基于MRI的人體個(gè)性化三維實(shí)體建模

薛 飛 郭艷麗

（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

人體模型主要應(yīng)用于服裝、體育、工程、軍事、生物醫(yī)學(xué)以及社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域，一直以來(lái)都是人們研究的熱點(diǎn)之一，特別作為計(jì)算機(jī)人體仿真的基本組成部分，模型準(zhǔn)確程度對(duì)于研究結(jié)果有重要的影響。2002年清華大學(xué)鄭秀媛課題組完成發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)人體參數(shù)模型。實(shí)際研究應(yīng)用中，需要根據(jù)應(yīng)用的不同參數(shù)資料，創(chuàng)建出三維人體的形狀及應(yīng)用相應(yīng)模型參數(shù)。而目前在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真研究中，多將人體環(huán)節(jié)近似為圓柱體，橢圓體等三維形狀，然后應(yīng)用人體模型標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這種應(yīng)用存在很大的方便性，但與人體實(shí)際形狀存在較大的差異，因此在質(zhì)量分布等方面與實(shí)際分析個(gè)體存在較大的誤差；同時(shí)，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)主要研究運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技術(shù)，而運(yùn)動(dòng)員的身體參數(shù)大多處于通用人體參數(shù)模型的極值區(qū)域，例如排球隊(duì)員高挑，體操隊(duì)員比較敦實(shí)，應(yīng)用通用人體參數(shù)模型也會(huì)存在比較大的誤差。因此，個(gè)性化的人體模型建立對(duì)于研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有更大的保證。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料了解到，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中，個(gè)性化的三維人體建模尚處于空白的狀態(tài)。

三維建模從最初的基于幾何造型的線框建模、 曲面建模、實(shí)體建模發(fā)展到現(xiàn)在的基于特征的行為建模等，已有多種建模方法相繼出現(xiàn)，一批專(zhuān)業(yè)的建模軟件如：Maya、Pro/E(Pro/Engineer)等在人體建模方面都有很出色的表現(xiàn)。Pro/E 軟件系統(tǒng)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，同時(shí)基于特征的實(shí)體建模，是當(dāng)今CAD 技術(shù)的先進(jìn)建模方法之一。本研究嘗試以一個(gè)人的全身磁共振掃描圖片（MRI）為基本資料，在Pro/E 軟件中建立人體三維實(shí)體模型。

1 材料與方法

1.1 材料

圖1 人體各部分橫斷面的MRI 圖片

本次研究所用的MRI 圖片是對(duì)1 位男青年進(jìn)行全身MR掃描獲取圖像。拍攝MRI 所用MR 儀為1.5T Horizon Lx echo speed(GE／美國(guó))，拍攝過(guò)程中視窗(FOV)設(shè)定為軀干48cm×48cm，下肢和腳掌30cm×30cm，上肢20cm×20cm，頭頸40cm×40cm。掃描每張圖片厚度為1cm，全身掃描，掃描后文件轉(zhuǎn)化為為JPG 圖像格式，人體各部分MRI 如圖1 所示。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換以及人體立體點(diǎn)數(shù)據(jù)文件的建立

MRI 圖片中能夠分辨出各種組織器官，采用Matlab 軟件編程提取圖片中人體各環(huán)節(jié)邊界二維坐標(biāo)值。在輪廓提取的過(guò)程中，對(duì)于邊緣輪廓彎曲幅度較大的，我們采取提高取點(diǎn)的密度，并進(jìn)行插值的方法減小誤差。

根據(jù)MRI 圖片在拍攝過(guò)程中的FOV，設(shè)定轉(zhuǎn)化公式為：Y=X*FOV/512，將Matlab 采集的數(shù)據(jù)調(diào)入Excel 中完成數(shù)據(jù)真實(shí)值的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)提取和轉(zhuǎn)換的二維數(shù)據(jù)，結(jié)合每一張MRI 代表身體表面1cm 厚度的外表輪廓，建立人體三維的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，創(chuàng)建成Pro/E 應(yīng)用的ibl 格式文件:

open

arclength

begin section！ 1

begin curve！ 1

106.15 117.87 10

106.57 116.16 10

… … …

… … …

105.82 120.11 10

106.15 117.87 10

手動(dòng)將每條曲線的首尾坐標(biāo)修改一致，保持曲線的閉合。修正明顯極值點(diǎn)，在保證曲線真實(shí)性的情況下保持曲線的光滑。將各點(diǎn)文件調(diào)入Pro/E 中進(jìn)行曲線真實(shí)性檢驗(yàn)。

1.2.2 導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維人體建模（大腿為例）

利用基準(zhǔn)曲線插入功能將大腿輪廓數(shù)據(jù)調(diào)入Pro/E 中，調(diào)入腿部曲線輪廓（圖2），利用邊界混合特征制生成腿部曲面特征模型（圖3）。

圖2 選擇之后的腿部曲線

圖3 腿部曲面模型

利用拉伸特征將大腿的兩端封閉使之形成一個(gè)封閉的整體(圖4)，利用邊界混合曲面功能中實(shí)體化功能將封閉后的曲面實(shí)體化（圖5）。

圖4 拉伸后封閉的整體

圖5 最后實(shí)體化模型

2 結(jié)果

在MRI 圖像的基礎(chǔ)上，重建出了人體三維模型（圖5-9）。

圖5 手掌

圖6 腳掌

圖7 手臂

圖8 大腿

圖9 軀干及臀部

圖10 頭頸

Pro/E 中構(gòu)建的模型，輸入材料密度后，質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等人體參數(shù)均可自動(dòng)生成，利用Pro/E 與其他分析軟件之間數(shù)據(jù)無(wú)縫連接這一特點(diǎn)將模型調(diào)入專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)分析軟件如ADMAS，可以直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

3 討論

在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，曲線的真實(shí)與光滑程度直接影響曲面及整個(gè)三維實(shí)體的生成情況。對(duì)曲線的點(diǎn)的檢查是構(gòu)建曲面之前最重要的工作。本文所用的MRI 圖片厚度為1cm，圖片厚度對(duì)最后形成的模型的準(zhǔn)確性有一定的影響，特別是曲度變化較大的部分最后出來(lái)的圖像會(huì)出現(xiàn)褶皺部分太多的情況。

人體環(huán)節(jié)的劃分比較復(fù)雜，在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)，對(duì)于運(yùn)用Pro/E 掌握技術(shù)要求高，筆者不能完成掌握好其所有功能，對(duì)其運(yùn)用熟悉程度也有限，在運(yùn)用軟件上存在自身的局限性，因此該研究只能作為拋磚引玉的初級(jí)作品。另外，按環(huán)節(jié)劃分實(shí)體建模還需要進(jìn)一步的探索。

[1]歐宗瑛，宋濤，李暉等.基于CT、MRI 斷層圖像的人體三維建模[J].焦作大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年02期.

[2]黃承亮.三維激光掃描技術(shù)在人體三維建模中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪，2013年01期.