前沿 医学

5000片标本,重建最高清的“虚拟人”

虚拟 人体 解剖

芸香 发表于  2015-09-29 21:29

今天,这里要讲述的是一位平凡的美国女性的故事。

她的生平并没有什么过人之处,甚至连名字都没有被公开,我们现在所知道的,仅仅是她在20多年前因为心脏病发作而离开了人世,享年59岁。

不过现在,她的遗体却以一种奇异的方式得以永存,并为世人所知。这具遗体被制成了超过5000份精细的切片标本,并经过数字化,变成了目前最为精细的人体解剖3D模型。不仅如此,存在于计算机软件中的还成为了医学研究中的虚拟受试者。的存在,使更多难以用常规方式进行的实验分析成为了可能。

由这位女性遗体制成的切片标本之一,从中可以看到肝脏、肺、肾脏等器官。图片来自:Visible Human Project

重建人体

这些标本制作和重建的工作属于可视人计划Visible Human Project)的一部分,这项计划由美国国家医学图书馆发起。参与这一项目的研究者们选出了一位男性和一位女性的遗体作为样本,他们分别对这两具遗体进行了全身的CT和磁共振扫描,并将遗体逐层横切,制成了切片标本。这些标本十分精细纤薄,男性遗体标本的切片厚度为1毫米,而女性标本的切片厚度仅为0.33毫米。相比这位不知名的女性,男性遗体捐献者的身份显得更加特别:此人名叫约瑟夫·保罗·杰尼根(Joseph Paul Jernigan),在39岁时因谋杀罪被处以注射死刑,他特殊的身份还引来了一场伦理争论。

从头到脚,约瑟夫·保罗·杰尼根的遗体标本。原视频来自:Visible Human Project

在上世纪90年代,可视人计划的第一批图像公布于众。在此之后,不少团队也对由1871份切片组成的男性标本进行了重建。这些标本图像已经得到了不少应用,哥伦比亚大学的研究者们还通过它们发现并修正了以往解剖学教科书中的几处细节错误[1]

而现在,女性标本也得以重建。得益于纤薄的切片,这次的虚拟模型精度又得到了大幅提升。这项工作由伍斯特理工学院的谢尔盖·马卡罗夫(Sergey Makarov)和他的同事们共同完成。他们利用软件将数千张图像整合到一起,并请5位不同领域的医学专家进行了校验。“它必须是解剖学精确的。” 马卡罗夫这样说到。2015年8月,他们刚刚在IEEE(电气与电子工程师学会)医学及生物工程领域的会议上报告了这项成果。 

直到现在,实物标本依然是了解人体解剖结构最重要的参考资料,而纤薄的切片标本更是展现了种种人体组织精细的内部构造。在过去几十年中,CT、磁共振等影像学手段不断发展,对尸体标本一点点切片了解人体构造的方式似乎显得过时了,但直到现在,影像手段依然无法完全替代实物标本的地位。对活着的志愿者进行全身扫描要花上几小时时间,稍一移动就会影响成像的清晰度。而且更重要的是,扫描影像是黑白的,虽然在不同组织之间存在一些灰度对比,但它的清晰程度和对比度远不能与实物相比。

与CT扫描(左)相比,实物标本(右)有更丰富的色彩和细节。图中为约瑟夫·保罗·杰尼根的遗体标本图像。图片来自:Visible Human Project

研究者们将他们构建的模型称为“幻影”(phantom)。现在,这位女性“幻影”是世界上细节最为丰富的人体重建模型,她包含231个组织部件。不过遗憾的是,这份模型依然有一些瑕疵之处:标本中遗失了包括鼻软骨在内的14个部件,血管的精细结构也难以得到保全。

电脑里的虚拟实验

这些标本和重建模型本身就已经足够震撼,它们也能发挥重要的教育作用。不过,研究者们并不满足于此。制作“幻影”模型的一个重要目的,是为了在计算机上进行一系列以往难以完成的“人体实验”。

在医学领域,直接来自人体的临床试验数据永远都是最有参考价值的,但在很多情况下,由于风险过大、违背医学伦理,进行实地试验很不现实。以往,我们可能就只能接受数据缺失的现实,或者从动物实验结果出发,进行并不精确的估算。而现在,虚拟模型为研究者提供了新的可能。除了精细的解剖结构,在这个“幻影”模型中还包含了各个器官的密度、热导率等参数,这使得她成为了虚拟实验绝佳的受试者。

