生命科學與信息科學的融合

——專家學者關注“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”

“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”是醫(yī)學科學技術的最新領域，是當今醫(yī)學科學技術、生命科學、信息科學、智能科學技術和計算機科學技術的高度綜合。該領域的研究將大大促進21世紀醫(yī)學科學技術從定性描述向定量表達發(fā)展，其研究成果將加深對人體系統(tǒng)的認識，提供公共衛(wèi)生安全管理的有效手段，深刻地改變未來人體系統(tǒng)的研究活動和人們的生活、工作方式。這是專家學者們在最近召開的全國第一屆“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”學術研討會上達成的共識。針對“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”與“虛擬人”、“可視人”等已有概念之間有何不同，這一新興學科的提出背景、重要意義、研究內(nèi)容和發(fā)展現(xiàn)狀等問題，在研討會及會前會后，專家們各抒已見，對此進行了深入的研討。

一、何為“數(shù)字人體”？“數(shù)字人體”與當前的“數(shù)字化虛擬人”有何區(qū)別？

“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”的創(chuàng)建者、中科院遙感所研究員畢思文認為：“數(shù)字人體”與當前的“數(shù)字化虛擬人”、“虛擬人”和“可視人”在研究思路和研究內(nèi)容上有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，數(shù)字人體的研究對象是活人，是建立在多時空、動態(tài)的人體系統(tǒng)為研究對象，以人體時時觀測、網(wǎng)絡和計算機信息處理為主體的技術系統(tǒng)。而“數(shù)字化虛擬人”或“虛擬人”等研究的對象是死人，是將尸體用刀切削成為成千上萬個人體切片，然后照相，在電腦里對其進行整合，重建人體三維結構。形象地說，也就是將尸體切片“摞”起來，成為一個“數(shù)字化”的人形。按照國外“數(shù)字化虛擬人”研究專家的設想，該研究包括虛擬可視人、虛擬物理人和虛擬生物人3個研究層面，目前做的工作是虛擬可視人。當然，不同虛擬人會取得不同的結果，但無論是虛擬什么人，它研究的立足點是死人。所以，得到的研究結果有很大的局限性，與利用活人作為立足點研究的數(shù)字人體有著很大的差異性；這是“數(shù)字人體”與“數(shù)字化虛擬人”本質(zhì)上的區(qū)別，如果說有聯(lián)系，也只是在數(shù)字化虛擬技術上。另外，數(shù)字人體也做數(shù)字化虛擬人體的研究，目的是為了解人體系統(tǒng)在某一時間、空間尺度的情況，就需要這種技術。但其立足點還是活人。

數(shù)字化虛擬人在構成人體形態(tài)學信息研究的實驗平臺，為醫(yī)學、生命科學等的研究和應用提供了重要基礎，但與有生命的人體系統(tǒng)相差甚遠。因為，人體是一復雜巨系統(tǒng)，是由100多萬億個細胞組成的復雜整體，僅人的神經(jīng)系統(tǒng)就約有1000億個神經(jīng)元。而且，由細胞構成的組織、器官間的相互作用，人體與外界環(huán)境的沖突與和諧，這些極為復雜人體系統(tǒng)的變化，數(shù)字化虛擬人是無法實現(xiàn)的。

據(jù)畢思文研究員介紹，曾委托衛(wèi)生部醫(yī)藥衛(wèi)生科技情報檢索中心對“數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學”進行了查新。結果表明：“從1979年至2002年3月665萬余篇國內(nèi)外文獻查新中，在國內(nèi)外檢索范圍內(nèi)均未見與本研究課題內(nèi)容設計相同的文獻報道”。

二、數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學提出的背景

畢思文研究員認為，數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學的提出主要基于以下幾個方面的需要。

