隨著計算機技術的發展和人體信息數字化水平的提高,近年來數字人的研究已經由幾何解剖結構重建逐漸推進到對人體物理特性進行建模的階段。本文通過對國內外物理人的相關研究文獻進行歸納和總結,介紹了數字人的整體規劃和物理人在其中的位置、概念及應用價值;重點剖析了物理人建模流程、核心技術及其在電磁輻射、超聲傳輸、生物阻抗測量、生物力學分析四個主要領域的研究與應用;分析并總結了現階段物理人建模存在的問題;展望了物理人未來的發展趨勢。
引用本文： 朱險峰, 蘇益錦, 余輝. 物理人建模及應用的研究現狀與展望. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1384-1388. doi: 10.7507/1001-5515.20140262 復制
引言
20世紀末以后，計算機技術和信息技術飛速發展，使信息技術與生命科學的結合成為可能。科學家嘗試將人體的形態、結構和功能信息數字化，利用三維重建等技術建立可視且可控的數字化虛擬人(簡稱數字人)。為此，美國依次提出了人類基因組計劃、可視人計劃(Visible Human Project，VHP)、人類腦計劃、虛擬人計劃和生理人計劃這五項大型研究工程。最初人類基因組計劃的提出是為了破譯人類的遺傳信息，而后為建立高精度的人體解剖信息數據庫開始實施可視人計劃[1]。虛擬人計劃和生理人計劃以人類基因組計劃和可視人計劃的研究成果為基礎，在人體解剖信息中分別融入人體的物理特性數據和生理學數據，建立能反映人體相應的物理特性和生理生化功能的數字人[2-3]，即物理人和生理人。人類腦計劃旨在繪制腦功能圖譜、建立適于腦認知和行為研究的數據庫[4]，由此建立具有人類智力的智能數字人即智能人。這些計劃的共同宗旨是將各類人體信息采集整合成數字信息并實現人體的數字建模，為進入數字時代后的醫學、體育、航天、軍事等領域的研究提供充足的數據支撐，因此美國科學家聯盟于2001年將上述五項計劃概括為數字人計劃[5]。
可視人是利用VHP建立的數據集，包括尸體切片光學照相、計算機斷層(computerized tomography，CT)圖像和核磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)圖像，通過三維重建得到的僅能反映人體解剖結構的數字人，因此只能用于解剖學教學和三維顯示等相對簡單的場合。物理人在可視人的基礎上加入了人體組織的物理特性(如皮膚彈性、肌肉收縮、骨骼受擊斷裂、血管受損出血等)，使數字人的質感、軟硬度等指標接近實際人體。物理人可用于研究骨肌生物力學機制、放射醫療、輔助設計汽車和軍事設備等，在許多領域中的實用價值吸引了眾多研究者,成為近年來的研究熱點。根據模型融入的人體信息，數字人可分為四種[6]：可視人、物理人、生理人、智能人。國內外眾多從事VHP、中國可視人(Chinese Visible Human，CVH)數據集開發的學者，利用已形成的數據集建立了大量的數字化人體模型，目前的研究工作主要集中在可視人和物理人的建模階段。本文主要針對以VHP和CVH數據集為解剖信息來源的物理人建模與應用的研究現狀、存在問題及未來發展趨勢進行全面綜述。
1 物理人建模與應用的研究現狀
物理人是在人體解剖結構信息中融入人體組織物理特性信息后建立的能反映人體特定物理屬性的數字人體模型，其建模流程可以歸納為四個步驟如圖 1所示。
圖1
物理人建模流程
Figure1.