另一片展示了脑部结构的女性标本。图片来自:Visible Human Project

比如说,研究者们已经用“幻影”模型进行了这样一个模拟试验:他们给“幻影”设置了一个植入的金属人工关节,并在软件中设置不同的磁场强度,以此来评估一个植入了金属关节的患者进行磁共振成像检查时会产生怎样的后果。金属植入物在磁场的作用下可能会移位、发热,这会给患者带来危险,而如果通过虚拟受试者量化地评估这些风险的大小,研究者们或许将来就可以为这些患者找到更安全的成像解决方案。

除此之外,研究者们还在“幻影”身上测试了经颅直流电刺激疗法的安全范围。即使是常人难以承受的极限条件,“幻影”也可以轻松胜任。

现在,这一模型系统已经对各地的研究者们免费开放,通过软件,还可以对它进行修改。通过女性标本建立起的原版模型比较胖,而通过软件参数的修改,还可以得到体型较瘦的数字模型,以满足更多研究需要。“建立这一模型经历了大量的前期工作,而现在,任何人都可以在自己的电脑上跑个实验了。” 马卡罗夫的合作者之一、整形外科医生阿拉·纳扎里安(Ara Nazarian)这样说。

作为虚拟受试者的“幻影”还有数不尽的可能性等待发掘,对医学研究者而言,这无疑是激动人心的。而在先进医学成果的背后,这位平凡女性为人类医学做出的贡献也值得我们铭记。(编辑:窗敲雨)

题图来自:Visible Human Project

参考资料:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_Human_Project
  2. New Scientist:Virtual human built from more than 5000 slices of a real woman

热门评论

  • 2015-09-29 22:52 校长
    引用@梦游侠 的话:1毫米和0.33毫米的切片标本是怎么折腾出来的?很好奇。

    冰冻,裹蜡,上切片机

    现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大

    于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床

    上铣床

    铣床

    真的就是人渣了好么········

    [54] 评论
  • 2015-09-29 22:14 蓑雨吟

    这女人是志愿者吗,还是她造了什么孽。。。。

    来自 果壳的壳
    [21] 评论
  • 2015-09-30 12:50 walnut0
    引用@天生就是2 的话:很好奇,切片机是用什么来进行切割的,假如是金属刀片的话那刀片本身必然有个厚度,如此一来这标本就打折扣了。至于铣床我表示更不理解,铣刀是有直径的,要铣开一个人的刀具我想至少也得有个18mm粗吧,那还怎么...

    铣掉一层,拍照,然后再铣掉一层,如此循环吧?最后留下来的是每一层的照片,然后样本就碎成粉末了

    [21] 评论

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全部评论(92)
  • 1楼
    2015-09-29 21:54 AAArthur

    我好像。。看到了什么。。

    面壁

    [3] 评论
  • 2楼
    2015-09-29 22:14 恒就恒了


    看到这些进展,真心感动啊


    ps编辑在知性也发过帖子是吗?

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 3楼
    2015-09-29 22:14 蓑雨吟

    这女人是志愿者吗,还是她造了什么孽。。。。

    来自 果壳的壳
    [21] 评论
  • 4楼
    2015-09-29 22:48 梦游侠

    1毫米和0.33毫米的切片标本是怎么折腾出来的?很好奇。

    来自 果壳的壳
    [3] 评论
  • 5楼
    2015-09-29 22:52 校长
    引用@梦游侠 的话:1毫米和0.33毫米的切片标本是怎么折腾出来的?很好奇。

    冰冻,裹蜡,上切片机

    现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大

    于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床

    上铣床

    铣床

    真的就是人渣了好么········

    [54] 评论
  • 6楼
    2015-09-29 22:55 longi
    引用文章内容:由这位女性遗体制成的切片标本之一,从中可以看到肝脏、肺、肾脏等器官

    仔细看 真有点重口味

    [0] 评论
  • 7楼
    2015-09-29 23:34 梦游侠
    引用@校长 的话:冰冻,裹蜡,上切片机现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床上铣床铣床床真的就是人渣了好么·······...