1. 醫(yī)學科學技術創(chuàng)新發(fā)展的需要

在數(shù)字人體的研究中，不僅需要局部的精雕細刻，也需要對整體的把握。如果我們的注意力和想象力總是聚焦在一個局部的層次上，而不能從宏觀戰(zhàn)略上放眼國際醫(yī)學科技發(fā)展和世界潮流的話，在醫(yī)學科學技術方面將陷入全面的被動。因此，開展數(shù)字人體的應用研究，不僅能開闊人們的思維空間，而且能產(chǎn)生強烈的聚合力，為從更高層次上集成醫(yī)學科學技術提供了廣闊的空間機遇。

中醫(yī)藥學是我國醫(yī)學科學的特色，是我國有能力有可能成為站在國際科學前沿的重要領域。中醫(yī)藥現(xiàn)代化的科學目標是綜合運用現(xiàn)代數(shù)學、物理學、化學、信息科學及生命科學相關學科的最新進展提供的新理論、新技術、新方法，抓住證候、方劑、針灸原理三個關鍵問題，以揭示中醫(yī)藥學基礎理論的科學內(nèi)涵為突破口，爭取中醫(yī)藥基礎理論能在源頭上有所創(chuàng)新，為中醫(yī)藥現(xiàn)代化與國際化奠定基礎。在繼承和發(fā)掘的基礎上組織多學科協(xié)作，利用現(xiàn)代科學技術理論和方法研究中醫(yī)藥學，將為解決當代生命科學重大疑難問題作出貢獻。為了促進中醫(yī)藥現(xiàn)代化的發(fā)展進程，進一步探討研究數(shù)字中醫(yī)藥對中醫(yī)藥跨躍式發(fā)展的促進作用，“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”是解決中醫(yī)藥現(xiàn)代化的瓶徑、也是中醫(yī)藥現(xiàn)代化的需要，必將在中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展中起越來越重要的地位和作用。

2. 智能科學計算的需要

21世紀人類全面進入信息時代，而信息化的精華是智能化。人類對智能化的追求導致“智能革命”。在智能革命中，人工智能是核心。人工智能是研究機器智能的學科，即用人工的方法和技術，研制智能機器或智能系統(tǒng)以模仿、延伸和擴展人的智能，實現(xiàn)智能行為。經(jīng)過40多年的研究，人工智能在科學計算等領域應用取得了很多成果，提出了啟發(fā)式搜索策略、非單調(diào)推理、機器學習的方法等。人工智能應用，特別是專家系統(tǒng)、智能決策、智能機器人、自然語言理解等方面的成就促進了人工智能的研究。但還存在著種種不足：例如，人工智能在一些關鍵技術方面，諸如機器學習、非單調(diào)推理、常識性知識表示、不確定推理等尚未取得突破性的進展；人工智能對全局性判斷模糊信息處理、多粒度視覺信息的處理是極為困難的；目前尚不清楚人工智能是否可歸結為一組基本原理，或者只是若干個不同子領域的松散結合，其中每個子領域集中研究思維中的一個不同部分或者一個不同的應用。

因此， “數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學” 的提出，試圖把人體系統(tǒng)模型作為智能計算模擬的原型系統(tǒng)，使數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學成為人工智能研究的新途徑。數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學用于智能科學計算研究的主要內(nèi)容為：數(shù)字人腦智能邏輯、數(shù)字人腦約束推理、數(shù)字人腦定性推理、基于范例推理的數(shù)字人腦、數(shù)字人腦的歸納學習、類比學習和解釋學習；數(shù)字人腦的知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)開采、分布式數(shù)字人腦智能；數(shù)字人腦的進化計算等。

