利用電子計算機斷層攝影采集健康成年人體平面及三維數據的初步嘗試

摘要本文利用現代影像醫學CT對40例18-40周歲的健康中國人頭部、四肢及軀干等骨骼特征明顯的部位，進行定位測量，采集點線面的三維數據，對人體CT平掃圖像和三維圖像進行數字化數據處理，進一步以身高為基礎計算人體美學量化比例。

中圖分類號：TB86文獻標識碼：A

Attempt on Collecting Healthy Adult Body Plane and 3D Data by CT

LIU Boyang[1]， PAN Xiuyun[1]， CHEN Mingxin[2]， FU Liming[1]

([1]Art School， Jilin University， Changchun， Jilin 130012)

([2]China Japan Union Hospital， Jilin University， Changchun， Jilin 130033)

AbstractUsing CT， the author measured the bone of head， arms， legs and body of 40 healthy people aging 18 and 40， and collected 3D data. The author processed the data of the plane scanned images and 3D images in digital way， and calculated the art proportion based on the height of people.

Key wordsart design; CT; human body; head; arms and legs; body

最早將醫學與藝術完美結合的著名藝術家有達·芬奇和維薩利，他們不僅解剖人體繪制人體圖譜，還將人體解剖數據利用數學公式化，從而豐富和完善了藝用解剖學，人類在藝術與科學的互動發展中，藝用解剖學對人類生理解剖學的豐富和完善同樣也做出了巨大貢獻。但是，目前在藝術設計領域所應用的人體數據主要來自于解剖學，雖然錄影、攝像等能為我們提供一定的人活體表面的參考數據，但要更深層次地觀察人活體內部結構以及精確測量人活體平面及三維數據，上述設備仍然無法完成。隨著現代影像醫學的進步，人們將計算機與醫學X線掃描相結合形成數字化現代可視醫學CT（Computed Tomography，電子計算機斷層攝影）技術，CT不僅可以從平面觀察人體，還可利用三維重建技術提供更精確的空間信息，并能夠在活體成像下進行人體內部結構觀察，并更為精確的定量數據采集，其精確測量可至0.01mm。雖然CT在醫學上已經廣泛應用，但利用CT采集人活體數據并應用于藝術設計仍缺乏研究，因此，我們利用CT對40例健康人進行活體數據采集，利用計算機進行數據處理，計算人體數據比例，為進一步將CT采集的人活體數據應用于人體藝術設計奠定基礎。

1 資料與方法

2010年8月-2010年12隨機選取吉林大學中日聯誼醫院門診體檢的40個健康志愿者進行掃描，其中男20例，女20例，年齡18-40歲，平均年齡為24.3歲，所有志愿者檢查前均簽署知情同意書。使用Toshiba Aquilion one 320層容積CT，在100-120kv及150mA，球管旋轉時間0.5s條件下進行掃描，掃描劑量為12-16msv。掃面范圍自足底至顱頂。結合計算機處理，獲取并處理人體的數字化數據。對所有個體圖像進行三維重建。在人體的某些部位，骨骼往往從根本上代表了這些部位的特征外形，如頭部、四肢等，利用CT對這些部位進行骨組織重建，而對軀干等肌肉覆蓋較明顯的部位可以進行軟組織重建，根據繪制的人體點線圖在CT平掃和三維重建圖像上進行測量。CT計算機后工作處理站可以對體征點和平面進行定位，采集人體重要點線面的三維數據，充分保證數據的精確性和可靠性。計量資料應用€眘表示，數據預處理主要有描述性分析、正態分布檢驗等分析方法。

2 測量的40例健康成年人體相關數據

本文采集的20例健康成年男子身高在1700mm-1760mm，平均身高1735.50mm（表1），20例健康成年女子身高在1600mm-1660mm，平均身高1628.00mm（表2）。男子頭高平均228.8075mm，約占身高的13.2%（表3），女子頭高平均243.7590mm，約占身高的15%（表4），男女的頭高/身高比值有近1.8個百分點的差異，頭高/身高比值的差異可能是男女性別差異的一個特征。除頭部外，男女在大腿長度/身高比值方面也有高達1.6個百分點的差別，男子大腿長度平均461.2785mm，約占身高的26.6%（表3），女子大腿長度平均407.7820mm，約占身高的25%（表4），大腿長度/身高比值的差異可能是男女性別差異的另一個特征。

3 綜述

將醫學與藝術的完美結合，是文藝復興藝術的一個代表，達·芬奇在生理解剖學上取得了巨大的成就，被認為是近代生理解剖學的始祖。他解剖人體并將人體的比例用數學公式作為標準細化。達芬奇解剖了30具不同性別年齡的人體，製繪了超過200篇人體圖，他認為，人體解剖是了解人體結構與人體動態的鑰匙，可使藝術真實地表現人體形態。另一位值得一提的是維薩利，他詳細描述了人體解剖學，使解剖學成為一門科學，從解剖學入手，詳盡地研究了人體各部分的構造。他最先采用蠟塑手段表現人腦內部結構，也是設想用玻璃和陶瓷制作心臟和眼睛的第一人。文藝復興后，藝術家們把人體解剖學作為藝術必修的基礎課，通過解剖尸體，觀察人體骨骼和肌肉的構造，繪制詳細的解剖圖譜，并把解剖學知識運用到藝術實踐中去，豐富和完善了藝用解剖學，并創造了歷經幾個世紀被人們贊嘆不已的繪畫和雕塑作品。

