人體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建及應(yīng)用展望

田 競(jìng)，田 野，張 賀，武 岳，李雪華

（1.北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院衛(wèi)勤訓(xùn)練中心，沈陽(yáng) 110840；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710072）

0 引言

數(shù)字孿生技術(shù)是利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，可通過(guò)在虛擬空間的映射，反映對(duì)應(yīng)實(shí)體的全實(shí)驗(yàn)周期信息[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)具備全要素系統(tǒng)仿真，運(yùn)算速度更快、可信度更高等優(yōu)勢(shì)[2]，成為研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重要工具，已被美國(guó)國(guó)防部作為戰(zhàn)略級(jí)技術(shù)應(yīng)用于F-15C戰(zhàn)斗機(jī)、數(shù)字林肯和“阿凡達(dá)”項(xiàng)目等的研究中[3]。臨床醫(yī)學(xué)或軍事醫(yī)學(xué)中，研究人體外傷后的病理生理變化、對(duì)藥物或治療措施的反應(yīng)、損傷及武器效能評(píng)估等，往往需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)或者等效體模，所得到的結(jié)果只反映局部和某時(shí)間點(diǎn)的情況，由于人體的復(fù)雜性遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械，各組織器官協(xié)同復(fù)雜，難以了解持續(xù)變化信息和相互影響情況[4]。

人體數(shù)字孿生目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的定義和概念，陳岳飛等[5]將其表述為基于多時(shí)空尺度、多維數(shù)據(jù)，通過(guò)建模完美地復(fù)制出虛擬人體的技術(shù)。Liu 等[6]將人體孿生模型看作人體數(shù)字孿生保健系統(tǒng)（digital twin health care system，DTH）的虛擬對(duì)象部分，由物理對(duì)象、虛擬對(duì)象、醫(yī)療保健數(shù)據(jù)三大部分構(gòu)成。醫(yī)療數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)的基石與方向，中國(guó)工程院院士叢斌認(rèn)為，未來(lái)生命科學(xué)的發(fā)展方向是促進(jìn)生命科學(xué)與大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域深度融合，驅(qū)使生命科學(xué)邁向“數(shù)據(jù)密集型”科學(xué)研究范式[7]。本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的概念和醫(yī)學(xué)研究的需求，將人體數(shù)字孿生定義為：基于3D 實(shí)體幾何模型及數(shù)學(xué)物理建模技術(shù)，構(gòu)建人體全息生命系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，該模型計(jì)算可用于定性、定量及定位描述生命活動(dòng)狀態(tài)，如健康水平變化、疾病或損傷程度以及對(duì)治療的反應(yīng)和效果等?？傮w上，數(shù)字孿生技術(shù)突破了過(guò)去解剖數(shù)字人的靜態(tài)局限，使得動(dòng)態(tài)研究人體系統(tǒng)受干預(yù)后的持續(xù)變化成為可能。本研究采用數(shù)模雙驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)人體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，以為后續(xù)展開(kāi)研究奠定一定基礎(chǔ)。

1 人體數(shù)字孿生的研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生的概念由密歇根大學(xué)Michael Grieves教授首次提出，在2014 年，他將其描述為“在信息空間構(gòu)建一個(gè)可以映射表征物理設(shè)備的虛擬系統(tǒng)，它們之間的聯(lián)系并不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起”[8]?？梢岳斫鉃?，為所研究的復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”，將真實(shí)物體運(yùn)行的實(shí)際情況在數(shù)字體上復(fù)現(xiàn)。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)多集中應(yīng)用于裝備制造和設(shè)備運(yùn)維，對(duì)于人體的數(shù)字孿生鮮有報(bào)道，但其前驅(qū)性技術(shù)還在不斷發(fā)展，大致分為以下幾個(gè)方面：

（1）可視化人體模型。其是通過(guò)將人類遺體進(jìn)行切片再掃描而實(shí)現(xiàn)的。在國(guó)外，美國(guó)最早于20 世紀(jì)90 年代初將一成年男性和成年女性的遺體切割成為1 mm 和0.3 mm 的薄片[9]。在國(guó)內(nèi)，鐘世鎮(zhèn)院士于2005 年完成國(guó)內(nèi)首具“數(shù)字人男一號(hào)”模型[10]，該模型切片厚度僅為0.2 mm，相機(jī)像素高達(dá)2 200 萬(wàn)，是世界上0.2 mm“虛擬人”切片中分辨力最高的數(shù)據(jù)集。

