2003-12-17生命科学与信息科学的融合－“数字人体—人体系统数字学”

“数字人体—人体系统数字学”是医学科学技术的最新领域，是当今医学科学技术、生命科学、信息科学、智能科学技术和计算机科学技术的高度综合。该领域的研究将大大促进２１世纪医学科学技术从定性描述向定量表达发展，其研究成果将加深对人体系统的认识，提供公共卫生安全管理的有效手段，深刻地改变未来人体系统的研究活动和人们的生活、工作方式。这是专家学者们在最近召开的全国第一届“数字人体—人体系统数字学”学术研讨会上达成的共识。针对“数字人体—人体系统数字学”与“虚拟人”、“可视人”等已有概念之间有何不同，这一新兴学科的提出背景、重要意义、研究内容和发展现状等问题，在研讨会及会前会后，专家们各抒己见，对此进行了深入的研讨。
　　何为“数字人体”？
　　与“数字化虚拟人”区别何在？
　　“数字人体”与当前的“数字化虚拟人”、“虚拟人”和“可视人”在研究思路和研究内容上有何不同？“数字人体—人体系统数字学”概念的提出者、中科院遥感所研究员毕思文认为，两者有着本质的区别。首先，数字人体的研究对象是活人，是建立在以多时空、动态的人体系统为研究对象，以人体实时观测、网络和计算机信息处理为主体的技术系统。而“数字化虚拟人”或“虚拟人”等研究的对象是死人，是将尸体用刀切削成为成千上万个人体切片，然后照相，在电脑里对其进行整合，重建人体三维结构。形象地说，也就是将尸体切片“摞”起来，成为一个“数字化”的人形。按照国外“数字化虚拟人”研究专家的设想，该研究包括虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生物人三个研究层面，目前做的工作是虚拟可视人。当然，不同虚拟人会取得不同的结果，但无论是虚拟什么人，它研究的立足点是死人。所以，得到的研究结果有很大的局限性，与利用活人作为立足点研究的数字人体有着很大的差异性；这是“数字人体”与“数字化虚拟人”本质上的区别，如果说有联系，也只是在数字化虚拟技术上。另外，数字人体也做数字化虚拟人体的研究，目的是为了解人体系统在某一时间、空间尺度的情况，就需要这种技术。但其立足点还是活人。
　　数字化虚拟人在构成人体形态学信息研究的实验平台，为医学、生命科学等的研究和应用提供了重要基础，但与有生命的人体系统相差甚远。因为，人体是一复杂巨系统，是由１００多万亿个细胞组成的复杂整体，仅人的神经系统就约有１０００亿个神经元。而且，由细胞构成的组织、器官间的相互作用，人体与外界环境的冲突与和谐，这些极为复杂人体系统的变化，数字化虚拟人是无法实现的。
　　据悉，卫生部医药卫生科技情报检索中心曾对“数字人体—人体系统数字学”进行了查新。结果表明，在国内外检索范围内均未见与该研究内容相同的文献报道。
　　缘起基于需要
　　数字人体—人体系统数字学的提出，毕思文研究员认为主要基于以下几个方面的需要。
　　医学科学技术创新发展的需要。在数字人体的研究中，不仅需要局部的精雕细刻，也需要对整体的把握。如果我们的注意力和想象力总是聚焦在一个局部的层次上，而不能从宏观战略上放眼国际医学科技发展和世界潮流的话，在医学科学技术方面将陷入全面的被动。因此，开展数字人体的应用研究，不仅能开阔人们的思维空间，而且能产生强烈的聚合力，为从更高层次上集成医学科学技术提供了广阔的空间机遇。中医药学是我国医学科学的特色，是我国有能力有可能成为站在国际科学前沿的重要领域。中医药现代化的科学目标是综合运用现代数学、物理学、化学、信息科学及生命科学相关学科的最新进展提供的新理论、新技术、新方法，以揭示中医药学基础理论的科学内涵为突破口，争取中医药基础理论能在源头上有所创新，为中医药现代化与国际化奠定基础。在继承和发掘的基础上组织多学科协作，利用现代科学技术理论和方法研究中医药学，将为解决当代生命科学重大疑难问题作出贡献。为了促进中医药现代化的发展进程，进一步探讨研究数字中医药对中医药跨跃式发展的促进作用，“数字人体—人体系统数字学”是解决中医药现代化的瓶径、也是中医药现代化的需要，必将在中医药现代化发展中起越来越重要的作用。
