3DMAX在虛擬人穴位模型三維重建中的應(yīng)用

羅群芳 盧林瀟 方慧 葉含笑

摘要： 經(jīng)絡(luò)學是中醫(yī)理論的重要組成部分，但經(jīng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)尚無定論；現(xiàn)有虛擬人體技術(shù)反映了豐富的解剖學上的細節(jié)，但未能包括對經(jīng)絡(luò)和中醫(yī)人體穴位的描述。針對這些問題，以中醫(yī)針推理論為指導，以中國人體穴位真實標本素材為基礎(chǔ)，用3DMAX技術(shù)建立了一個對于人體穴位定位及針刺方向描述的模型，描述了利用三維可視化方法建立的空間模型，以及組織成為層次型文本知識體系的解釋模型，以反映詳細的解剖學相關(guān)知識

關(guān)鍵詞： 經(jīng)絡(luò)； 人體穴位； 仿真； 三維重構(gòu)

中圖分類號：TR文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2012）05-16-02

3DMAX in virtual human Acupoint Model3D reconstruction in application

Luo Qunfang, Lu Linxiao, Fang Hui, Ye Hanxiao

（Zhejiang Chinese Medicine University， Hangzhou， Zhejiang 310053， China）

Abstract： The meridian is an important part of Chinese medicine theory, but the material basis of the meridian is inconclusive; existing virtual human technology reflects the weath of anatomical detail, but fails to include a description of the body acupuncture points on the meridians and TCM. Chinese medicine needle to push the theory as a guide to humanacupuncture points of the real specimen material is based on?a?modeldescribed?in?the human body?acupuncture point?location and?needling direction 3DMAX technology, describes the use of?three-dimensionalvisualization methods?to establish the space model. And the organization as a hierarchical text?interpretation model of the knowledge system to reflect the detailed anatomical knowledge, and ultimately avisual model of electronic map display three-dimensional shape of thebody acupuncture points based on Chinese philosophy.

Key words： meridian； human acupuncture points； simulation； 3D reconstruction

0 引言

經(jīng)絡(luò)學是中醫(yī)理論的重要組成部分。經(jīng)絡(luò)在臨床上的應(yīng)用主要表現(xiàn)為穴位治療。臨床針灸學的發(fā)展有賴于對人體穴位的正確體表定位和三維空間結(jié)構(gòu)的精確描述和顯示。但一方面，經(jīng)絡(luò)和穴位的物質(zhì)基礎(chǔ)尚無定論，有觀點認為穴位與神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)系密切，也有觀點指出人體穴位處毛細血管豐富、排列規(guī)則。另一方面， CT、MRI因分辨率原因均不足以給出神經(jīng)和毛細血管的信息。因此，目前依據(jù)中國人體穴位真實標本圖像資料，還不能給出神經(jīng)和毛細血管的細微結(jié)構(gòu)，以及中醫(yī)人體穴位的豐富信息。傳統(tǒng)的對于人體穴位的定位和形態(tài)學的數(shù)據(jù)是基于經(jīng)典中醫(yī)理念得出的，是我國古代醫(yī)學家長期醫(yī)療實踐的總結(jié)；針灸的療效也已有定論，但針刺的不同深度和角度會導致不同的治療結(jié)果，特別是對于那些危險人體穴位，正確施針，療效奇佳，但運針過度可能引起致命傷害。中醫(yī)的這些經(jīng)驗如何以可視化的方式直觀、多層次地加以表達，是一個亟待解決的問題。

我們通過本課題研究，將基于中醫(yī)理念獲得的關(guān)于人體穴位的知識融入目前國際上開發(fā)較成熟的3DMAX技術(shù)，重建了三維可視化人體穴位模型，建立了結(jié)合人體穴位描述的中醫(yī)虛擬人模型，使有關(guān)人體穴位知識的表達更直觀，更有層次感，使針灸的進針理論可視化、動態(tài)化。虛擬人體穴位模型包含豐富的關(guān)于人體穴位的中醫(yī)學知識和臨床意義。這樣建立的穴位描述，為穴位在結(jié)構(gòu)及生理功能上的進一步研究建立了形態(tài)學三維顯示基礎(chǔ)。運用計算機仿真技術(shù)，將中國人的穴位組織結(jié)構(gòu)客觀仿真重建，特別是仿真穴位處的組織，使這些組織在屏幕上可以從任何角度被觀察，顯示針刺結(jié)構(gòu)，以提高準確度和避免針刺意外，對臨床醫(yī)生有很好的指導作用，可進一步充實和驗證穴位解剖結(jié)構(gòu)法人立體構(gòu)筑理論，服務(wù)中醫(yī)針灸推拿等基礎(chǔ)和臨床學科。

1 虛擬人體穴位模型重建的理論基礎(chǔ)

