計算機人體模型是指將人體結構數位化，通過計算機技術和圖像處理技術，用電腦的語言符號來表述人體的三維解剖結構，包括組織器官的大小、形狀、位置及其空間關係，實現了人體解剖結構信息的數位化。
要確定人體器官劑量必須用到物理人體體模或者數位化仿真人體模型。基於物理人體體模的實驗缺乏安全性、經濟型和效率，只能用於小規模的輻射劑量驗證之用。相比之下數位化仿真人體模型，藉助完善蒙特卡羅計算方法和已知的放射物理學參數能夠方便、精確的模擬三維空間下的人體受到輻照場景。
基本介紹
- 中文名：計算機人體模型
- 概述：人體結構數位化
- 第一代模型：程式化模型
- MIRD模型：內照射劑量學的無性別區分的仿真
- 第二代模型：體素模型
來源及發展,程式化模型（第一代模型）,MIRD模型,改進的MIRD模型,程式化模型的限制,體素模型（第二代模型）,來自實際套用的挑戰,體素模型的基本發展過程,早期發展,各國體素模型的發展,統計模型,可變形的BREP模型,基於NURBS方法的模型,多邊形格線模型,發展現狀,
來源及發展
自20世紀60年代，放射學界已經在電離輻射劑量學的研究中開發並運用了這類模型。由於計算機技術的發展，數位化人體仿真模型也得以迅速的發展。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，是仿真人體模型發展過程中的一個巨大的進步。而最新的模型則是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。這些技術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。世界上共有120多個用於模擬計算的仿真人體模型,具體可以分為三代：1）程式化體模（stylized phantom），2）體素體模 (voxel phantom)， 3）使用NURBS或多邊形格線的可變形的BREP體模。這些仿真人體模型涵蓋了各種不同的人群，包括兒童、青少年、成人的男性和女性模型，還包括孕婦模型。基於這些模型，可以實現包括普通放射學以及核醫學等許多情形下的輻射劑量仿真的模擬計算，眾多的仿真模擬計算的結果已被用於制定被國際放射防護委員會（ICRP）採納的標準。
程式化模型（第一代模型）
第一代仿真人體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人體模型。
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。程式化的虛擬模型是人體的數位化展示，配以蒙特卡羅輻射輸運代碼，可用於追蹤輻射在人體內的相互作用和能量沉澱。不同程式化模型的特徵可以通過改變描述各個器官體積、位置、形狀的方程的參數來進行調節。
MIRD模型
20世紀60年代，在美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL），由Fisher and Snyder提出了MIRD模型，它包括22個內部器官和100多個子區域，含有三個主要部分：代表手臂、軀幹、和臀部的橢圓柱；被截的橢圓錐代表腿和腳；一個橢圓錐代表頭和脖子。它是第一個用於內照射劑量學的無性別區分的仿真人體模型。
'家庭“模型系列
'家庭“模型系列改進的MIRD模型
基於MIRD模型，數年間多個改進版被提出。主要包括：Cristy and Eckerman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 "ADAM and EVA" 模型，NASA提出的CAM模型等。
程式化模型的限制
儘管程式化模型通過不斷的更新已經推展套用於輻射防護、放射治療、醫學影像等方面，但其固有的缺陷無法被突破。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。但人體的解剖學結構非常複雜，僅用少量的曲面方程遠遠不能真實的描述它，從而導致很多解剖學細節都被忽略。鑒於這些原因，程式化模型已被淘汰。藉助於20世紀80年代快速發展的計算機和斷層成像技術，仿真人體模型進入體素化時代。
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。在80年代晚期，隨著計算機斷層成象的到來，基於人體CT及MRI掃描圖像發展而來新型的人體模型出現了。CT和核磁共振成像能夠產生精確的數字形式的三維內臟圖像，研究人員收集這些影像數據並將它們轉化成體素形式，實質上已實現了人體的三維數位化重建。三維圖像準確的揭示了人體內部解剖學結構，但是需要經過耗時的器官分割分類才能將其用於蒙特卡羅輻射輸運計算。這些體素模型包括海量的體素，每個含有器官代號和材料組成。到目前為止已有超過38不同用途的體素模型。
RPI的VIP-MAN模型
RPI的VIP-MAN模型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掃描對人體產生較大劑量的電離輻射,這正是設計仿真人體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。
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，要分離或區分人體不同的組織和器官。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。
早期發展
最初的關於體素模型的工作是在1982年同時但獨立地由范德堡大學的Dr.Gibbs和德國的環境與健康國家研究中心（GSF）的Dr.Zankl開展的。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，主要針對用於醫療照射劑量模擬計算的人體模型重建。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VISIBLE HUMAN。
各國體素模型的發展
- 耶魯大學的Dr. Zubal及其團隊，1994年，VoxelMan模型。這個模型只完成了從頭到軀幹，針對發展放射性藥物。
- 佛羅里達大學的Dr. Bolch及團隊，2002至2006年，發展了一系列兒童模型，範圍從新生兒到十多歲的少年，彌補了長期缺乏體素化兒童模型的不足。
- 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射線劑量學研究。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。
- 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 。
- 由Dr. Dimbylow領導的團隊在1996年基於核磁共振影像開發了NORMAN模型。2005年又開發了一個女性模型。
- Flinders大學的Dr.Caon及其團隊在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。
- 日本原子能研究所(JAERI)的Dr. Saito及其團隊於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。
- 自從2004年，Drs. Lee and Kim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）是以一具屍體的彩色照片為參照開發的，與RPI的VIP-MAN開發過程相似。
- 2000至2010年間，中國政府啟動了自己的可視化人項目。中國輻射防護研究院的Dr. Zhang及其團隊基於彩色屍體圖片開發了CNMAN模型，華中科技大學基於彩色屍體圖片開發了VCH模型，清華大學基於MRI圖像開發了CVP模型。
- 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。
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，套用於內照射劑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，也為放射性核素劑量學的套用提供了統計參數。
可變形的BREP模型
儘管體素體模能真實反映人體解剖信息，想要調節器官大小和身體結構的來適應不同的體貌特徵和運動姿勢卻極端困難。肥胖的個體、心臟運動、或者呼吸運動都是需要進行器官調整的例子。一些研究者已經開創了一種新的方法，使用邊界表述（BREP）來提供新的靈活性以應對不同的解剖學結構變形需要。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，BREP模型可以很方便的對解剖結構進行一系列的操作，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。
模擬呼吸人體軀幹的4D的BREP模型
模擬呼吸人體軀幹的4D的BREP模型基於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。
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內置功能。
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。
9個月的孕婦模型
9個月的孕婦模型2005年，徐榭小組通過將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照射放射治療計畫的研究。
2007年，徐榭小組開發了一系列基於多邊形的模型，包括3，6，9個月妊娠期的孕婦及其胎兒。這些模型的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可變形成年男士/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周歲兒童和成人。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。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ICRU 46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。
動作捕捉系統提取真人數據來決定CHAD的姿勢
動作捕捉系統提取真人數據來決定CHAD的姿勢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）檢查中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的研究人員開發了用於動態劑量學（CHAD）仿真人體模型。通過連線動作捕捉系統，來動態調整模型的動作姿勢。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。
