1、“數字化豬”的研究與應用二OO七年十一月 王金勇重慶市畜牧科學院第三軍醫大學重慶工學院 一、引言 “數字化虛擬動物”（數字化動物）是指將動物結構數字化，通過計算機技術和圖像處理技術，在電腦屏幕上出現一個看似真實的模擬動物，再進一步將動物功能性的研究成果加以數字化，并賦加到動物結構框架上，經過虛擬現實技術的交叉融合，通過操作者的調控，這個“數字化虛擬動物”將能模仿真實動物做出各種各樣的反應。 一、引言虛擬智能動物虛擬生理動物虛擬物理動物虛擬可視動物數字化虛擬動物研究層次一、引言 “數字化豬”是結合養豬科學與計算機科學的最新進展，應用現代信息技術建立起的豬不同層次的計算機數字化平臺，通過這個平臺能

2、夠準確描述豬的結構、功能、形態和內在聯系，實現對豬從組織、器官、系統到整個個體的精確模擬。 一、引言 數字化人冷凍切削技術和 圖像分析技術移植養豬科研成果、數據的挖掘、提煉和數字化用最新計算機信息技術重塑傳統養豬業一、引言“數字化豬”研究的步驟物理功能的數字化生理功能的數字化個體（群體）的數字化結構的數字化二、國外研究現狀1、數字化人 美國：1994年11月獲得了世界上第一套包括相應層次CT、MRI斷層掃描影像的人體結構數據集。 韓國：2000年Ajou大學醫學院和韓國科技信息研究所獲得了一例韓國可視化人體的數據集。 中國：第三軍醫大學2002年8月完成了男性數字化可視人體的數據集的獲取，20

3、03年2月又完成了女性數字化可視人體的數據集的獲取。二、國外研究現狀1、數字化人美國Visible Human 計劃二、國外研究現狀1、數字化人中國虛擬中國人計劃二、國外研究現狀2、數字化動物“全蛙計劃” California大學Lawrence Berkley實驗室于1994年完成 二、國外研究現狀老鼠胚胎的可視化研究 Duricovic R等于1998年完成了一個10.5日齡大、4.5mm長的老鼠胚胎的可視三維圖像 2、數字化動物二、國外研究現狀可視化狗 1999年DR.JOHANN MAIERL等報道了世界第一例“可視化狗”。他們初次嘗試了采用軸向低溫切片技術對標本進行連續切割，同時應用

4、相應的CT和MRI圖像技術聯合創造了其三維重構模型。 2、數字化動物三、材料與方法 選用世界著名的優秀地方豬種榮昌豬，一公一母，母豬4月齡大，重45kg，體高44cm，體長94cm，體格健壯，生長發育正常，無器質性創傷。公豬5月齡大，重55kg，體高50.5cm，體長100cm，發育正常，無器質性創傷。1、豬只的選擇三、材料與方法 豬只先用1%戊巴比妥鈉麻醉，靜脈注射，再用股動脈插管放血處死，10福爾馬林灌注固定。將豬采用側臥姿勢放置于木架上，前后肢膝部彎曲，呈跪姿。 CT機：美國GE公司LightSpeed VCT 64層螺旋。CT參數：120KV，50500mA，機架旋轉時間0.8s，層數

5、：544層，掃描層厚0.625mm，重建層厚2.5mm，無間距容積掃描，采集矩陣512512，W:250，L:45。2、CT掃描三、材料與方法 美國及韓國“數字人”的較大缺陷是循環系統無法虛擬，而在中國，鐘世鎮院士利血管灌注技術成功解決這一難題。3、血管灌注 在后肢內側，切開皮膚，鈍性分離股動脈，雙向插管，連接壓力瓶，灌注、固定后取下插管，結扎動脈，縫合皮膚并清理切口。三、材料與方法 血管灌注完成后放回倒模中，目的是保持原來CT時的姿勢。用5%藍色明膠包埋，置入-30冰庫中冰凍1周，然后在-25低溫實驗室中用改進的TK 6350型數控銑床(銑切精度為0.001mm)從頭至尾足逐層銑切。數據采集

6、時將采集系統與銑頭固定，銑頭與采集系統同步運動，逐層用Canon EOS 1Ds高清晰度數碼相機(分辨率為40642704像素)攝影，用TIF無損模式保存。4、冷凍切削三、材料與方法 采用雙重分割法。一是按系統：分為肌肉、骨髂、消化、呼吸、循環、神經、泌尿、內分泌八個大的部分，每一系統再往下分，形成獨立的樹形結構；二是按部位：可分為頭、軀干、四肢、尾四部分，每一部分又可下分形成樹形結構。數字庫采用層次結構，最多可分到10層，每一結構都用唯一的代碼進行標識。結構數據庫的建立可以為圖像分割打下基礎。5、豬結構數據庫的建立三、材料與方法 為了保證精度，完全采用手工分割方式。二維分割軟件是基于Visu