    谢谢
    话说真够狠了特别是铣床,整个人一点不剩地磨碎!就算是我不太传统的也冒了一身冷汗

    来自 果壳的壳
    [1] 评论
  • 8楼
    2015-09-30 00:26 长弓落日

    我印象里很多年前就有一对罪犯(一男一女)被如此“制作”过了。是我记错了,还是就是文中说的那个男性标本?

    [0] 评论
  • 9楼
    2015-09-30 00:28 长弓落日
    引用@长弓落日 的话:我印象里很多年前就有一对罪犯(一男一女)被如此“制作”过了。是我记错了,还是就是文中说的那个男性标本?

    我理解错了,就是我之前看到过的报道,只是现在刚公布详细数据么?

    [0] 评论
  • 10楼
    2015-09-30 08:26 天生就是2
    引用@校长 的话:冰冻,裹蜡,上切片机现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床上铣床铣床床真的就是人渣了好么·······...

    很好奇,切片机是用什么来进行切割的,假如是金属刀片的话那刀片本身必然有个厚度,如此一来这标本就打折扣了。至于铣床我表示更不理解,铣刀是有直径的,要铣开一个人的刀具我想至少也得有个18mm粗吧,那还怎么搞全身切片,会丢失很多材料。

    [0] 评论
  • 11楼
    2015-09-30 08:31 极左小虫的猫耳朵

    动图我好像看到了丁丁?

    [0] 评论
  • 12楼
    2015-09-30 08:51 大头米少

    《The Phantom of Anatomy》

    On Sep 30th! Two thumbs up!

    Director: Sergey Makarov
    Actor: Joseph Paul Jernigan
    Actress: Anonymity
    Co-Producer: Ara Nazarian
    Editor: 窗敲雨

    All rights reserved by goukr.com®

    [0] 评论
  • 13楼
    2015-09-30 08:53 举报狂魔阿不都奈

    看到了约瑟夫的两颗蛋蛋

    [1] 评论
  • 14楼
    2015-09-30 08:57 爽仔

    南医大钟世镇院士带队也完成了我国第一个数字人

    [0] 评论
  • 15楼
    2015-09-30 10:25 窗敲雨 药学硕士
    引用@蓑雨吟 的话:这女人是志愿者吗,还是她造了什么孽。。。。

    两个都是同意捐献的,不过男的那个还是会引起很多争论,因为人们会认为作为犯人的他有可能是在并非充分知情和自愿的条件下作出决定的,当然具体的细节就不得而知了。

    [1] 评论
  • 16楼
    2015-09-30 10:33 窗敲雨 药学硕士
    引用@校长 的话:冰冻,裹蜡,上切片机现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床上铣床铣床床真的就是人渣了好么·······...

    ( ⊙ o ⊙ )

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-09-30 11:22 dancer荷包蛋

    捐赠者很伟大

    ps 图一看起来 好像挺好吃.......无意冒犯

    [1] 评论
  • 18楼
    2015-09-30 12:23 IVV万岁
    引用@校长 的话:冰冻,裹蜡,上切片机现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床上铣床铣床床真的就是人渣了好么·······...

    那是第一军医大吧。。。。现在的南方医科大学


    [0] 评论
  • 19楼
    2015-09-30 12:50 walnut0
    引用@天生就是2 的话:很好奇,切片机是用什么来进行切割的,假如是金属刀片的话那刀片本身必然有个厚度,如此一来这标本就打折扣了。至于铣床我表示更不理解,铣刀是有直径的,要铣开一个人的刀具我想至少也得有个18mm粗吧,那还怎么...

    铣掉一层,拍照,然后再铣掉一层,如此循环吧?最后留下来的是每一层的照片,然后样本就碎成粉末了

    [21] 评论
  • 20楼
    2015-09-30 12:52 天朝科学进步党

    好奇人体切片标本是怎么做出来的。

    看到标题我还以为是谋杀案。

    [0] 评论
  • 21楼
    2015-09-30 13:02 vegecmu
    引用@蓑雨吟 的话:这女人是志愿者吗,还是她造了什么孽。。。。

    这不是孽,是伟大

    [1] 评论
  • 22楼
    2015-09-30 13:23 穿长靴的柴郡猫
    引用@天生就是2 的话:很好奇,切片机是用什么来进行切割的,假如是金属刀片的话那刀片本身必然有个厚度,如此一来这标本就打折扣了。至于铣床我表示更不理解,铣刀是有直径的,要铣开一个人的刀具我想至少也得有个18mm粗吧,那还怎么...