　　智能科学计算的需要。２１世纪人类全面进入信息时代，而信息化的精华是智能化。人类对智能化的追求导致“智能**”。在智能**中，人工智能是核心。人工智能是研究机器智能的学科，即用人工的方法和技术，研制智能机器或智能系统以模仿、延伸和扩展人的智能，实现智能行为。经过４０多年的研究，人工智能在科学计算等领域应用取得了很多成果，提出了启发式搜索策略、非单调推理、机器学习的方法等。人工智能应用，特别是专家系统、智能决策、智能机器人、自然语言理解等方面的成就促进了人工智能的研究。但还存在着种种不足：例如，人工智能在一些关键技术方面，诸如机器学习、非单调推理、常识性知识表示、不确定推理等尚未取得突破性的进展；人工智能对全局性判断模糊信息处理、多粒度视觉信息的处理是极为困难的；目前尚不清楚人工智能是否可归结为一组基本原理，或者只是若干个不同子领域的松散结合，其中每个子领域集中研究思维中的一个不同部分或者一个不同的应用。因此，“数字人体—人体系统数字学”的提出，试图把人体系统模型作为智能计算模拟的原型系统，使数字人体—人体系统数字学成为人工智能研究的新途径。数字人体—人体系统数字学用于智能科学计算研究的主要内容为：数字人脑智能逻辑、数字人脑约束推理、数字人脑定性推理、基于范例推理的数字人脑、数字人脑的归纳学习、类比学习和解释学习；数字人脑的知识发现和数据开采、分布式数字人脑智能；数字人脑的进化计算等。
　　人类工程活动的需要。数字人体—人体系统数字学在人类工程活动的应用前景是不言而喻的。例如，在航空、航天技术、计算机、传感器等新技术的推动下发展起来的遥感科学技术，很长时间以来，在基础与应用研究的各种模型和计算误差一直是没有解决的难题，其主要原因是遥感所探测的地球表面是一复杂的巨系统，现有模型和算法难以满足要求。根据遥感面临的挑战与困难，“数字人体”作为一种智能科学计算方法可对复杂自然环境时空信息获取与融合处理进行理论和应用研究，因而可满足遥感科学技术的需要。再如，“信息时代”和“数字时代”的到来，对军队就意味着数字化，即“数字化战场”、“数字化军队”、“数字化战争”，但是这一切都离不开人。因此，开展“数字人体—人体系统数字学”的研究对国防安全具有重要的意义。又如，地球系统科学是研究地球系统在复杂的相互作用中运转的机制、地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而奠定全球环境变化预测的基础科学，并为地球系统的科学管理提供依据。但是，要解决上述科学问题，地球系统动力学模型的建立和大型科学计算模拟是其主要难题；目前现有的方法和技术难以满足要求，“数字人体”从仿生学的角度可以开展上述内容的研究，满足地球系统科学研究的需要。
　　科学数据共享的需要。在知识经济和信息社会中，因特网的出现为人类实现全球性科学数据共享提供了强大的平台。但是，随着因特网规模和信息量的日益扩大，网络的管理与控制水平已成为制约有效进行数据共享的主要问题。“数字人体—人体系统数字学”作为描述整个人体系统中各类信息的时间序列与空间分布的共同框架，在人体系统观测信息的集成、传输信息的流畅、系统互操作与协调能力的完善、***动态信息的模拟与仿真等诸方面均有着独特的优势。其信息获取、传输、存储与处理等方面的机制对于提高因特网的管控水平具有非常重要的借鉴意义。
　　多科性的创新性研究
　　中国医药信息学会理事长、北京大学医学部王德炳教授认为，我国科学长期以来缺乏原始性创新，多为从国外和他人的成果中复制或模拟的科学技术。“数字人体—人体系统数字学”是一门边缘性、交叉性和多科性的学科，具有原始创新性。由来自中西医学、生命科学、信息科学和计算机科学技术等不同领域的专家协同作战，共同推进这一新兴的边缘学科领域的发展具有开拓性的意义。
　　毕思文研究员指出，数字人体研究所涉及的动态学图像处理与分析是精确的定量研究，无论是人体系统结构的精确重建，还是人体器官、组织状态及与周围器官、组织的关系等，都需要涉及大量的数据和复杂性的计算。人体系统数字学用信息化和数字化的方法研究和构建数字人体，即人体活动的信息全部数字化之后由计算机网络来管理，以了解整个人体系统所涉及的信息过程，特别注意人体系统之间信息的联系和相互作用的规律。这一特点与数字化虚拟人有着本质的不同，使其在现代中西医学、智能科学计算、人类工程活动以及科学数据共享等领域具有非常重要的理论意义。