3. 人類工程活動的需要

數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學在人類工程活動的應用前景是不言而喻的。例如，在航空、航天技術、計算機、傳感器等新技術的推動下發(fā)展起來的遙感科學技術，很長時間以來，在基礎與應用研究的各種模型和計算誤差一直是沒有解決的難題，其主要原因是遙感所探測的地球表面是一復雜的巨系統(tǒng)，現(xiàn)有模型和算法難以滿足要求。根據(jù)遙感面臨的挑戰(zhàn)與困難，“數(shù)字人體”作為一種智能科學計算方法可對復雜自然環(huán)境時空信息獲取與融合處理進行理論和應用研究，因而可滿足遙感科學技術的需要。再如，“信息時代”和“數(shù)字時代”的到來，對軍隊就意味著數(shù)字化，即“數(shù)字化戰(zhàn)場”、“數(shù)字化軍隊”、“數(shù)字化戰(zhàn)爭”，但是這一切都離不開人。因此，開展“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”的研究對國防安全具有重要的意義。又如，地球系統(tǒng)科學是研究地球系統(tǒng)在復雜的相互作用中運轉(zhuǎn)的機制、地球系統(tǒng)變化的規(guī)律和控制這些變化的機理，從而奠定全球環(huán)境變化預測的基礎科學，并為地球系統(tǒng)的科學管理提供依據(jù)。但是，要解決上述科學問題，地球系統(tǒng)動力學模型的建立和大型科學計算模擬是其主要難題；目前現(xiàn)有的方法和技術難以滿足要求，“數(shù)字人體”從仿生學的角度可以開展上述內(nèi)容的研究，滿足地球系統(tǒng)科學研究的需要。   

 4. 科學數(shù)據(jù)共享的需要

在知識經(jīng)濟和信息社會中，因特網(wǎng)的出現(xiàn)為人類實現(xiàn)全球性科學數(shù)據(jù)共享提供了強大的平臺。但是，隨著因特網(wǎng)規(guī)模和信息量的日益擴大，網(wǎng)絡的管理與控制水平已成為制約有效進行數(shù)據(jù)共享的主要問題。“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”作為描述整個人體系統(tǒng)中各類信息的時間序列與空間分布的共同框架，在人體系統(tǒng)觀測信息的集成、傳輸信息的流暢、系統(tǒng)互操作與協(xié)調(diào)能力的完善、多維動態(tài)信息的模擬與仿真等諸方面均有著獨特的優(yōu)勢。其信息獲取、傳輸、存儲與處理等方面的機制對于提高因特網(wǎng)的管控水平具有非常重要的借鑒意義。

三、提出數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學有何重要意義？

中國醫(yī)藥信息學會理事長、北京大學醫(yī)學部王德炳教授認為：我國科學長期以來缺乏原始性創(chuàng)新，多為從國外和他人的成果中復制或模擬的科學技術�！皵�(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學” 是一門邊緣性、交叉性和多科性的學科，具有原始創(chuàng)新性。由來自中西醫(yī)學、生命科學、信息科學和計算機科學技術等不同領域的專家協(xié)同作戰(zhàn)，共同推進這一新興的邊緣學科領域的發(fā)展具有開拓性的意義。

畢思文研究員指出：數(shù)字人體研究所涉及的動態(tài)學圖象處理與分析是精確的定量研究，無論是人體系統(tǒng)結構的精確重建，還是人體器官、組織狀態(tài)及與周圍器官、組織的關系等，都需要涉及大量的數(shù)據(jù)和復雜性的計算。人體系統(tǒng)數(shù)字學用信息化和數(shù)字化的方法研究和構建數(shù)字人體，即人體活動的信息全部數(shù)字化之后由計算機網(wǎng)絡來管理，以了解整個人體系統(tǒng)所涉及的信息過程，特別注意人體系統(tǒng)之間信息的聯(lián)系和相互作用的規(guī)律。這一特點與數(shù)字化虛擬人有著本質(zhì)的不同，使其在現(xiàn)代中西醫(yī)學、智能科學計算、人類工程活動以及科學數(shù)據(jù)共享等領域具有非常重要的理論意義。