Modelling processes of physical human
首先從VHP數據集中選取包含感興趣的組織或器官的連續二維圖像數據，其次尋找某種空間變換使兩幅圖像對應點的空間位置和解剖結構完全一致，利用肉眼或軟件算法分割出目標組織或器官的邊界，賦予其新的灰度值作為標識，便于計算機識別。然后將預處理后的連續二維圖像重建成三維的幾何解剖模型，并根據建模需要對幾何解剖模型進行相應的體元劃分。最后將所需物理參量與每個體元關聯，建立出具有相應物理特性的物理人。根據關聯的物理參數的不同，構建出的物理人可以應用到不同領域；根據應用領域的不同，可將現階段主要的物理人建模與應用研究分為輻射物理人、超聲物理人、電學物理人和力學物理人。
1.1 輻射物理人
輻射物理人建模時需要考慮的主要參數是器官的密度、位置和形狀以及身體的形狀。除此之外，電磁輻射吸收劑量的計算還依賴于準確地呈現組織和器官的分界面，尤其是兩側介電常數相差比較大的分界面 (如皮膚和脂肪組織)。電磁輻射分為兩種：一種是電離輻射；另一種為非電離輻射。人體對不同頻率電磁輻射的吸收方式不同，因此研究者會采用不同的方法仿真人體在這兩種輻射情況下的能量吸收。
對于高頻電磁波的電離輻射仿真，根據器官密度、化學組分等信息，由蒙特卡羅模擬可以得到組織中每個體元中發生康普頓效應、光電效應和電子對效應的概率即截面反應數據，然后將該數據與幾何模型建立聯系，可用于模擬輻射情況。如Xu等[7]開發出的可視光學照相人(Visible Photographic Man，VIP-Man)虛擬仿真系統，成功用于放射醫療、X線成像等領域的體外電離輻射情況下的器官劑量計算、輻射危險性評估、放療最優化方案制定；石成玉等[8]開發出的孕婦物理人模型，用于研究核醫療領域的涉及體內放射性源的器官劑量。
對于低頻電磁波的非電離輻射仿真，除了融入上述參數信息外，還需關聯組織的電導率值。該類型的建模及應用仿真有：Christ等[9]建立了4個專門用于低頻電磁輻射評估的物理人。Panagamuwa等[10]利用美國布魯克斯空軍基地開發的頭部異質模型和他們先前開發的均質頭部模型SAM Head，研究了無緣眼鏡的金屬橫梁對頭部比吸收率(specific absorption rate，SAR)的影響。Kientega等[11-12]在異質可視人的基礎上，融入人體組織的電導率和介電常數后，用于室內電磁輻射吸收的仿真和計算。Wu等[13]用手工的方法對CVH尸體切片進行精細分割，重建出2個此類物理人(男女各一個)。此外，Li等[14]還將蒙特卡羅模擬用于研究可見光在人腦中的輻射傳輸，基于CVH數據集實現了光在人腦中傳播的可視化。Chaber等[15]重建了女性中樞神經系統的模型，用于研究低頻磁場輻射及其感應電流密度對中樞神經系統的影響。
1.2 超聲物理人
對于超聲物理人的建模，準確地分割出組織和器官的分界面也是十分必要的，特別是超聲阻抗相差較大的組織之間的分界面。此外影響超聲傳播的主要參數還有組織的密度、傳播速度和振幅衰減系數。完成目標組織或器官的分割和重建后，與上述參數融合可形成超聲物理人。
超聲物理人可應用于超聲傳輸、超聲熱療、超聲成像。其建模及應用研究有：Cotté等[16-17]建立的心臟及其周圍組織的超聲模型，利用瑞利-索末菲衍射積分算法，預測不同傳播路徑上設備接收到的超聲功率的大小，還用該模型驗證了體表的超聲換能器和腹部深處的接收設備之間能夠安全高效地傳輸超聲能量；Hobson 等[18]建立了前列腺及其周圍組織的超聲傳播模型，并結合生物傳熱學方程實現了前列腺腫瘤的超聲熱療的虛擬仿真；此外，Karmakar 等[19]綜合使用水基脊柱仿體和VHP數據集的腰部脊柱的解剖切片，確定了與經由正中旁入路進行的中樞神經軸索阻滯相關的腰部脊柱的超聲解剖結構，可用于超聲成像引導的中樞神經軸索阻滯。
1.3 電學物理人