　　中国人工智能学会副秘书长、北京工商大学信息工程学院院长韩力群教授认为，由于数字人体研究的对象是活人，其应用前景是不言而喻的。用于临床可提高医疗和疾病预测、预防水平，增强人体健康，延长人的寿命；用于中医学，有利于解释和理解经络、阴阳、脏腑、虚实、气血等的本质涵义；用于工程技术，可对数字人体进行模拟、延伸和拓展，制造出具有人类特征的人造生命系统，如拟人机器人，娱乐机器宠物等；用于人与环境的关系研究，可通过综合各种环境气候信息预测流行疾病的发生概率和流行趋势；用于航天航空领域，可改进宇航员和飞行员的训练方法，提高飞行质量；用于体育竞赛的训练，可有效提高运动员的训练水平和竞技状态；用于影视创造，可使虚拟演员的动作更逼真，形态更生动。另外，还可用在汽车、建筑、矿山、服装、生物和国防等领域。
　　集成“有生命的”人体模型
　　开展可视化再现和仿真试验研究
　　数字人体是以活人为研究对象，以医学、信息科学、智能科学和计算科学为理论基础，建立一系列不同层次的原型、物质模型、生理模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型，并将这些模型集成为“有生命的”人体模型。同时，用高新人体信息观测处理和网络技术，建立具有多分辨率、海量数据和多种数据的融合，并可用多媒体和仿真虚拟技术进行***的表达，是具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。
　　毕思文研究员提出，首先应对数字人体系统的结构进行深入的研究，构建完整的“数字人体”的理论和体系结构，建立数字人体的信息标准化体系，规划指导整体的数字人体研究。数字人体的研究基础是人体系统原型与模型和基础理论，数字人体研究的关键是灵活方便实时获取人体信息，分析生物信息的传递、协调、控制机理，对信息进行识别、融合和理解，开展可视化再现和仿真试验研究。数字人体研究将以基础理论、技术方法和应用示范为思路，重点研究人体的感受器（五官七窍）、信息通道（经脉、络脉），调控中枢（大脑）、效应器（五脏六腑）和运动协同中心（躯体）的信息获取预处理机理和技术。因此，数字人体研究涉及“数字躯体”、“数字经络”、“数字脏腑”、“数字感官”、“数字人脑”等方面。
　　人体系统是一个复杂性巨系统。对人体的研究不仅从人体形态结构入手，而且要借助现代科技探测、分析等先进技术和试验方法手段，将人体从整体到系统、器官、组织、细胞、分子、基因进行分析和研究；更重要的是从人体功能状态入手，采集人体体表的宏观物理信息与人体感官信息，把握人体的功能状态和生命活动规律；后者正是数字人体—人体系统数字学的优势和特长。数字人体要解决如何利用统一性的数字化技术手段，对人体系统、变化规律进行完整重现和认识；利用数字化技术建立人体数据、信息和知识的获取、存储、处理的人体信息系统；综合运用数学、信息科学和生物学的各种方法，阐明和理解大量数据所包含的生物学意义和内在机理；将仿真试验和临床诊断治疗结合起来，推进人体生物信息学和医学进展。
　　毕思文研究员认为：数字人体—人体系统数字学的研究方法应注意几个结合。即系统分析与系统综合相结合，局部描述与整体描述相结合，定性描述与定量描述相结合，确定性与不确定性相结合，模型与原型相结合。
　　研究应用前景广阔
　　“数字人体”提出后，在国内引起不小的反响，不少中青年研究人员积极响应，开始进行积极的研究、探讨和学术交流活动。据悉，我国第一部“数字人体—人体系统数字学”研究论文已结集出版；来自研究所、高校的中西医学界和信息科学界的学者们，参加了全国第一届“数字人体—人体系统数字学”研讨会；而我国第一部“数字人体”方面的专著《数字人体—人体系统数字学》已经付梓，不久即将面市。数字人体研究示范已经开始，专家们已经开始用“数字人体—人体系统数字学”的研究思路和理论基础，联系自己的专业实际，开始了探索，这是十分难能可贵的。据了解，目前开展的主要研究工作有：
　　１．“数字人体—人体系统数字学”的理论体系、标准化体系和信息平台结构研究