在藝術設計領域，醫學解剖學發揮著重要作用。然而現在趨向人體寫實的人偶玩具，卻只注重華麗的外表修飾，大都以“整形似的”造型出現，千篇一律。造型上的相似并不代表這種藝術的權威，反倒使人感覺存在形態或是神態上“假”的現象。趨于人體比例的人形玩偶設計需要大量的人活體數據的支持，然而解剖學數據卻來自于死亡后的人體，由于肌肉萎縮、脂肪體積縮小，失去了人活體的精確性與美感，這種不足也正是產生人活體研究需求的原因。藝術的活體形態觀察主要局限于“模特”的使用，因此主要是外表的觀察，如果人體藝術設計涉及人體內部結構時，這種觀察就遠遠不夠。為了彌補這種不足，人們建立了塑化人體藝術，也是解剖學與藝術的結晶，塑化可以使骨骼和肌肉完整不變形的保存，塑化后的神經也有一定彈性，微血管的塑化也很完美，但是皮下脂肪在塑化過程有相對明顯的體積縮小，人的體長也可以縮小，因此，塑化藝術也不能完全反映人類活體特征。如何將現代醫學知識用于藝術設計的活體數據測量上，則是現代藝術家應該探討和重視的。

現代醫學在過去30年取得了巨大的進步，尤其是以影像醫學為代表的現代可視醫學取得了長足發展，它可以幫助人們在不進行損傷的情況下直觀定量地觀察人體行為及人體深層次的結構和變化。張紹祥等從醫學的角度建立數字化可視人過程中，利用CT、MRI對青年男性人體標本進行掃描。但目前尚未有利用CT進行活體數據并用于藝術設計的研究報告。然而現代影像醫學的可視性不僅可以平面的、定量的觀察和描述物體，更提供了一個立體的、全方位觀察物體的機會，為我們提供了一份不可多得的可視性藝術觀察工具。因此，如何應用現代醫學尤其是影像醫學中CT技術提供精確數據的優勢及三維重建技術進行精確的人體數據采集，并用于人體藝術設計就成為現代藝術設計研究的新課題，人們不僅可以將解剖學與藝術結合，現代醫學可視醫學可能會更有效地發揮其在藝術觀察和指導藝術設計方面的重要作用。

本研究中利用現代影像醫學設備CT對18-40周歲的健康中國人進行觀察，結合計算機處理，獲取并處理人體的數字化數據。首先將人體繪制成重要的點線圖。我們根據文獻資料，選定了在進行人形玩偶設計時關鍵的點線距離，人體造型時結合不同個體的個性特征與共性特征展開研究。先采用對人體結構特征比較突出的骨骼點連線測繪的方式測量，再銜接人體各部共性特征結構點，以獲取重要數據來確定人體具體形態，實驗中重點采集的人體不同部位的結構特征性數據有：頭高、上臂長度、上體長度以及下肢長度等。數據采集不僅可以在CT平掃圖像上進行，還可以進行三維重建。三維重建技術主要有：表面遮蓋顯示(SSD)、多層面重建(MPR)、多層面容積重建(MPVR)、曲面重建(CPR)。在不同部位選用不同的重建方法，或結合使用幾種，如在人體頭部，利用CT可以進行骨組織重建算法，而對軀干等肌肉覆蓋較明顯的部位可以進行軟組織重建，從而從根本上把握關鍵的活體數據。CT計算機后工作處理站可以對體征點和平面進行定位，并采集人體重要點線面的三維數據，充分保證了數據的精確性和可靠性，這也是現代數碼藝術設計所必需的。現代數碼藝術設計是伴隨計算機發展而誕生的藝術設計形式，利用數碼藝術可以進行影視、動漫以及游戲等設計，可以是平面也可以是三維立體的，以計算機為主設計的人體藝術同樣需要大量的人活體數據作為本源，利用CT采集的數據不僅精準還可以個體數字化，將為數碼藝術設計提供充分的資源。CT測定數據還可以結合藝術的審美觀，計算人體美學的量化比例，為模擬人及人形玩偶的設計等提供數據支撐，還可以將數據存儲，進一步探討其在藝術領域的應用價值。

影像醫學由于可以精確地采集活體數據，因此對大量活體進行數據的統計分析成為可能。不僅如此，它可以進行內部結構的觀察，因此滿足了藝術設計的真實性等諸多要求。應用影像醫學尤其是CT與藝術結合，是現代醫學在藝術領域綻放的一朵奇葩。但由于至今尚無相關研究可供參考，所有數據采集和應用都有待進一步探索；而且將CT觀察到的數據進行數字化處理及分析，信息量大；CT三維重建技術專業性強，難度較大，需要藝術與醫學工作者的相互配合。因此，探討影像醫學與藝術的融匯之路仍然漫長，但相信不久的將來影像醫學將為藝術的發展提供更大的動力和支持，也會有更多的新奇之作展示在我們面前。

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