在完成分割和重建的幾何模型中設置組織或器官的電導率、介電常數等反映電學特性的物理量可得到電學物理人。例如，Danilov等[20]建立的人體軀干的阻抗測量模型，可用于生物阻抗測量的仿真，研究電場作用下人體電流、電勢和敏感度的場分布。Tran等[21]為研究由人工耳蝸刺激引起的電流的在頭部的分布，建立了頭部阻性模型。Wendel等[22]為研究頭部組織的導電性引起的腦電圖(electroencephalogram，EEG)測量時的容積導體效應，結合臨床上頭部組織的電導率數據建立了不同年齡的頭部阻性模型。他們還根據人體測量數據建立了一個可隨意變形的通用頭部模型，通過設置電導率等參數可形成不同年齡、性別和形狀的頭部阻性模型。此外，一些疾病(如早期的阿爾茨海默病)的發生伴隨著組織介電特性的改變。Noetscher等[23]利用VHP數據集實現了對腦脊液介電特性的建模，并用模型進行了介電特性的監測仿真。
1.4 力學物理人
與以上物理人不同的是：首先力學物理人是針對人體骨骼和肌肉組織的力學特性的建模；其次組成力學物理人的有限個小單元之間以節點相連，相互作用力通過節點傳遞；最后力學物理人關聯的是能反映骨肌力學特性的物理量。因此力學物理人能夠對骨骼和肌肉進行比較全面的力學性能的仿真，用于分析骨肌組織的生物力學機制。當前力學物理人建模的研究可分為三類：骨骼建模、肌肉建模、骨肌建模。
骨骼建模時，關聯的力學參數是楊氏模量和泊松比。例如，Wong等[24]建立的脛骨有限元模型，成功地運用于脛骨骨折機制仿真。
肌肉建模時，先將肌肉纖維方向數據嵌入幾何模型，再關聯肌纖維的收縮、舒張應變能等參數。例如，Pato等[25]建立的膈膜的有限元模型中，使用ABAQUS6.7分析得到肌肉纖維方向，通過非線性有限元擬合將纖維方向數據嵌入到幾何結構模型中。由Humphrey心臟肌肉模型經過改進建立了肌纖維的收縮、舒張應變能及各向同性應變能的本構模型。Pelteret等[26]在建立的舌及周圍軟組織的有限元模型中，使用了主動發力的希爾三元肌肉模型，且基于遺傳算法的神經網絡控制模型能對每個肌肉群施加相應的神經刺激來控制舌的位置和頦舌肌的生理反應。此外，Yan等[27]建立了女性骨盆底肌肉的有限元模型。
對人體骨肌進行建模的典例是Wei等[28-30]基于CVH數據集建立了中國力學虛擬人(Chinese Mechanical Virtual Human,CMVH)虛擬仿真系統。此外，Daniel[31]建立了腰部脊柱的骨肌模型。
2 存在問題及發展趨勢
2.1 存在問題
物理人建模及應用的研究是數字技術與醫學科學相結合的新型前沿交叉學科，涉及臨床醫學、生物醫學工程、生物力學、計算機科學等眾多學科。經過十幾年的發展，雖然目前出現了很多對人體輻射生物學效應、骨肌生物力學特性、組織電阻抗特性、組織超聲傳輸特性等物理屬性的建模與應用的研究,但現階段的此類研究還存在一些問題。
2.1.1 數據采集
建模的解剖數據來自VHP數據集，首先尸體相對于活體一些解剖結構已經改變；其次由于尸體切片的光學照相和CT、MRI斷層成像的分辨率有限，低于像素尺寸部分的解剖結構的信息無法有效獲取；再次由于人體內部解剖結構存在顯著的個體差異以及圖像采集的體位對解剖結構的影響，建模與應用研究的結果應用到臨床時仍需做進一步的處理。此外，建模使用的人體物理特性的數據來自各種模型試驗和臨床研究，與人體非線性的、各向異性的物理特性分布存在差異，而且迄今為止仍沒有得到全面精確的人體物理特性數據。
2.1.2 建模方法
在圖像分割過程中，低于像素尺寸的細微結構難以準確地分割；目前圖像分割軟件還無法對所有圖像實現自動分割，一些微小器官及圖像中難以分辨的器官還有賴于專家用肉眼分辨，這種主觀性的存在，不可避免地會產生誤差。
重建后的幾何模型是基于體素的，無法重現尺寸小于體素尺寸的細微解剖結構，且重建后的器官表面特別是近似圓形的器官表面會呈現為階梯狀，不如真實器官表面那么平滑，影響進一步對物理特性建模的精度。
有限元建模是現在構建物理人最常用的建模方法，而有限元模型在研究組織特性時有一定的局限性。首先物理人是利用靜態圖像信息進行三維重建的，樣本體位單一，因此無法分析體位和重力等因素對目標參數的影響；其次人體的組織器官結構復雜且互相關聯，但考慮到建模的可行性和復雜度，有限元建模將目標組織設定為結構單一且相對獨立的個體，因此無法反映人體物理特性的非線性的、各向異性的分布，忽略了周圍組織對目標的影響。
2.2 發展趨勢