（2）物理人體模型。其為醫(yī)學(xué)人員解決了醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的諸多可視化問(wèn)題，但不具備物理屬性。近年來(lái)，借助動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得人體的等效物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多[11-13]，基于更準(zhǔn)確的參數(shù)，科研人員開(kāi)展了多方位的仿真研究，如上海理工大學(xué)聯(lián)合上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究了可吸收的鎂合金寰樞椎脫位固定系統(tǒng)的生物力學(xué)仿真[14]，北京工業(yè)大學(xué)與江蘇省腫瘤醫(yī)院借助COMSOL 商業(yè)軟件研究了兔肺腫瘤在微波消融術(shù)中的溫度分布，得出適合的消融參數(shù)[15]。

（3）軍事虛擬人。其為美國(guó)陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所2010 年開(kāi)始啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目，旨在創(chuàng)建完整的“阿凡達(dá)”單兵，它可以不斷加載戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù)字孿生體來(lái)進(jìn)行各種逼真的高風(fēng)險(xiǎn)模擬，從而替代實(shí)戰(zhàn)測(cè)試。所有測(cè)試過(guò)程無(wú)人身危險(xiǎn)，可以隨意反復(fù)試驗(yàn)[16]。

（4）臨床虛擬患者。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和新型藥品研發(fā)成本的快速攀升，醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域逐漸開(kāi)展了“虛擬患者”的研究[17-18]，科研人員可使用“虛擬患者”進(jìn)行新型藥物研發(fā)、測(cè)試不同器械的使用和不同治療方法的效果。

人體試驗(yàn)由于涉及政治、法律、高昂成本和道德倫理等非技術(shù)因素?zé)o法進(jìn)行系統(tǒng)性試驗(yàn)，迫切需要一種對(duì)人體模型的精度和可信度進(jìn)行評(píng)估的方法。例如研究現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)爆震傷的防護(hù)與救治，除動(dòng)物實(shí)驗(yàn)外，尚無(wú)法獲得爆震傷機(jī)理模型、科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法等，而相關(guān)研究可通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)的人體數(shù)字孿生模型展開(kāi)。綜上所述，人體數(shù)字孿生的技術(shù)關(guān)鍵在于：第一，在可視化人體模型基礎(chǔ)上，形成3D 實(shí)體幾何模型，保障幾何精度的同時(shí)，兼顧物理模型的泛化能力和數(shù)據(jù)模型的快速求解，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)；第二，人體是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，人體孿生必須兼顧不同組織系統(tǒng)和多學(xué)科物理之間的耦合效應(yīng)和數(shù)據(jù)融合。因此，本文針對(duì)第一條關(guān)鍵技術(shù)，率先提出人體孿生應(yīng)當(dāng)構(gòu)建物理-數(shù)據(jù)雙驅(qū)的孿生模型，并通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與高保真的物理仿真數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建可以快速求解、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的代理模型，最終奠定人體數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)方法。

2 人體數(shù)字孿生模型構(gòu)建

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

人體數(shù)字孿生模型的構(gòu)建整體分為四大階段：

第一階段，標(biāo)準(zhǔn)3D 幾何人體模型構(gòu)建。主要是建立包含國(guó)人體征統(tǒng)計(jì)意義的三維模型，此舉可以保障數(shù)字孿生體的普適性。另外，所建立模型為實(shí)體3D 格式，即可以直接用于后續(xù)物理計(jì)算的網(wǎng)格剖分，跨越當(dāng)前幾何人體模型無(wú)法直接用于物理計(jì)算的技術(shù)鴻溝。