中國人工智能學會副秘書長、北京工商大學信息工程學院院長韓力群教授認為：由于數(shù)字人體研究的對象是活人，其應用前景是不言而喻的。用于臨床可提高醫(yī)療和疾病預測、預防水平，增強人體健康，延長人的壽命；用于中醫(yī)學，有利于解釋和理解經(jīng)絡、陰陽、臟腑、虛實、氣血等學科的本質(zhì)涵義；用于工程技術，可對數(shù)字人體進行模擬、延伸和拓展，制造出具有人類特征的人造生命系統(tǒng)，如擬人機器人，娛樂機器寵物等；用于人與環(huán)境的關系研究，可通過綜合各種環(huán)境氣候信息預測流行疾病的發(fā)生概率和流行趨勢；用于航天航空領域，可改進宇航員和飛行員的訓練方法，提高飛行質(zhì)量；用于體育競賽的訓練，可有效提高運動員的訓練水平和競技狀態(tài)；用于影視創(chuàng)造，可使虛擬演員的動作更逼真，形態(tài)更生動。另外,還可用在汽車、建筑、礦山、服裝、生物和國防等領域。

四、數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學的主要研究內(nèi)容是什么？

畢思文研究員認為：數(shù)字人體是以活人為研究對象，以醫(yī)學、信息科學、智能科學和計算科學為理論基礎，建立一系列不同層次的原型、物質(zhì)模型、生理模型、力學模型、數(shù)學模型、信息模型和計算機模型，并將這些模型集成為"有生命的"人體模型。同時，用高新人體信息觀測處理和網(wǎng)絡技術，建立具有多分辨率、海量數(shù)據(jù)和多種數(shù)據(jù)的融合，并可用多媒體和仿真虛擬技術進行多維的表達，是具有空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和可視化的技術系統(tǒng)。

畢思文研究員提出：首先應對數(shù)字人體系統(tǒng)的結構進行深入的研究，構建完整的“數(shù)字人體”的理論和體系結構，建立數(shù)字人體的信息標準化體系，規(guī)劃指導整體的數(shù)字人體研究。數(shù)字人體的研究基礎是人體系統(tǒng)原型與模型和基礎理論，數(shù)字人體研究的關鍵是靈活方便實時獲取人體信息，分析生物信息的傳遞、協(xié)調(diào)、控制機理，對信息進行識別、融合和理解，開展可視化再現(xiàn)和仿真試驗研究。數(shù)字人體研究將以基礎理論、技術方法和應用示范為思路，重點研究人體的感受器（五官七竅）、信息通道（經(jīng)脈、絡脈），調(diào)控中樞（大腦）、效應器（五臟六腑）和運動協(xié)同中心（軀體）的信息獲取預處理機理和技術。因此，數(shù)字人體研究涉及“數(shù)字軀體”、“數(shù)字經(jīng)絡”、“數(shù)字臟腑”、“數(shù)字感官”、“數(shù)字人腦”等方面。

畢思文研究員認為：人體系統(tǒng)是一個復雜性巨系統(tǒng)。對人體的研究不僅從人體形態(tài)結構入手，而且要借助現(xiàn)代科技探測、分析等先進技術和試驗方法手段，將人體從整體到系統(tǒng)、器官、組織、細胞、分子、基因進行分析和研究；更重要的是從人體功能狀態(tài)入手，采集人體體表的宏觀物理信息與人體感官信息，把握人體的功能狀態(tài)和生命活動規(guī)律；后者正是數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學的優(yōu)勢和特長。數(shù)字人體要解決如何利用統(tǒng)一性的數(shù)字化技術手段，對人體系統(tǒng)、變化規(guī)律進行完整重現(xiàn)和認識；利用數(shù)字化技術建立人體數(shù)據(jù)、信息和知識的獲取、存儲、處理的人體信息系統(tǒng)；綜合運用數(shù)學、信息科學和生物學的各種方法，闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學意義和內(nèi)在機理；將仿真試驗和臨床診斷治療結合起來，推進人體生物信息學和醫(yī)學進展。