由于建模研究者對物理特性信息的需要，建立標準的人體物理特性信息數據庫，為物理人建模提供充足的數據源，是未來的一個發展趨勢。部分學者已開始這方面的研究，如Vette等[32]建立的Upper Body Segment Parameters數據集，包括24塊椎體和4個上肢節的三維質心坐標、質量、轉動慣量等物理特性數據。隨著醫學圖像采集技術的發展以及人體物理屬性信息數字化水平的提高，可實現對細微結構的信息采集，提高解剖結構建模和人體物理特性建模的精度，是物理人發展的另一趨勢。另外隨著計算機性能的提高，依據虛擬人計劃的目標，可逐步實現對人體的遺傳信息和細胞等微觀結構的建模。最終，依據數字人的整體規劃，將組織、器官的所有不同物理特性和人體的生理生化功能以及腦的思維和認知功能統一到一個數字模型中，即將物理人的成果、生理人的成果以及人類腦計劃的研究成果相融合，形成一個在各方面都具備人類特征的數字人，是物理人最終的發展方向。
3 結論
本文簡述了數字人計劃的目標規劃，重點闡述了基于可視人數據集的物理人建模及其應用。電磁輻射研究和生物力學分析領域出現的物理人較多，也出現了一些電阻抗測量和超聲傳輸仿真的物理人。本文還闡述了現階段物理人建模存在的問題及發展趨勢。雖然用于電離輻射仿真的物理人已經成熟，但是其他一些學科如生物力學的物理人仍有待進一步發展。現有的醫學圖像采集和醫學圖像處理技術還無法反映人體的細微結構；人體物理特性信息也極其復雜，其參數值及其分布情況尚有待進一步的發掘和證實；另外人體作為一個復雜的有機整體其內部的不同種類信息之間會相互影響，還要受大腦主觀意志、外界環境等因素的影響，因此，物理人建模仍有巨大的研究空間。
引言
20世紀末以后，計算機技術和信息技術飛速發展，使信息技術與生命科學的結合成為可能。科學家嘗試將人體的形態、結構和功能信息數字化，利用三維重建等技術建立可視且可控的數字化虛擬人(簡稱數字人)。為此，美國依次提出了人類基因組計劃、可視人計劃(Visible Human Project，VHP)、人類腦計劃、虛擬人計劃和生理人計劃這五項大型研究工程。最初人類基因組計劃的提出是為了破譯人類的遺傳信息，而后為建立高精度的人體解剖信息數據庫開始實施可視人計劃[1]。虛擬人計劃和生理人計劃以人類基因組計劃和可視人計劃的研究成果為基礎，在人體解剖信息中分別融入人體的物理特性數據和生理學數據，建立能反映人體相應的物理特性和生理生化功能的數字人[2-3]，即物理人和生理人。人類腦計劃旨在繪制腦功能圖譜、建立適于腦認知和行為研究的數據庫[4]，由此建立具有人類智力的智能數字人即智能人。這些計劃的共同宗旨是將各類人體信息采集整合成數字信息并實現人體的數字建模，為進入數字時代后的醫學、體育、航天、軍事等領域的研究提供充足的數據支撐，因此美國科學家聯盟于2001年將上述五項計劃概括為數字人計劃[5]。
可視人是利用VHP建立的數據集，包括尸體切片光學照相、計算機斷層(computerized tomography，CT)圖像和核磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)圖像，通過三維重建得到的僅能反映人體解剖結構的數字人，因此只能用于解剖學教學和三維顯示等相對簡單的場合。物理人在可視人的基礎上加入了人體組織的物理特性(如皮膚彈性、肌肉收縮、骨骼受擊斷裂、血管受損出血等)，使數字人的質感、軟硬度等指標接近實際人體。物理人可用于研究骨肌生物力學機制、放射醫療、輔助設計汽車和軍事設備等，在許多領域中的實用價值吸引了眾多研究者,成為近年來的研究熱點。根據模型融入的人體信息，數字人可分為四種[6]：可視人、物理人、生理人、智能人。國內外眾多從事VHP、中國可視人(Chinese Visible Human，CVH)數據集開發的學者，利用已形成的數據集建立了大量的數字化人體模型，目前的研究工作主要集中在可視人和物理人的建模階段。本文主要針對以VHP和CVH數據集為解剖信息來源的物理人建模與應用的研究現狀、存在問題及未來發展趨勢進行全面綜述。
1 物理人建模與應用的研究現狀
物理人是在人體解剖結構信息中融入人體組織物理特性信息后建立的能反映人體特定物理屬性的數字人體模型，其建模流程可以歸納為四個步驟如圖 1所示。
圖1
物理人建模流程
Figure1.