高校教育課程資源的共享是高校教育資源整合、利用與發(fā)展的重要部分。只有避免本位主義、小集團(tuán)利益思想，才能更好地樹(shù)立合作、開(kāi)放、共贏的高校教育共享理念，從而促進(jìn)高校教育資源體系生態(tài)化的構(gòu)建。生態(tài)資源表面上說(shuō)是生態(tài)環(huán)境，往深層次講是人類在時(shí)間、空間、能量、物質(zhì)、信息等元素相互集合下復(fù)雜多變的體系。高校教育資源的整合、利用與發(fā)展，要以空間教育資源的整合、擴(kuò)展為目標(biāo)，向自然社會(huì)空間發(fā)展，主要是生態(tài)環(huán)境資源、高校網(wǎng)絡(luò)教育資源、地理環(huán)境資源等幾個(gè)方面的開(kāi)發(fā)、整合、利用以及發(fā)展。從而通過(guò)對(duì)生態(tài)環(huán)境空間資源科學(xué)合理的整合，實(shí)現(xiàn)高校教育資源體系系統(tǒng)化、規(guī)范化的構(gòu)建。

第二階段，人體多學(xué)科數(shù)據(jù)源構(gòu)建。為了解決當(dāng)前自主人體數(shù)據(jù)匱乏的問(wèn)題，需要對(duì)人體應(yīng)用系統(tǒng)工程理論進(jìn)行層級(jí)劃分，完成不同層級(jí)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲取不同物理學(xué)科譬如力學(xué)、流體、傳熱等的本構(gòu)方程及物性參數(shù)。

第三階段，數(shù)據(jù)-物理雙驅(qū)模型開(kāi)發(fā)。針對(duì)當(dāng)前物理模型可信度高但是計(jì)算效率低的難題，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的快速建模方式，最終采用數(shù)據(jù)-物理雙驅(qū)形式聯(lián)立完成人體數(shù)字孿生模型構(gòu)建工作。

第四階段，人體數(shù)字孿生驗(yàn)證及確認(rèn)。其本質(zhì)為模型V&V 工作，人體數(shù)字孿生的驗(yàn)證工作主要包含軟件工程和數(shù)學(xué)物理驗(yàn)證工作，確認(rèn)工作包含雙驅(qū)模型的標(biāo)定和可信度評(píng)價(jià)。其總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 人體數(shù)字孿生模型總體設(shè)計(jì)思路

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)2.1 所述的總體設(shè)計(jì)思路，模型構(gòu)建可分以下步驟進(jìn)行：

第一步，需要進(jìn)行3D 實(shí)體幾何人體模型的建立。參考《2000 年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告》中50 百分位男性體態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)抽樣后測(cè)量得到的中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)，在Hybrid Ⅲ型50 百分位男性假人模型的基礎(chǔ)上，使用MADYMO/Scaler 程序，生成中國(guó)人體體態(tài)的假人模型。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，建立具有良好外推性的標(biāo)準(zhǔn)幾何人體信息庫(kù)，包含不同性別、不同百分位人體的幾何信息數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立人體3D 幾何模型，使用Philips 256 排螺旋CT，完成志愿者人體數(shù)據(jù)收集，建立標(biāo)準(zhǔn)化3D 人體幾何實(shí)體數(shù)據(jù)樣本。最終通過(guò)3D 重建軟件Mimics 獲取3D人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過(guò)逆向工程軟件Geomagic等將3D 人體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為主流計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）軟件可讀取的3D 實(shí)體幾何文件格式，譬如IGES、STP 和X-t 等格式，方便被計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，CAE）軟件處理，完成網(wǎng)格剖分等前處理工作。

第二步，完成人體多學(xué)科數(shù)據(jù)源構(gòu)建。人體是一個(gè)系統(tǒng)工程，其復(fù)雜程度不亞于戰(zhàn)斗機(jī)，以往重個(gè)體、輕群體，重局部、輕整體，重?？?、輕系統(tǒng)的研究方式往往容易出現(xiàn)以偏概全的弊病。為了準(zhǔn)確地描述人體，需要引入系統(tǒng)工程的理念方法。

依據(jù)美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)發(fā)布的確認(rèn)實(shí)驗(yàn)層次，將人體實(shí)驗(yàn)層次依照優(yōu)先級(jí)依次劃分為尸體實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)—假人實(shí)驗(yàn)—材料實(shí)驗(yàn)4 個(gè)層次，搜集不同層次實(shí)驗(yàn)所應(yīng)關(guān)注的物理特征和確認(rèn)的測(cè)量數(shù)據(jù)；通過(guò)物理人體力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法和針對(duì)不同研究?jī)?nèi)容的實(shí)驗(yàn)裝置，完成參數(shù)測(cè)試和物理特征實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，包含數(shù)據(jù)的誤差分析、相關(guān)性分析、敏感性分析和聚類分析等。圖2 是從基于模型的系統(tǒng)工程（model based system engineer，MBSE）視角出發(fā)，把人體這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分層拆解為不同的子系統(tǒng)，全系統(tǒng)到子系統(tǒng)拆解依據(jù)是按照功能，子系統(tǒng)到組件也是按照功能進(jìn)一步拆分。

