5000片標本，重建最高清的「虛擬人」
今天，這裡要講述的是一位平凡的美國女性的故事。
她的生平並沒有什麼過人之處，甚至連名字都沒有被公開，我們現在所知道的，僅僅是她在20多年前因為心臟病發作而離開了人世，享年59歲。
不過現在，她的遺體卻以一種奇異的方式得以永存，並為世人所知。這具遺體被製成了超過5000份精細的切片標本，並經過數字化，變成了目前最為精細的人體解剖3D模型。不僅如此，存在於計算機軟體中的「她」還成為了醫學研究中的虛擬受試者。「她」的存在，使更多難以用常規方式進行的實驗分析成為了可能。
這些標本製作和重建的工作屬於「可視人計劃」（Visible Human Project）的一部分，這項計劃由美國國家醫學圖書館發起。參與這一項目的研究者們選出了一位男性和一位女性的遺體作為樣本，他們分別對這兩具遺體進行了全身的CT和磁共振掃描，並將遺體逐層橫切，製成了切片標本。這些標本十分精細纖薄，男性遺體標本的切片厚度為1毫米，而女性標本的切片厚度僅為0.33毫米。相比這位不知名的女性，男性遺體捐獻者的身份顯得更加特別：此人名叫約瑟夫·保羅·傑尼根（Joseph Paul Jernigan），在39歲時因謀殺罪被處以注射死刑，他特殊的身份還引來了一場倫理爭論。
從頭到腳，約瑟夫·保羅·傑尼根的遺體標本。原視頻來自：Visible Human Project
在上世紀90年代，可視人計劃的第一批圖像公佈於眾。在此之後，不少團隊也對由1871份切片組成的男性標本進行了重建。這些標本圖像已經得到了不少應用，哥倫比亞大學的研究者們還通過它們發現並修正了以往解剖學教科書中的幾處細節錯誤[1]。
而現在，女性標本也得以重建。得益於纖薄的切片，這次的虛擬模型精度又得到了大幅提升。這項工作由伍斯特理工學院的謝爾蓋·馬卡羅夫（Sergey Makarov）和他的同事們共同完成。他們利用軟體將數千張圖像整合到一起，並請5位不同領域的醫學專家進行了校驗。「它必須是解剖學精確的。」 馬卡羅夫這樣說到。2015年8月，他們剛剛在IEEE（電氣與電子工程師學會）醫學及生物工程領域的會議上報告了這項成果。
直到現在，實物標本依然是了解人體解剖結構最重要的參考資料，而纖薄的切片標本更是展現了種種人體組織精細的內部構造。在過去幾十年中，CT、磁共振等影像學手段不斷發展，對屍體標本一點點切片了解人體構造的方式似乎顯得過時了，但直到現在，影像手段依然無法完全替代實物標本的地位。對活著的志願者進行全身掃描要花上幾小時時間，稍一移動就會影響成像的清晰度。而且更重要的是，掃描影像是黑白的，雖然在不同組織之間存在一些灰度對比，但它的清晰程度和對比度遠不能與實物相比。
研究者們將他們構建的模型稱為「幻影」（phantom）。現在，這位女性「幻影」是世界上細節最為豐富的人體重建模型，她包含231個組織部件。不過遺憾的是，這份模型依然有一些瑕疵之處：標本中遺失了包括鼻軟骨在內的14個部件，血管的精細結構也難以得到保全。
電腦里的虛擬實驗這些標本和重建模型本身就已經足夠震撼，它們也能發揮重要的教育作用。不過，研究者們並不滿足於此。製作「幻影」模型的一個重要目的，是為了在計算機上進行一系列以往難以完成的「人體實驗」。
在醫學領域，直接來自人體的臨床試驗數據永遠都是最有參考價值的，但在很多情況下，由於風險過大、違背醫學倫理，進行實地試驗很不現實。以往，我們可能就只能接受數據缺失的現實，或者從動物實驗結果出發，進行並不精確的估算。而現在，虛擬模型為研究者提供了新的可能。除了精細的解剖結構，在這個「幻影」模型中還包含了各個器官的密度、熱導率等參數，這使得她成為了虛擬實驗絕佳的受試者。
比如說，研究者們已經用「幻影」模型進行了這樣一個模擬試驗：他們給「幻影」設置了一個植入的金屬人工關節，並在軟體中設置不同的磁場強度，以此來評估一個植入了金屬關節的患者進行磁共振成像檢查時會產生怎樣的後果。金屬植入物在磁場的作用下可能會移位、發熱，這會給患者帶來危險，而如果通過虛擬受試者量化地評估這些風險的大小，研究者們或許將來就可以為這些患者找到更安全的成像解決方案。
除此之外，研究者們還在「幻影」身上測試了經顱直流電刺激療法的安全範圍。即使是常人難以承受的極限條件，「幻影」也可以輕鬆勝任。
現在，這一模型系統已經對各地的研究者們免費開放，通過軟體，還可以對它進行修改。通過女性標本建立起的原版模型比較胖，而通過軟體參數的修改，還可以得到體型較瘦的數字模型，以滿足更多研究需要。「建立這一模型經歷了大量的前期工作，而現在，任何人都可以在自己的電腦上跑個實驗了。」 馬卡羅夫的合作者之一、整形外科醫生阿拉·納扎里安（Ara Nazarian）這樣說。
作為虛擬受試者的「幻影」還有數不盡的可能性等待發掘，對醫學研究者而言，這無疑是激動人心的。而在先進醫學成果的背後，這位平凡女性為人類醫學做出的貢獻也值得我們銘記。（編輯：窗敲雨）
題圖來自：Visible Human Project
參考資料：
- https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_Human_Project
- New Scientist：Virtual human built from more than 5000 slices of a real woman
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