Modelling processes of physical human
首先從VHP數據集中選取包含感興趣的組織或器官的連續二維圖像數據，其次尋找某種空間變換使兩幅圖像對應點的空間位置和解剖結構完全一致，利用肉眼或軟件算法分割出目標組織或器官的邊界，賦予其新的灰度值作為標識，便于計算機識別。然后將預處理后的連續二維圖像重建成三維的幾何解剖模型，并根據建模需要對幾何解剖模型進行相應的體元劃分。最后將所需物理參量與每個體元關聯，建立出具有相應物理特性的物理人。根據關聯的物理參數的不同，構建出的物理人可以應用到不同領域；根據應用領域的不同，可將現階段主要的物理人建模與應用研究分為輻射物理人、超聲物理人、電學物理人和力學物理人。
1.1 輻射物理人
輻射物理人建模時需要考慮的主要參數是器官的密度、位置和形狀以及身體的形狀。除此之外，電磁輻射吸收劑量的計算還依賴于準確地呈現組織和器官的分界面，尤其是兩側介電常數相差比較大的分界面 (如皮膚和脂肪組織)。電磁輻射分為兩種：一種是電離輻射；另一種為非電離輻射。人體對不同頻率電磁輻射的吸收方式不同，因此研究者會采用不同的方法仿真人體在這兩種輻射情況下的能量吸收。
對于高頻電磁波的電離輻射仿真，根據器官密度、化學組分等信息，由蒙特卡羅模擬可以得到組織中每個體元中發生康普頓效應、光電效應和電子對效應的概率即截面反應數據，然后將該數據與幾何模型建立聯系，可用于模擬輻射情況。如Xu等[7]開發出的可視光學照相人(Visible Photographic Man，VIP-Man)虛擬仿真系統，成功用于放射醫療、X線成像等領域的體外電離輻射情況下的器官劑量計算、輻射危險性評估、放療最優化方案制定；石成玉等[8]開發出的孕婦物理人模型，用于研究核醫療領域的涉及體內放射性源的器官劑量。
對于低頻電磁波的非電離輻射仿真，除了融入上述參數信息外，還需關聯組織的電導率值。該類型的建模及應用仿真有：Christ等[9]建立了4個專門用于低頻電磁輻射評估的物理人。Panagamuwa等[10]利用美國布魯克斯空軍基地開發的頭部異質模型和他們先前開發的均質頭部模型SAM Head，研究了無緣眼鏡的金屬橫梁對頭部比吸收率(specific absorption rate，SAR)的影響。Kientega等[11-12]在異質可視人的基礎上，融入人體組織的電導率和介電常數后，用于室內電磁輻射吸收的仿真和計算。Wu等[13]用手工的方法對CVH尸體切片進行精細分割，重建出2個此類物理人(男女各一個)。此外，Li等[14]還將蒙特卡羅模擬用于研究可見光在人腦中的輻射傳輸，基于CVH數據集實現了光在人腦中傳播的可視化。Chaber等[15]重建了女性中樞神經系統的模型，用于研究低頻磁場輻射及其感應電流密度對中樞神經系統的影響。
1.2 超聲物理人
對于超聲物理人的建模，準確地分割出組織和器官的分界面也是十分必要的，特別是超聲阻抗相差較大的組織之間的分界面。此外影響超聲傳播的主要參數還有組織的密度、傳播速度和振幅衰減系數。完成目標組織或器官的分割和重建后，與上述參數融合可形成超聲物理人。
