虚拟人技术在军事医学研究中的应用

虚拟人技术在军事医学研究中的应用 魏高峰，王成焘，孙秋明。白雪岭 【摘要】综述了目前国内外虚拟人技术的研究现状，介绍了虚拟人几何建模技术、运动学测量及分析技术、动力学建 模及分析技术以及有限元建模及分析技术。结合军事医学的特点。探讨了虚拟人技术在军事医学研究中的应用问题， 阐明了虚拟人技术在军事医学中的重要性，并对未来虚拟人技术在军事医学中的应用前景进行了展望。 【关键词】虚拟人技术；虚拟现实；军事医学 【中国图书资料分类号】Ｒ８２；ＴＰｌ８【文献标识码】Ａ【文章编号】１００３—８８６８（２０１０１０１—００４５－０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｈｕｍａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＷＥＩ Ｇａｏ－ｆｅｎｇ＇。ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ－ｔａ０１，ＳＵＮ Ｑｉｕ—ｍｍ爵ＢＡＩ Ｘｕｅ—ｌｉｎ９１ （１．Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ＆Ｌｉｆｅ Ｑｕａｌｉｔｙ ｖｉａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３００１６ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｕｍａｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｓｏｍｅ ｍａｔｔｅｒｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｃｌｓ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｕｍａｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｏｄｅｌｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ．ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔ｝ｌ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｍｅｄｉｃａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｕｍａｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．［Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１０，３１（１）：４５＿４７】 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｖｉｒｔｕａｌ ｈｕｍａｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ；ｍｉｌｉｔａｒｙ ｍｅｄｉｃｉｎｅ １引言 虚拟人技术是指把人体形态学、物理学和生物学等信息，通过巨型 计算机处理而实现的数字化虚拟人体，是一个可代替真实人体进行实 验研究的虚拟技术平台。从２０世纪７０年代开始，虚拟人仿真技术就开 始被用于分析车辆碰撞过程中对人体的损伤。进而通过改善保护装置 增强人的安全性％此外．虚拟人技术还可用于分析运动员溅疾人、演 员等在运动过程中人体各个部分的速度、加速度、力和力矩等力学特 性，从而改善其运动或治疗方案。在人机工程领域，虚拟人技术可以用 来评估装备与人在交互过程中的可操作性和工作效率。在产品设计中ｊ 可以利用虚拟人技术在产品设计初期对其进行仿真试验。以改进设计 方案四。虚拟人技术在医学以及急救、事故再现等领域具有更为重要的 应用，如脑神经外科诊断、人工假体设计、人工关节置换、步态研究、行 为检测等暇。 军事医学是运用一般医学原理和技术．研究军队平时和战时特有 的卫生保障的科学。许多国家的军事医学都以一般医学理论为基础，主 要研究解决现代战争条件下部队的实际医学问题。军事医学虽然是基 于一般医学的原理和技术．但其具有许多自身的特点。主要体现在军事 医学的研究环境复杂多变．有时甚至是极端环境：其次是军事医学所研 究的问题大多不可重复．难以进行实验研究；再次是军事医学的研究对 象大多持续时间较短，情况紧急，对时问有很高的要求。这些特点使得 该研究领域中充满了诸多困难．例如军事医学中的很多问题难以进行 实际的人体实验研究，或者是实验研究费用昂贵、用时过长等。而虚拟 人技术的出现为解决军事医学研究中的这些困难提供了一种有效的方 法．大大促进了军事医学的发展。本文首先综述了目前国内外虚拟人技 术的研究现状；其次介绍了具体的虚拟人建模与分析技术；最后结合军 事医学的特点，探讨了虚拟人技术在军事医学中的应用问题，并进一步 讨论了其未来的发展前景。 ２虚拟人技术研究现状 基金项目：国家自然科学基金重点项目（３０５３０２２３０） 作者简介：魏高峰（１９８１一）．男，甘肃甘谷人，博士。研究实习员，主要从事 虚拟人技术方面的研究丁作。 作者单位：２００２４０七海．ｔ海交通大学生物医学制造与生命质量工程研究 所（魏高峰，王成焘，白雪岭）；军事医学科学院卫生装备研究所（魏高峰．孙 秋明） 虚拟人的建模及分析技术主要指以下几个方面的研究：虚拟人 的几何建模技术、虚拟人的动力学建模及分析技术以及虚拟人的有 限元建模及分析技术。１９８９年，美围国家医学图书馆（ＮＬＭ）提出了 开展可视人（ｖｉｓｉｂｌｅ ｈｕｍａｎ ｐｒｏｊｅｃｔ．ＶＨＰ）的研究计划［４ｔ，在１９９４年获 得了一套男性人体解剖数据集．１９９５年又获得了一套女性人体解剖 数据集１５．。６１。男性数据集切片层间距为ｌ ｍｉｌｌ，女性数据集切片层间距 为Ｏ．３３ ｍｍｍ。２０００年，由韩国延世大学和韩国科技信息研究所承担 的可视韩周人（ｖｉｓｉｂｌｅ ｋｏｒｅａｎ ｈｕｍａｎ．ＶＫＨ）计划正式启动，预计用５ ａ时间完成切片厚度为Ｏ．２ ｍｍ的人体切片数据集ｉｔｌ。２００３年４月，我国 南方医科大学完成了第一例女性尸体数据的采集工作。随后第三军 医大学也宣布完成了第一例男性尸体数据的采集工作．并于２００５年 ３月构建了切片间距为０．２ ｍｉｌｌ、２ ２００万像素的中国虚拟人男２号。 目前世界上有关虚拟人切片数据集的研究情况如表ｌ所示。 袭１ 美、韩、中虚拟人切片数据集对比裹 与此同时．虚拟人动力学建模研究也取得了很快的发展。１９８９年， Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学的Ｚａｊａｃ教授在他的一篇论文中阿对骨骼肌肉、肌腱以及其 在虚拟人运动控制中的应用进行了系统的数学建模和研究，从而为现 代虚拟人动力学建模和计算提供了可靠的肌肉力基础模型。１９９０年， Ｄｅｌｌ／１ｑ提出了一套建立虚拟人骨肌系统动力学模型的Ｋａｎｅ方法ｊ １９９１ 年。Ａｌｂｏｒｇ大学的Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ利用刚柔耦合动力学的方法对虚拟人的 生物力学行为进行了建模和研究。２００１年，Ｉｖａｎｃｅｖｉｄ“嵯出了用模糊随 机理论来对虚拟人体进行动力学计算研究。２００２ 年。Ｄａｖｏｏｄｉ Ｒ｜１琨出用 模拟退火算法。从智能控制的角度对人体骨肌系统进行建模研究。２００３ 年。Ａｎｄｅｒｓｏｎ和ＤｅｌｒＣ吼ｌｇ出了控制肌肉力算法，将反馈控制引入了人体 骨肌系统动力学的计算模型中。２００６年。Ａｍｙｌｌ＾提出用模糊优化的方法 来计算肌肉力。２００ｒ７年以来．开始出现了对虚拟人体骨骼系统进行有限 元计算旧的研究。且前我国只是完成了虚拟人切片数据集的采集工作， ? 医疗卫生装备? ２０１０年０１月第３１卷第Ｏｌ期Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｊｏｕｒｎａｌ? ＶｏＬ３１? Ｎｏ．０１? Ｊａｎｕａｒｙ? ２０１０
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