7、al C+、GDI+開發的，原理是人工描繪器官（骨、肌、血管、神經等）輪廓邊界，然后對樣條輪廓采樣，保存輪廓點的坐標數據供三維重建。軟件的主要功能是供用戶瀏覽二維圖像，并且在圖像表面進行輪廓線的描繪、編輯，最終生成三維立體數據文件。6、圖像分割三、材料與方法7、三維重建器官三維重建三維模型網格簡化三維模型網格平滑填充后的連續BMP格式器官體數據集器官包圍盒全局坐標Amira3DSMAX各器官輪廓抽取和填充VolViewer3DS模型文件VOL數據集DXF模型文件四、結 果1、獲取了數字化可視豬虛擬數據集 世界首套榮昌母豬數據集共計2315張連續斷面圖像，數據集總數據量為145.6GB。四、結

8、果1、獲取了數字化可視豬虛擬數據集 世界首套榮昌公豬數據集共計7254張連續斷面圖像，整個數據集總數據量為229GB。四、結 果1、獲取了數字化可視豬虛擬數據集四、結 果2、編寫完成了圖像分割軟件 該軟件具有輪廓描繪、輪廓編輯、控制點編輯、共邊處理、挖孔填孔、器官拆分、區域放大縮小、圖形統計等功能。四、結 果3、編寫完成了三維合成軟件 器官三維體數據抽取和重建軟件VolViewer是基于Visual C+、GDI、STL開發的，主要功能是從*.vol文件集中抽取指定器官的體輪廓，進行瀏覽，然后采用MC中點算法建立器官三維模型，生成*.3ds通用文件導出；同時也可以以BMP格式文件集直接導出抽取

9、器官的三維體數據供其他商業三維可視化軟件使用。四、結 果4、完成了部分組織器官的圖像分割第四胸椎第一胸椎第一腰椎四、結 果寰椎5、完成了數字化可視豬的部分三維重建四、結 果5、完成了數字化可視豬的部分三維重建盆腔四、結 果5、完成了數字化可視豬的部分三維重建四、結 果5、完成了數字化可視豬的部分三維重建四、結 果5、完成了數字化可視豬的部分三維重建四、結 果5、完成了數字化可視豬的部分三維重建5、完成了數字化可視豬的部分三維重建四、結 果四、結果6、輔助教學軟件的開發可以查看整體結構，也可單獨查看某一器官或某一組織的或某一系統的結構；可對任意組織或任意器官用任意平面進行剖分，獲取剖面圖；可獲取

10、任意組織或器官的外形尺寸、體積、任意剖面的面積、周長以有任意兩點之間的距離等數據；可演示主要生理功能，如循環、消化、沁尿等；全三維設計，可任意旋轉、放大、縮小。 在數字化可視豬的基礎上，結合教學特點與生產實際，開發一套生動形像、直觀易懂的輔助教學與培訓軟件，主要有以下功能：四、結果 7、網站建設五、下一步打算1、獲取懷孕母豬的數字化可視數據集 繁殖性能在養豬生產中具有重要作用，通過懷孕母豬的數字化，不但可以精確重現各胚胎的形狀及在了官中的位置，還可真實展現胚胎的內部結構，對于豬的繁殖性能研究以及相關培訓教學軟件開發具有很高價值。五、下一步打算2、進一步進行結構的數字化系統器官組織細胞五、下一步

11、打算3、生理功能的數字可視化生長發育過程的數字化(肌肉)消化生理過程的數字化繁殖生理過程的數字化疾病病理的有關規律性演變 的數字化五、下一步打算4、數字化豬平臺虛擬豬場的建立 通過對過去、現在和未來的養豬科研數據和科研成果進行數字化處理，構建物理和生理模型，疊加在數字化可視豬模型上，最終形成一個“數字化豬平臺”，在這個平臺上我們可以進行各種虛擬實驗，如生長發育、遺傳育種、營養需要實驗、飼養實驗、藥物實驗、代謝實驗等，可以預先對不同實驗方案進行優化，這樣不但可以大大縮小實驗規模和實驗時間，也可以大大節約實驗費用。六、討 論傳統上對豬結構的認識主要通過解剖，由于客觀條件的限制，通常在解剖一個器官時

12、會對其它器官造成損害，另外不管是活體或尸體解剖，各器官的位置與狀態都與動物的正常情況有所差別。而數字化豬是選用發育正常的豬只個體，各部分結構與器官都與真實豬一致的數字化豬，可以使對豬結構的認識上一個新臺階。豬本身認識六、討 論由于有足夠的標本來源，可以在“數字化豬”上疊加現有的模型與實驗數據，最終建成能有真實群體一樣反應的“虛擬豬場”。在“虛擬豬場”內可以進行各種虛擬實驗,這樣不但可以縮小實驗規模和實驗時間，也可以大大節約實驗費用。全新研究平臺豬本身認識因為動物實驗成本較高和實驗開展對動物的影響。學生親自動手的機會較少，綜合素質較差。而通過“數字化豬”平臺建立起的三維模型，學生可以對豬只進行全面、系統的了解，這樣只需要少量的動手即可達到教學目的，既節約的實驗經費，又使學生的綜合素質得以提高。六、討 論輔助教學系統全新研究平臺豬本身認識六、討 論中國養豬水平整體低下，很大程度上是由于大量的養殖專業戶與農戶缺乏必要的養豬科學知識，而又由于本身文化水平有限，傳統的培訓效果不很理想。而通過“數字化豬”平臺可以建立起全新的圖、文、聲并茂的教學方法，操作性強，視覺感染效果佳。有助于養殖專業戶與農戶掌握先進的養豬科學知識，提高養豬水平。