超聲物理人可應用于超聲傳輸、超聲熱療、超聲成像。其建模及應用研究有：Cotté等[16-17]建立的心臟及其周圍組織的超聲模型，利用瑞利-索末菲衍射積分算法，預測不同傳播路徑上設備接收到的超聲功率的大小，還用該模型驗證了體表的超聲換能器和腹部深處的接收設備之間能夠安全高效地傳輸超聲能量；Hobson 等[18]建立了前列腺及其周圍組織的超聲傳播模型，并結合生物傳熱學方程實現了前列腺腫瘤的超聲熱療的虛擬仿真；此外，Karmakar 等[19]綜合使用水基脊柱仿體和VHP數據集的腰部脊柱的解剖切片，確定了與經由正中旁入路進行的中樞神經軸索阻滯相關的腰部脊柱的超聲解剖結構，可用于超聲成像引導的中樞神經軸索阻滯。
1.3 電學物理人
在完成分割和重建的幾何模型中設置組織或器官的電導率、介電常數等反映電學特性的物理量可得到電學物理人。例如，Danilov等[20]建立的人體軀干的阻抗測量模型，可用于生物阻抗測量的仿真，研究電場作用下人體電流、電勢和敏感度的場分布。Tran等[21]為研究由人工耳蝸刺激引起的電流的在頭部的分布，建立了頭部阻性模型。Wendel等[22]為研究頭部組織的導電性引起的腦電圖(electroencephalogram，EEG)測量時的容積導體效應，結合臨床上頭部組織的電導率數據建立了不同年齡的頭部阻性模型。他們還根據人體測量數據建立了一個可隨意變形的通用頭部模型，通過設置電導率等參數可形成不同年齡、性別和形狀的頭部阻性模型。此外，一些疾病(如早期的阿爾茨海默病)的發生伴隨著組織介電特性的改變。Noetscher等[23]利用VHP數據集實現了對腦脊液介電特性的建模，并用模型進行了介電特性的監測仿真。
1.4 力學物理人
與以上物理人不同的是：首先力學物理人是針對人體骨骼和肌肉組織的力學特性的建模；其次組成力學物理人的有限個小單元之間以節點相連，相互作用力通過節點傳遞；最后力學物理人關聯的是能反映骨肌力學特性的物理量。因此力學物理人能夠對骨骼和肌肉進行比較全面的力學性能的仿真，用于分析骨肌組織的生物力學機制。當前力學物理人建模的研究可分為三類：骨骼建模、肌肉建模、骨肌建模。
骨骼建模時，關聯的力學參數是楊氏模量和泊松比。例如，Wong等[24]建立的脛骨有限元模型，成功地運用于脛骨骨折機制仿真。
肌肉建模時，先將肌肉纖維方向數據嵌入幾何模型，再關聯肌纖維的收縮、舒張應變能等參數。例如，Pato等[25]建立的膈膜的有限元模型中，使用ABAQUS6.7分析得到肌肉纖維方向，通過非線性有限元擬合將纖維方向數據嵌入到幾何結構模型中。由Humphrey心臟肌肉模型經過改進建立了肌纖維的收縮、舒張應變能及各向同性應變能的本構模型。Pelteret等[26]在建立的舌及周圍軟組織的有限元模型中，使用了主動發力的希爾三元肌肉模型，且基于遺傳算法的神經網絡控制模型能對每個肌肉群施加相應的神經刺激來控制舌的位置和頦舌肌的生理反應。此外，Yan等[27]建立了女性骨盆底肌肉的有限元模型。
對人體骨肌進行建模的典例是Wei等[28-30]基于CVH數據集建立了中國力學虛擬人(Chinese Mechanical Virtual Human,CMVH)虛擬仿真系統。此外，Daniel[31]建立了腰部脊柱的骨肌模型。
2 存在問題及發展趨勢
2.1 存在問題
物理人建模及應用的研究是數字技術與醫學科學相結合的新型前沿交叉學科，涉及臨床醫學、生物醫學工程、生物力學、計算機科學等眾多學科。經過十幾年的發展，雖然目前出現了很多對人體輻射生物學效應、骨肌生物力學特性、組織電阻抗特性、組織超聲傳輸特性等物理屬性的建模與應用的研究,但現階段的此類研究還存在一些問題。
