿包埋、一次切削和血管灌注技術在國際上具有領先水平，在冷凍室內用高精度的數控工具機對倒立放置的標本從腳到頭逐層銑切，每層厚度為0.2mm，每切削完一層後用高畫質晰度的數位相機拍照，最終獲得0.
2mm間距的原始切片共9215張，切片影象畫素為4080×5440（2200萬畫素，相機自動插值方式），解析度約為0.1×0.1mm，rgb三通道8位，共24位彩色深度。
採用raw檔案格式儲存，最後轉換tif格式儲存，單幅斷面切片影象占用63.75mbyte，共565gbyte資料容量。這是目前為止世界上數字虛擬人切削資料中解析度最高，資料量最大的資料集。
圖1.1中（d）圖即是彩色斷層切削影象集中斷層編號為male-600數碼**。
在多模式影象融合中，影象的預處理（如影象分割和影象配準）是影象融合的基礎，影象的三維視覺化是影象融合應用的基礎。在影象預處理中，itk是目前開源使用最多的軟體包，主要用於影象的分割和配準，而vtk是三維視覺化使用最多的軟體包，主要用於三維影象重建。
現代醫學影像成像技術為數位化虛擬人提供了研究資料和素材，在數位化虛擬研究中占有重要的地位。目前，醫學影像裝置所提供的醫學影象資訊可分為兩大類：一類是解剖結構影象，如ct、mri、數字減影血管造影（digital subtraction angiography, dsa）、腦磁源圖(magnetic source imaging,msi) 、超聲成像(ultrasonography,usg)以及各類內窺鏡的序列影象和數字人研究中的切削序列影象等；一類是功能資訊影象，如正電子發射體層成像(positron emission tomography,pet)、單光子體層發射成像(single photon emission computed tomography,spect)、功能性核磁共振成像 (functionality magnetic resonance imaging, fmri)等。
這兩類影象各有其優點和缺點，解剖影象優點是解析度較高，可提供人體臟器的解剖形態結構資訊，但是它又無法反映臟器的功能情況；而功能影象的缺點是解析度較低，無法提供臟器或病灶的解剖細節資訊，但它提供的臟器功能代謝資訊是解剖影象所不能替代的[15]。，但由於成像原理不同導致影象資訊侷限性,使得單獨使用某一類影象的效果並不理想。解決這個問題的方案有兩個，方案一：
研究一種新的影像處理方法，如影象融合技術，可使兩類影象的資訊互補；方案二：研製新的成像裝置，如pet/ct一體機，在硬體和資金方面都需要大量的投入。前者是通過影象融合等處理技術將各種裝置獲取的資訊正確地整合在一起，客觀實際，方法簡單，投入較小，目前成為計算機手術**或**計畫中的乙個重要方法。
後者投入較大，技術複雜，不能被一般醫療機構所接受。
醫學影象融合系統包括各種醫學成像裝置、影象處理裝置與融合軟體等[16]。由於系統的目的不同，其融合形式必然千差萬別。
（1）按融合物件分類有單樣本時間融合系統、單樣本空間融合系統以及模板融合系統。
（2）按處理方法分類可分為數值融合和智慧型融合。
（3）按影象維數分類可分為僅考慮空間維數的影象融合[17]與考慮空間維數的時間序列影象融合[18]兩大類。
多模式影象融合作為乙個正在興起的學科體系[19]，是當前國內外研究的熱點之一，學術界在影象融合領域已取得了很大的成績。近年來，學者們從各個不同的領域對影象融合技術進行了大量研究，做出了多種不同的影象融合方法[20]。主要的方法理論有：
（1）小波變換理論
小波變換興起於20世紀80年代中期，至今關於小波分析理論、方法和應用的研究一直為熱門課題[21]，在多解析度影象融合應用中，多解析度小波技術已取代了傳統的方法，而成為一種主流技術，為訊號分析、影象處理、量子物理及其它非線性的研究領域帶來了革命性的影響，在影象處理領域，小波變換生成的是影象資料的多解析度表示，即使在低解析度下也保留了原始資料的絕大部分重要特徵，而且在突出強的特徵時可以壓制或削弱高解析度下較弱的特徵。應用這些多解析度下優化和校正可以大大縮小搜尋範圍，加快融合的速度[22]。fonseca和manjunatb提出利用影象灰度和小波變換的多解析度影象融合方法[23]。
pinzon提出一種基於點匹配的自動小波融合技術成為近年來研究的熱點，目前，小波變換已是用於影象融合領域得乙個重要工具。其存在的問題是：特徵匹配規則不完善、如何選擇合適的用於特徵提取的小波基、優化搜尋運算量大等問題[24]。
（2）程式進化計算
上世紀60年代fogel等提出進化程式思想，到上世紀80年代後期，進化計算成為十分熱門的研究課題。進化計算實質上是自適應的機器學習方法，它的核心思想是利用在進化歷史上獲得的資訊指導搜尋或計算。進化計算的主要優點是簡單、通用、魯棒性強和適於並行處理。
目前進化計算已廣泛用於最優控制、符號回歸、自動生成程式、發現博奕策略、符合積分微分及許多實際問題求解，它比盲目搜尋的效率高得多，又比專門的針對特定問題的演算法通用性強，是一種與問題無關的求解模式。總之，進化計算不論從理論上還是實際應用上，都為我們提供了乙個新的研究領域。在醫學影象的配準和融合應用中，已利用進化計算來搜尋轉換引數；r.
he、d.l.g,hill、t.
bulz等利用確定性退火演算法找出仿射變換的引數[25]。
教育廳 自然科學計畫申請書
自然科學基礎研究計畫專案申請書 所屬學科 課題名稱 申請者所在單位 系 所 名稱 協作單位 申請日期 河南省教育廳制 填寫說明 1.專案編號為12位數，前四位是年份，中間五位是單位 後三位是專案序號。2.專案名稱不得超過30個漢字。3.所屬學科 應填寫二級學科 職稱 學位等 見 科研管理資料庫存資訊...
福建省教育廳科技專案申請書
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浙江省教育廳科研專案申請書
附件申請書專案名稱 專案負責人 簽名 所在學校 蓋章 浙江省教育廳 2015年制 填寫說明 1.專案名稱 限25個漢字。2.封面的 專案編號 為 浙江省教育廳科研專案管理平台 中的 申報編號 3.封面的 專案負責人 須由本人簽名。3.用a4紙列印。4.研究類別 含義 基礎研究 指為獲得關於現象和可觀...