    提示:俄罗斯方块

    [0] 评论
  • 23楼
    2015-09-30 13:41 世外竹园

    还要切的话我也捐

    等我挂了

    [4] 评论
  • 24楼
    2015-09-30 13:51 laomao0000
    引用@天生就是2 的话:很好奇,切片机是用什么来进行切割的,假如是金属刀片的话那刀片本身必然有个厚度,如此一来这标本就打折扣了。至于铣床我表示更不理解,铣刀是有直径的,要铣开一个人的刀具我想至少也得有个18mm粗吧,那还怎么...

    端面铣

    [0] 评论
  • 25楼
    2015-09-30 14:32 琥珀控

    这个发现频道有一期节目,我记得大概是十几年前看过,貌似这一男一女被称作亚当夏娃

    [0] 评论
  • 26楼
    2015-09-30 15:09 the.angel.of.death
    引用@世外竹园 的话:还要切的话我也捐等我挂了

    讚你的奉獻精神 不過也要看你是怎麼掛的 不是誰想捐都行 遺體得健康完整各器官無病變 米國人搞的時候實在找不到太合適的志願者 連死囚都拉來湊數了 結果還是男的太肥 女的太老 沒辦法湊合用了

    國內那個上銑床的 直接用了年輕貌美(誤)小姑娘 老美心想:暴殄天物!俺們的老太太都切片保存了!

    哎 天朝就是不缺人 老美羨慕嫉妒恨去吧

    [0] 评论
  • 27楼
    2015-09-30 15:32 世外竹园
    引用@the.angel.of.death 的话:讚你的奉獻精神 不過也要看你是怎麼掛的 不是誰想捐都行 遺體得健康完整各器官無病變 米國人搞的時候實在找不到太合適的志願者 連死囚都拉來湊數了 結果還是男的太肥 女的太老 沒辦法湊合用了國內那個上銑床...

    天朝那个女孩是毒蘑菇急性中毒死的。肌体都完好。

    确实老死的不适合拿来切片。

    不过总是有用处的。

    [0] 评论
  • 28楼
    2015-09-30 15:35 南海墨
    引用@the.angel.of.death 的话:讚你的奉獻精神 不過也要看你是怎麼掛的 不是誰想捐都行 遺體得健康完整各器官無病變 米國人搞的時候實在找不到太合適的志願者 連死囚都拉來湊數了 結果還是男的太肥 女的太老 沒辦法湊合用了國內那個上銑床...

    是啊,一个急性食物中毒而死的小姑娘,说是样本比老美那个取得还好,小时候就在央十看过。央十还放了取样时的视频,至今记忆尤新,一块大冰,机器磨掉一层就拍个照,磨掉一层又拍个照,等做完了,样本也就尸骨无存了,虽然我个人觉得这没什么,但也感慨她父母挺有科学精神的,不保守。

    引用@爽仔 的话:南医大钟世镇院士带队也完成了我国第一个数字人

    貌似比老美的做的还好

    引用@梦游侠 的话:谢谢话说真够狠了特别是铣床,整个人一点不剩地磨碎!就算是我不太传统的也冒了一身冷汗

    其实吧,一个千刀万剐,一个粉身碎骨,传统的哪个都不了,不传统的两个都没什么感受,毕竟现在基本都是火葬,死了就是一堆灰,还管这堆灰是烧出来的还是磨出来的?

    引用@校长 的话:冰冻,裹蜡,上切片机现在什么行情不知道,反正前些年国内切片机不怎么过关,做不大于是(没记错的话)第四军医大那帮丧心病狂的家伙做中国虚拟人一号的时候直接上铣床上铣床铣床床真的就是人渣了好么·······...

    记忆犹新,小时候看过那个过程,话说记得中国这个数字人身材还相当好,那时候就像她会不会在数字的世界复活了呢?中二期已过,我只想问央十说的我们的数字人比美帝的样本更好制作也不差是真的吗

    [4] 评论
  • 29楼
    2015-09-30 16:25 supersarah

    现在难道不能用纳米丝切?

    [0] 评论
  • 30楼
    2015-09-30 17:04 已注销用户

    说道尸体切片,我想到了死亡空间

    [0] 评论

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