圖2 人體數(shù)字孿生模型系統(tǒng)分層示意圖

第三步，完成數(shù)據(jù)-物理雙驅(qū)模型技術(shù)開(kāi)發(fā)。高保真模型、秒級(jí)響應(yīng)的快速求解技術(shù)和可信度評(píng)估是人體數(shù)字孿生的核心技術(shù)，本文旨在闡述數(shù)據(jù)-物理雙驅(qū)建模的理念，由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)手段限制，對(duì)于生物化學(xué)層面的模擬暫不在本文討論范疇，因?yàn)槠渫婕胺肿映叨鹊亩鄠€(gè)反應(yīng)關(guān)聯(lián)的效應(yīng)，人體的數(shù)字孿生突破口推薦放在力學(xué)和熱學(xué)層面，參考航空航天領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，依次構(gòu)建混合數(shù)據(jù)源、力學(xué)和熱學(xué)代理模型，最終獲取人體在不同環(huán)境下的熱力響應(yīng)。

其次，通過(guò)建立符合人體統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的力學(xué)、熱學(xué)特征數(shù)據(jù)矩陣，梳理不同環(huán)境載荷對(duì)人體響應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，獲得可快速求解的數(shù)學(xué)近似函數(shù)，建立多種形式的人體熱力代理模型。

最終，通過(guò)科學(xué)的模型管理技術(shù)，用代理模型替代低求解效率的離散類求解方法，譬如有限元、有限差分等，進(jìn)行人體在不同環(huán)境下的熱力響應(yīng)，獲取應(yīng)力狀態(tài)、損傷評(píng)估和診療建議等關(guān)鍵信息。代理模型示意圖如圖3 所示，首先從人體模型以及與裝備相關(guān)的影響因素中提取特征，其次進(jìn)行多維度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)代理模型，最后再設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，最終反饋到人機(jī)工程上。

圖3 代理模型構(gòu)建流程圖

2.3 人體孿生模型檢驗(yàn)

人體數(shù)字孿生無(wú)論是真實(shí)的物理模型，還是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理模型，均是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象概括。為了驗(yàn)證孿生結(jié)果能否實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，需要對(duì)其計(jì)算結(jié)果的正確性、普適性和可信性進(jìn)行檢驗(yàn)，本文引入V&V 技術(shù)完成孿生模型的檢驗(yàn)工作。

其整體確認(rèn)與驗(yàn)證過(guò)程如圖4 所示[19]，主要體現(xiàn)在輸入?yún)?shù)、模型本身和載荷擾動(dòng)等方面的不確定性，其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即2.2 小節(jié)所述的分層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及多學(xué)科數(shù)據(jù)源構(gòu)建。整體工作包括模型驗(yàn)證和模型確認(rèn)兩大部分，其中模型驗(yàn)證本質(zhì)是為了確定計(jì)算模型是否能夠準(zhǔn)確地將概念模型的數(shù)學(xué)物理方程進(jìn)行求解的過(guò)程，通過(guò)代碼驗(yàn)證和計(jì)算驗(yàn)證的方式開(kāi)展。而模型確認(rèn)是從模型用途的角度，確定計(jì)算模型與真實(shí)系統(tǒng)之間存在的精度差距的過(guò)程，包括模型標(biāo)定和不確定性量化兩大部分。模型標(biāo)定主要是采取靈敏度分析法或貝葉斯方法等對(duì)模型的方程形式和參數(shù)進(jìn)行修正，使其精度進(jìn)一步提升；不確定性量化則是評(píng)價(jià)模型可信度的主要方式，其本質(zhì)是采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析并描述所有影響模型精度的因素，并對(duì)這些因素的不確定性進(jìn)行量化描述的過(guò)程。

圖4 確認(rèn)與驗(yàn)證活動(dòng)整體思路[19]