經(jīng)絡(luò)穴位理論的基礎(chǔ)是陰陽五行、臟腑經(jīng)絡(luò)。有很多醫(yī)生和學者正在研究經(jīng)絡(luò)穴位理論與現(xiàn)代醫(yī)學之間的關(guān)系，但得到的結(jié)論通常是局部的。從醫(yī)學影像學的角度，系統(tǒng)地整理中西醫(yī)結(jié)合的現(xiàn)有成果，有助于研究人員進一步從醫(yī)學影像上對經(jīng)絡(luò)穴位的本質(zhì)加以探索。

目前，中醫(yī)針灸治療手段主要依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗。如果能將人體三維醫(yī)學影像內(nèi)容作為另一種施治的參考，將有助于針灸臨床醫(yī)生避免針刺意外和提高針刺療效，是一種理想而直觀的中醫(yī)電子解剖學手段。同時，醫(yī)學影像圖譜的應(yīng)用，也有可能促進產(chǎn)生新的簡便的輔助治療方法，為中醫(yī)針灸走向世界打下堅實的基礎(chǔ)[1]。

作為世界醫(yī)學領(lǐng)域的一朵奇葩，中醫(yī)理論已經(jīng)得到世界醫(yī)學界的認可和推崇。如果在西醫(yī)人體三維圖譜逐漸發(fā)展、成熟的同時，建立以中醫(yī)理論為基礎(chǔ)的具有中國特色的人體三維醫(yī)學影像圖譜，進行推廣和教育，將更有助于中醫(yī)理論的普及和發(fā)展。針灸穴位三維虛擬人體模型正是基于先進的計算機仿真技術(shù)，以中醫(yī)理論和經(jīng)絡(luò)穴位理論以及醫(yī)生臨床經(jīng)驗為指導而建立的。

2 針灸穴位在三維虛擬人體上的定位

在人體三維醫(yī)學圖像上進行穴位定位所遇到的最大難題是：一方面，在目前的影像手段中，沒有一種手段可以像顯示肌肉神經(jīng)組織那樣顯示出真實的經(jīng)絡(luò)穴位結(jié)構(gòu)，即人體經(jīng)絡(luò)穴位結(jié)構(gòu)是不可觀測的；另一方面，經(jīng)典的穴位定位方法的某些部分使用的標志結(jié)構(gòu)過于細小而在圖像上不可分辨，比如毛發(fā)。因此在穴位定位過程中，我們要通過適當?shù)耐緩剑Y(jié)合實際應(yīng)用中的醫(yī)學經(jīng)驗，解決上述問題。從描述方法來說，本次人體三維醫(yī)學圖像使用的是一套完全不同于經(jīng)典中醫(yī)針灸穴位定位方法的描述體系[2]。

2.1 頭部穴位定位

人體三維醫(yī)學圖像的三維坐標系的方向是基于存儲方式的，而坐標系的方向是基于圖像內(nèi)容的。習慣上，人體有前后左右上下之分，坐標系就根據(jù)圖像中人體的前后左右上下確定。

這樣，經(jīng)典的穴位定位中使用的描述可以方便地在坐標系中得到對應(yīng)。人為規(guī)定，人體左右方向為x方向，從右至左x坐標值遞增；人體前后方向為y方向，從前至后y坐標遞增；人體上下方向為z方向，從下至上z坐標遞增。如圖1所示。

圖1頭部穴位定位1

人體頭部的經(jīng)穴共有64個，其中有63個位于體表，一個位于口腔內(nèi)。位于體表的63個經(jīng)穴，可以認為分布在三個區(qū)域：面部，頭頂部和側(cè)頭部。從醫(yī)學經(jīng)驗得出，位于面部的穴位橫向定位一般采用橫寸，縱向定位依照體表標志；位于頭頂部的穴位橫向定位采用橫寸，縱向定位采用直寸[3]；位于側(cè)頭部的穴位采用體表標志定位。經(jīng)典的中醫(yī)針灸穴位定位方法中穴位定位的描述，是基于人體表面的二維描述方法。其描述一般是從某個體表標志出發(fā)，向某個方向移動多少距離。比如，足太陽膀胱經(jīng)的五處穴位的定位描述為：在頭部，當前發(fā)際正中直上1寸，旁開1.5寸。這種描述方法的好處在于：在穴位定位的時候，不必要考慮與定標無關(guān)的人體體表其他高低不平的形態(tài)。作為穴位定位標志的人體標志是每個人都有的，形態(tài)明確的，盡管隨個體差異有所不同，但位置相對固定的那些體表形態(tài)或骨性標志是有規(guī)律可尋的。