畢思文研究員還認為：數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學的研究方法應注意幾個結合。即系統(tǒng)分析與系統(tǒng)綜合相結合，局部描述與整體描述相結合，定性描述與定量描述相結合，確定性與不確定性相結合，模型與原型相結合。

五、數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學的研究現(xiàn)狀

"數(shù)字人體"提出后，在國內(nèi)引起不小的反響，不少中青年研究人員積極響應，開始進行積極的研究、探討和學術交流活動。據(jù)悉，今年8月，我國第一部"數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學"研究論文已結集出版；9月上旬，來自研究所、高校的中西醫(yī)學界和信息科學界的學者們匯聚北京，參加了全國第一屆"數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學"研討會；而我國第一部"數(shù)字人體"方面的專著《數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學》已經(jīng)付梓，不久即將面市。數(shù)字人體研究示范已經(jīng)開始，專家們已經(jīng)開始用“數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學”的研究思路和理論基礎，聯(lián)系自己的專業(yè)實際，開始了探索，這是十分難能可貴的。據(jù)了解，目前開展的主要研究工作有：

1. “數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”的理論體系、標準化體系和信息平臺結構研究

據(jù)畢思文研究員介紹，該項研究工作首先在理清數(shù)字人體的研究思路、基本概念和特征的基礎上，提出數(shù)字人體的研究任務、研究內(nèi)容和理論體系。其次，開展“數(shù)字人體”標準化體系研究，制定和引用數(shù)字人體構建的各類數(shù)據(jù)標準。建立數(shù)字人體的標準化體系總表和數(shù)據(jù)標準化子系統(tǒng)（信息指標體系、信息分類編碼、數(shù)據(jù)控制和質(zhì)量標準）、信息處理標準化子系統(tǒng)（信息系統(tǒng)開發(fā)、信息交換接口、空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式標準）、系統(tǒng)構建標準化子系統(tǒng)（軟件硬環(huán)境、數(shù)據(jù)庫標準）、管理標準化子系統(tǒng)（管理規(guī)定、術語標準和管理辦法標準），實現(xiàn)數(shù)字資源共享。最后，根據(jù)數(shù)字人體的理論體系和系統(tǒng)標準，構建數(shù)字人體信息系統(tǒng)總體的技術體系，進行數(shù)字人體系統(tǒng)總體功能和模塊設計，建立統(tǒng)一信息共享平臺。

2.“數(shù)字人腦”研究

據(jù)韓力群教授介紹，她領導的“數(shù)字人腦”研究工作主要從事“數(shù)字人體”的并行信息處理與多級協(xié)調(diào)控制方法研究。目前對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的研究主要是在細胞和分子水平上對人腦神經(jīng)系統(tǒng)結構和功能進行微觀層次的研究，而“數(shù)字人腦”研究則是對人腦神經(jīng)系統(tǒng)信息處理規(guī)律進行系統(tǒng)層次的探索，這種系統(tǒng)層次的研究更有利于對腦內(nèi)的信息處理形成總體性的概念，更易于詳盡研究包含各種相互作用的復雜非線性神經(jīng)系統(tǒng)，通過仿真和實驗結果對比有可能發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象并設計新實驗，近年來正逐漸展現(xiàn)出其強大的生命力。

3. “數(shù)字經(jīng)絡”研究

北京郵電大學王樅教授提出的“數(shù)字經(jīng)絡”，重點研究“數(shù)字人體”的集散通信體制與雙向信息傳輸調(diào)度方法。從控制論觀點出發(fā)，結合中醫(yī)“經(jīng)絡學說”和西醫(yī)“神經(jīng)學說”，主要研究經(jīng)絡在控制整個人體生命活動的信息傳播機制、途徑、方式等，開展“數(shù)字經(jīng)絡”的信道網(wǎng)絡模型與集散通信體制及信息傳輸方法研究。