所構(gòu)建模型的檢驗(yàn)結(jié)果，即模型驗(yàn)證及確認(rèn)的結(jié)果包括：在原有孿生模型框架下，通過(guò)模型標(biāo)定獲取精度更高的新模型；經(jīng)過(guò)不確定性量化計(jì)算得出模型的概率密度函數(shù)，即在不確定性物理量的影響下，模型計(jì)算得到某一結(jié)果的概率分布。

人體是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包含呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，很難展開(kāi)統(tǒng)計(jì)意義的全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因此如何根據(jù)有限信息對(duì)多種來(lái)源的不確定性作出估計(jì)，是人體數(shù)字孿生的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。不確定性量化示意圖如圖5 所示。

圖5 不確定性量化示意圖

3 未來(lái)應(yīng)用展望

通過(guò)人體數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的高保真模型具有高完整度、高精度和高可信度等優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)傳感器采集真實(shí)數(shù)據(jù)與物理模型完成雙向驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)掌握人體機(jī)能在各類環(huán)境下的變化，評(píng)估人體的健康狀態(tài)，提供給醫(yī)護(hù)人員和科研人員多源多學(xué)科的參考數(shù)據(jù)，因此該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展推廣，勢(shì)必在軍事醫(yī)學(xué)、人機(jī)工效和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮顯著的推動(dòng)作用。

3.1 軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

隨著我軍承擔(dān)任務(wù)的多樣化，海外軍事任務(wù)已經(jīng)成為緊貼實(shí)戰(zhàn)歷練軍人的平臺(tái)和靠近前線檢驗(yàn)部隊(duì)的載體。聯(lián)合國(guó)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：在反恐維穩(wěn)、維和任務(wù)中，以簡(jiǎn)易爆炸裝置（improved explosive device，IED）為主的恐怖襲擊造成的人員傷亡已遠(yuǎn)超槍彈傷成為主要致傷因素，受傷程度可從腦震蕩、挫裂傷到肢體離斷傷，甚至由于鈍性損傷和穿透?jìng)麑?dǎo)致死亡[20]。研究IED 所致下肢損傷，使用人體數(shù)字孿生技術(shù)整合爆震數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)傷情判斷、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)判斷、傷員處理措施判斷等各個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，通過(guò)最終的終端診療智能分析技術(shù)進(jìn)行匯總，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的統(tǒng)一評(píng)估和調(diào)度。

3.2 人機(jī)工效領(lǐng)域

人體數(shù)字孿生作為計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)工效的集大成者，其對(duì)人機(jī)工效長(zhǎng)期的推動(dòng)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）工效虛擬人建模。人體數(shù)字孿生的發(fā)展，將大大地拓展工效虛擬人的應(yīng)用場(chǎng)景及逼真程度，譬如可以考慮特殊環(huán)境下的溫度載荷、電磁擾動(dòng)、強(qiáng)光噪聲等對(duì)人體的影響。這些更貼近實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景及裝備服役環(huán)境的因素很大程度上填補(bǔ)了虛擬人多學(xué)科工程指標(biāo)空白及物理逼真性問(wèn)題，將人機(jī)交互分析與評(píng)估在舒適性和安全性方面提升到全新的水平。

（2）全新的人機(jī)界面。人體數(shù)字孿生技術(shù)的人機(jī)界面在高精度圖形分辨力的基礎(chǔ)上，將大量引入觸摸式交互和三維式交互。觸摸式交互充分發(fā)揮了人們觸摸物理世界的經(jīng)驗(yàn)，大幅降低了用戶的學(xué)習(xí)成本和技能要求；三維式交互界面通過(guò)視覺(jué)傳感器的動(dòng)作捕捉或者可穿戴設(shè)備可以突破二維界面的限制，使得用戶可以按照與實(shí)際場(chǎng)景中相同的交互技術(shù)與虛擬人體完成交互。近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別的快速發(fā)展，為聲控交互、表情交互甚至是眼動(dòng)交互等多模態(tài)交互提供了有力的技術(shù)支撐。上述多樣化的交互技術(shù)大大彌補(bǔ)了老年人、殘障人士生理和認(rèn)知能力的不足，使他們能夠較為流暢地與他人及外界環(huán)境進(jìn)行交流。總之，基于人體數(shù)字孿生的人機(jī)交互技術(shù)將比機(jī)器科學(xué)本身更廣泛和更多樣化，充分地將人類的活動(dòng)、體驗(yàn)和感受融入到人機(jī)交互中。