同樣，在人體三維醫(yī)學圖像上進行穴位定位，由于人體表面存在高低不平的各種形態(tài)，并不規(guī)則；同時，根據(jù)不同原始數(shù)據(jù)重建出來的三維圖像中，表示人體表面的曲面也可能是各不相同的。因此，如果直接用三維坐標來穴位定位和描述穴位位置，既不方便，又不容易與經(jīng)典中醫(yī)針灸穴位定位中的描述聯(lián)系起來，而且不容易解決人體圖像的差異性[4]。為了解決以上問題，我們借鑒中醫(yī)學的經(jīng)驗方法，采用二維坐標，將穴位位置在坐標系中描述出來，即標準化二維描述的穴位，重構(gòu)三維定位方法。標準化二維描述的穴位重構(gòu)三維定位方法對不同區(qū)域的穴位，根據(jù)其經(jīng)典的中醫(yī)針灸定位描述，采用相應(yīng)的穴位定位模型在坐標系中進行描述，最后，將人體穴位顯示到人體三維醫(yī)學圖像中，獲得如圖2所示的頭部穴位標注效果。

圖2頭部穴位定位2

2.2 軀干部穴位定位模型

由于軀干部穴位定位方法的思想和操作過程與頭部穴位定位方法相似，我們較簡略地敘述一下這個過程。軀干部三維坐標系的定義如下。

坐標系的方向是基于圖像內(nèi)容的。人為規(guī)定，人體左右方向為x方向，從右至左x坐標值遞增；人體前后方向為y方向，從前至后y坐標遞增；人體上下方向為z方向，從下至上z坐標遞增。特別，對于軀干部圖像，規(guī)定原點位于臍中央。軀干部坐標系yz平面的確定：在人體軀干部圖像中，同樣可以找到許多具有對稱性質(zhì)的切面，通過解方程式，我們可以得到軀干部人體數(shù)據(jù)的中軸面，將其作為軀干部坐標系的yz平面。軀干部坐標系的z軸和xz平面采用以下的方法確定。

⑴ 以臍中央點H和兩個乳頭I、J共三個點確定平面HIJ。

⑵ 平面HIJ與已經(jīng)確定的yz平面的交線定義為z軸。

⑶ 過z軸作yz平面的垂直平面，確定xz平面。

根據(jù)人體穴位在軀干部的分布，可以將人體軀干部分為兩個區(qū)域：軀干前面的胸腹部和軀干后面的背部。與之相對應(yīng)的，在軀干部選擇兩個特定的投影平面進行二維描述。

⑴ δ平面用于胸腹部穴位的定位，為一長方形平面，對應(yīng)人體胸腹部上至胸骨上窩，下至恥骨聯(lián)合，左右至腋窩的人體表面區(qū)域的投影。

⑵ ε平面用于背部穴位的定位，也為一長方形平面，對應(yīng)人體背部上至第七頸椎棘突，下至尾骨，左右至腋窩的人體表面區(qū)域的投影。由于人體胸腹部和背部都相對比較平坦，且可以認為是相互平行的，傳統(tǒng)中醫(yī)穴位位置的描述中的定位可以直接作為投影平面上的坐標，因此，對這兩個投影平面的標定，本文沒有進一步設(shè)計模型進行研究，只采用⑶、⑷步驟進行操作。

⑶ 將xz平面作為δ平面，根據(jù)臍中央點H和兩個乳頭I、J三個點對δ平面進行標定，參考傳統(tǒng)中醫(yī)穴位位置的描述確定胸腹部穴位在投影平面上的坐標。

⑷ 將 xz 平面作為ε平面，根據(jù)脊椎棘突和肩胛骨內(nèi)緣對ε平面進行標定，參考傳統(tǒng)中醫(yī)穴位位置的描述確定背部穴位在投影平面上的坐標[5]。

根據(jù)上述方法，我們對人體軀干部部分穴位進行了定位，并三維顯示，顯示效果如圖3所示。

圖3

4 結(jié)束語

本文對有中醫(yī)特色的人體三維醫(yī)學影像學進行了研究，對人體穴位在三維圖像上的定位，針對肌肉的三維分割，建立虛擬人模型，實現(xiàn)中醫(yī)針灸三維影像瀏覽等多個方面進行了深入的探討，初步實現(xiàn)了中醫(yī)針灸穴位三維醫(yī)學影像重建。

現(xiàn)代醫(yī)學影像學在研究內(nèi)容上充實了傳統(tǒng)中醫(yī)學。隨著現(xiàn)代醫(yī)學影像學的發(fā)展，產(chǎn)生了各種各樣的醫(yī)學成像手段，在人體解剖圖像上不能被區(qū)分的“穴位”組織，可以通過一定的影像學手段找到一些蛛絲馬跡。這一切，對于研究和論證傳統(tǒng)中醫(yī)學的解剖組織基礎(chǔ)、生理機制都有非常大的幫助。現(xiàn)代醫(yī)學影像學結(jié)合多媒體技術(shù)的發(fā)展，將給傳統(tǒng)中醫(yī)學知識的傳播和發(fā)展帶來新的契機。

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