　　据毕思文研究员介绍，该项研究工作首先在理清数字人体的研究思路、基本概念和特征的基础上，提出数字人体的研究任务、研究内容和理论体系。其次，开展“数字人体”标准化体系研究，制定和引用数字人体构建的各类数据标准。建立数字人体的标准化体系总表和数据标准化子系统（信息指标体系、信息分类编码、数据控制和质量标准）、信息处理标准化子系统（信息系统开发、信息交换接口、空间数据转换格式标准）、系统构建标准化子系统（软件硬环境、数据库标准）、管理标准化子系统（管理规定、术语标准和管理办法标准），实现数字资源共享。最后，根据数字人体的理论体系和系统标准，构建数字人体信息系统总体的技术体系，进行数字人体系统总体功能和模块设计，建立统一信息共享平台。
　　２．“数字人脑”研究
　　韩力群教授领导的“数字人脑”研究工作主要从事“数字人体”的并行信息处理与多级协调控制方法研究。目前对人脑神经系统的研究主要是在细胞和分子水平上对人脑神经系统结构和功能进行微观层次的研究，而“数字人脑”研究则是对人脑神经系统信息处理规律进行系统层次的探索，这种系统层次的研究更有利于对脑内的信息处理形成总体性的概念，更易于详尽研究包含各种相互作用的复杂非线性神经系统，通过仿真和实验结果对比有可能发现新现象并设计新实验，近年来正逐渐展现出其强大的生命力。
　　３．“数字经络”研究
　　北京邮电大学王枞教授提出的“数字经络”，重点研究“数字人体”的集散通信体制与双向信息传输调度方法。从控制论观点出发，结合中医“经络学说”和西医“神经学说”，主要研究经络在控制整个人体生命活动的信息传播机制、途径、方式等，开展“数字经络”的信道网络模型与集散通信体制及信息传输方法研究。
　　４．“数字感官”研究
　　中科院自动化所杨一平研究员和杨国胜副研究员从事的“数字感官”研究，主要研究数字人体系统的信息获取方法和机理，包括感觉系统机理研究、感觉信息处理研究、多媒体多模式信息获取与融合算法研究和多光谱的人体识别技术等内容。从视觉、听觉信息流的角度和经络穴位的观点出发，系统地研究视觉、听觉、触觉系统的输入输出通道、视觉信息处理过程、视觉行为和视觉模式识别。并研究人体系统的成像光谱技术、基于成像光谱图像的人体经络信息提取方法、基于特征信息的人体经络系统的识别和数字化重建和人体系统典型信息谱库的建立。
　　５．“数字脏腑”研究
　　北京中医药大学东直门医院高颖教授的“数字脏腑”研究工作，主要研究数字人体的整体综合调控理论与方法，重点是建立人的数字脏腑系统功能模型并提出整体综合调控理论与方法。“数字脏腑”是以五脏为主体，将六腑、五体、五官、九窍、四肢百骸等组织器官系统联系成有机的整体，以上五个系统是通过经脉的络属沟通，气血的流贯，相互联系，并按照五行生克制化的规律进行调节和控制，保证机体生命活动的协调统一。此外，从生理功能和病理状态两个方面，重点研究脏与脏，脏与腑之间的关系，以探讨脏腑系统的整体调控理论与方法。
　　６．“数字藏象人”研究
　　北京中医药大学任廷革、中科院数学研究所高全泉等人提出“数字藏象人”的概念。他们认为，“数字”是运用计算机科学与技术、信息科学理论等虚拟现实的研究方法和手段，“藏象”是研究的对象，是中医理论的核心内容，中医学理论体系形成的基础；“人”是研究内容的载体。“数字藏象人”将中医学认为人体所具备的功能、状态、行为等生命属性，用数字化的信息形式表达出来。数字藏象人基础性研究包括三个方面的内容：一是藏象理论数据库的构建；二是藏象理论知识库的研究；三是藏象理论模型库的研制。数字藏象人基础性研究力图在藏象理论研究与现代科学技术的切入方面搭建一个平台，在信息技术的帮助下实现多层次、多学科的综合性研究作出有意义的探索。
　　“数字人体”是一项复杂的系统工程，其中有许多共性问题，也存在许多区域性和具有本国特征的特定需求和环境，需要进一步探讨。考虑到从全球到地区的不同角度的需求，专家们认为，应该为“数字人体”提出一个统一的、多层次的科学框架结构；确定自主开发与全球共建共享的科学数据规范、源数据标准和信息交换协议；建立全球性的网络连接，以保障全球性的人体观测数据的提供与定期更新；创造透明点访问和导航；协调有关系统效率和信息安全与管理法规等。因此，专家学者呼吁，各领域科技工作者应携手并肩，联合作战，为合作研究具有中国特色和原始性创新的“数字人体—人体系统数字学”而共同努力。

http://www.sciencetimes.com.cn/col116/col144/article.htm1?id=27967