4. “數(shù)字感官”研究

中科院自動化所楊一平研究員和楊國勝副研究員從事的“數(shù)字感官”研究，主要研究數(shù)字人體系統(tǒng)的信息獲取方法和機理，包括感覺系統(tǒng)機理研究、感覺信息處理研究、多媒體多模式信息獲取與融合算法研究和多光譜的人體識別技術等內(nèi)容。從視覺、聽覺信息流的角度和經(jīng)絡穴位的觀點出發(fā)，系統(tǒng)地研究視覺、聽覺、觸覺系統(tǒng)的輸入輸出通道、視覺信息處理過程、視覺行為和視覺模式識別。并研究人體系統(tǒng)的成像光譜技術、基于成像光譜圖像的人體經(jīng)絡信息提取方法、基于特征信息的人體經(jīng)絡系統(tǒng)的識別和數(shù)字化重建和人體系統(tǒng)典型信息譜庫的建立。

5. “數(shù)字臟腑”研究

北京中醫(yī)藥大學東直門醫(yī)院高穎教授的“數(shù)字臟腑”研究工作，主要研究數(shù)字人體的整體綜合調(diào)控理論與方法，重點是建立人的數(shù)字臟腑系統(tǒng)功能模型并提出整體綜合調(diào)控理論與方法�！皵�(shù)字臟腑”是以五臟為主體，將六腑、五體、五官、九竅、四肢百骸等組織器官系統(tǒng)聯(lián)系成有機的整體，以上五個系統(tǒng)是通過經(jīng)脈的絡屬溝通，氣血的流貫，相互聯(lián)系，并按照五行生克制化的規(guī)律進行調(diào)節(jié)和控制，保證機體生命活動的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。此外，從生理功能和病理狀態(tài)兩個方面，重點研究臟與臟，臟與腑之間的關系，以探討臟腑系統(tǒng)的整體調(diào)控理論與方法。

6. “數(shù)字藏象人”研究

北京中醫(yī)藥大學任廷革、中科院數(shù)學研究所高全泉等人提出“數(shù)字藏象人”的概念。他們認為，“數(shù)字”是運用計算機科學與技術、信息科學理論等虛擬現(xiàn)實的研究方法和手段，“藏象”是研究的對象，是中醫(yī)理論的核心內(nèi)容，中醫(yī)學理論體系形成的基礎；“人”是研究內(nèi)容的載體�！皵�(shù)字藏象人”將中醫(yī)學認為人體所具備的功能、狀態(tài)、行為等生命屬性，用數(shù)字化的信息形式表達出來。數(shù)字藏象人基礎性研究包括3個方面的內(nèi)容：一是藏象理論數(shù)據(jù)庫的構建；二是藏象理論知識庫的研究；三是藏象理論模型庫的研制。數(shù)字藏象人基礎性研究力圖在藏象理論研究與現(xiàn)代科學技術的切入方面搭建一個平臺，在信息技術的幫助下實現(xiàn)多層次、多學科的綜合性研究作出有意義的探索。

六、結語

“數(shù)字人體”是一項復雜的系統(tǒng)工程，其中有許多共性問題，也存在許多區(qū)域性和具有本國特征的特定需求和環(huán)境，需要大家進一步探討，求同存異，平等互利，友好合作，這是合作開發(fā)“數(shù)字人體”的前提�？紤]到從全球到地區(qū)的不同角度的需求，應說為“數(shù)字人體”提出一個統(tǒng)一的、多層次的科學框架結構；商定自主開發(fā)與全球共建共享的科學數(shù)據(jù)規(guī)范、源數(shù)據(jù)標準和信息交換協(xié)議；建立全球性的網(wǎng)絡連接，以保障全球性的人體觀測數(shù)據(jù)的提供與定期更新；創(chuàng)造透明點訪問和導航；協(xié)調(diào)有關系統(tǒng)效率與信息安全與管理法規(guī)等。因此，專家學者呼吁，各領域科技工作者應攜手并肩，聯(lián)合作戰(zhàn)，為合作研究具有中國特色和原始性創(chuàng)新的“數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學”而共同努力。