3.3 臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

人體數(shù)字孿生在3D 數(shù)字幾何人體的基礎(chǔ)上增加了力學(xué)、熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等多種物理屬性，將諸多物理學(xué)科與人體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)等結(jié)合起來(lái)，它所帶給臨床醫(yī)學(xué)研究的改變是革命性的，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）全新的臨床數(shù)據(jù)治理理念。數(shù)字孿生技術(shù)本身是在系統(tǒng)工程方法論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這與傳統(tǒng)中醫(yī)的理念不謀而合，在很大程度上避免了西醫(yī)的頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的局限性，它會(huì)從人體的整體出發(fā)，形成全身3D 幾何信息以及物理數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化以及云計(jì)算的方式，為受試者生成一份完整、真實(shí)和可追溯的三維數(shù)字人體，為受試者、研究者、醫(yī)院和從業(yè)者提供了全方位協(xié)作的共性可視化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[21-22]。

（2）全新的外科手術(shù)設(shè)計(jì)方法。以往的手術(shù)設(shè)計(jì)往往是基于CT 幾何圖像[23-24]，對(duì)于人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)則主要憑借研究者和醫(yī)護(hù)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，而人體數(shù)字孿生技術(shù)能夠詳細(xì)地提供肌肉應(yīng)力分布、血管損傷及出血量甚至骨骼矯正后的受力等物理信息，大大提升了研究者和醫(yī)護(hù)人員的決策準(zhǔn)確率，同時(shí)為手術(shù)機(jī)器人等先進(jìn)設(shè)備提供了必要的物理數(shù)據(jù)支撐。

（3）推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)的運(yùn)營(yíng)模式發(fā)展。人體數(shù)字孿生的發(fā)展必然推動(dòng)數(shù)字醫(yī)療設(shè)備和現(xiàn)有醫(yī)院信息管理系統(tǒng)的變革，從靜態(tài)的、局部的文本信息和2D 圖像信息向3D 動(dòng)態(tài)的、物理屬性的病患大數(shù)據(jù)系統(tǒng)升級(jí)，大大提升了遠(yuǎn)程醫(yī)療和醫(yī)學(xué)機(jī)器人的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著智能制造的快速推進(jìn)，各個(gè)工業(yè)強(qiáng)國(guó)先后推出了國(guó)家層面的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，如美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國(guó)的工業(yè)4.0、英國(guó)的英國(guó)工業(yè)2050 戰(zhàn)略、法國(guó)的新工業(yè)法國(guó)2.0 以及中國(guó)的中國(guó)制造2025和互聯(lián)網(wǎng)+。數(shù)字孿生作為解決智能制造信息物理融合難題和踐行智能制造理念為目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。

人體數(shù)字孿生的發(fā)展，為我國(guó)提供了一個(gè)絕佳的機(jī)遇，它能夠從戰(zhàn)創(chuàng)傷評(píng)估、多場(chǎng)景虛擬人建模、高效人機(jī)交互、數(shù)據(jù)治理和智能診療等多方面推動(dòng)軍事醫(yī)學(xué)、人機(jī)工效和臨床領(lǐng)域發(fā)展。本研究提出通過(guò)建立基于中國(guó)人體特征尺寸的標(biāo)準(zhǔn)3D 人體幾何模型，然后進(jìn)一步明確數(shù)模雙驅(qū)的快速建模方法，最終通過(guò)高算力求解以及模型可信度評(píng)價(jià)獲得人體在醫(yī)療、人機(jī)工效等多場(chǎng)景中的高精度計(jì)算結(jié)果，甚至可以定性、定量地考察模型逼近真實(shí)物理世界的程度。人體數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)，將最大程度解決當(dāng)前數(shù)字化人體重幾何、輕物理，重局部、輕整體，重理論、輕應(yīng)用等諸多嚴(yán)峻問(wèn)題。雖然數(shù)字孿生因其對(duì)硬件算力、圖形渲染和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的較高要求在當(dāng)前存在一定局限性，但隨著“東數(shù)西算”、圖形處理器技術(shù)及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，其局限性將逐一被打破。因此，提前探索研究人體數(shù)字孿生，將為我軍數(shù)字化、智能化衛(wèi)勤共性技術(shù)探索奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。