2.1.1 數據采集
建模的解剖數據來自VHP數據集，首先尸體相對于活體一些解剖結構已經改變；其次由于尸體切片的光學照相和CT、MRI斷層成像的分辨率有限，低于像素尺寸部分的解剖結構的信息無法有效獲取；再次由于人體內部解剖結構存在顯著的個體差異以及圖像采集的體位對解剖結構的影響，建模與應用研究的結果應用到臨床時仍需做進一步的處理。此外，建模使用的人體物理特性的數據來自各種模型試驗和臨床研究，與人體非線性的、各向異性的物理特性分布存在差異，而且迄今為止仍沒有得到全面精確的人體物理特性數據。
2.1.2 建模方法
在圖像分割過程中，低于像素尺寸的細微結構難以準確地分割；目前圖像分割軟件還無法對所有圖像實現自動分割，一些微小器官及圖像中難以分辨的器官還有賴于專家用肉眼分辨，這種主觀性的存在，不可避免地會產生誤差。
重建后的幾何模型是基于體素的，無法重現尺寸小于體素尺寸的細微解剖結構，且重建后的器官表面特別是近似圓形的器官表面會呈現為階梯狀，不如真實器官表面那么平滑，影響進一步對物理特性建模的精度。
有限元建模是現在構建物理人最常用的建模方法，而有限元模型在研究組織特性時有一定的局限性。首先物理人是利用靜態圖像信息進行三維重建的，樣本體位單一，因此無法分析體位和重力等因素對目標參數的影響；其次人體的組織器官結構復雜且互相關聯，但考慮到建模的可行性和復雜度，有限元建模將目標組織設定為結構單一且相對獨立的個體，因此無法反映人體物理特性的非線性的、各向異性的分布，忽略了周圍組織對目標的影響。
2.2 發展趨勢
由于建模研究者對物理特性信息的需要，建立標準的人體物理特性信息數據庫，為物理人建模提供充足的數據源，是未來的一個發展趨勢。部分學者已開始這方面的研究，如Vette等[32]建立的Upper Body Segment Parameters數據集，包括24塊椎體和4個上肢節的三維質心坐標、質量、轉動慣量等物理特性數據。隨著醫學圖像采集技術的發展以及人體物理屬性信息數字化水平的提高，可實現對細微結構的信息采集，提高解剖結構建模和人體物理特性建模的精度，是物理人發展的另一趨勢。另外隨著計算機性能的提高，依據虛擬人計劃的目標，可逐步實現對人體的遺傳信息和細胞等微觀結構的建模。最終，依據數字人的整體規劃，將組織、器官的所有不同物理特性和人體的生理生化功能以及腦的思維和認知功能統一到一個數字模型中，即將物理人的成果、生理人的成果以及人類腦計劃的研究成果相融合，形成一個在各方面都具備人類特征的數字人，是物理人最終的發展方向。
3 結論
本文簡述了數字人計劃的目標規劃，重點闡述了基于可視人數據集的物理人建模及其應用。電磁輻射研究和生物力學分析領域出現的物理人較多，也出現了一些電阻抗測量和超聲傳輸仿真的物理人。本文還闡述了現階段物理人建模存在的問題及發展趨勢。雖然用于電離輻射仿真的物理人已經成熟，但是其他一些學科如生物力學的物理人仍有待進一步發展。現有的醫學圖像采集和醫學圖像處理技術還無法反映人體的細微結構；人體物理特性信息也極其復雜，其參數值及其分布情況尚有待進一步的發掘和證實；另外人體作為一個復雜的有機整體其內部的不同種類信息之間會相互影響，還要受大腦主觀意志、外界環境等因素的影響，因此，物理人建模仍有巨大的研究空間。
