一種人體臀部肌肉-骨骼系統的3D建模方法

劉圣慧 曲云霞 高曉星 李欣業 侯書軍 李慨

摘要 坐具是人們工作和生活常用工具，其舒適性直接影響人體健康。研究使用不同坐具時人體臀部肌肉-骨骼的受力情況，成為了改善坐具性能的重要研究方法。Spiral computed tomography （CT）， Magnetic Resonance Tomograph （MRT）斷層掃描數據可以觀察不同片層組織變形情況，但是很難量化應變能、剪切力等力學參數。為獲取坐姿狀態下臀部組織、骨骼的力學特性，需要建立其姿態下的3D生物力學模型。由于國內尚未引進坐姿的MRI設備，坐姿情況下的臀部外廓形提取成為了建立模型時需要解決的重要問題。為解決這一難題，搭建了可用于模仿坐姿的臀部外廓形測量系統。通過Mimics、Solidorks、Geomagic studio等軟件工具建立了臀部-肌肉骨骼系統的3D生物力學模型。該模型可通過有限元仿真，深層次地分析臀部組織內層的受力情況，從而用于座椅及輪椅的舒適性研究或壓瘡的病理研究。

關 鍵 詞 CT斷層掃描數據;坐姿;3D肌肉-骨骼模型;Geomagic studio;Solidworks

中圖分類號 TP391 ? ? 文獻標志碼 A

0 引言

隨著工業化和現代化的不斷發展，座椅成為了辦公或休閑的主要用具[1]。辦公人員平均工作時間為8 h，由于長時間與坐具接觸，由坐具舒適性問題導致的肌肉-骨骼疾病日益凸現出來[2-4]。另一方面，隨著中國逐漸步入老齡化社會[5]，輪椅作為行動不便老人和下肢癱瘓病人的主要坐具，需求量激增。由于這些人平均每天長達12 h的輪椅使用時間，不合理的座面設計導致人體臀部長時間承受過載外力，嚴重者會形成壓瘡[6-7]。為了提升坐具的舒適性，降低相關疾病的發生率，國內外越來越多的研究人員對坐姿情況下的臀部肌肉、骨骼的受力進行研究。Moerman等[8]通過MRI技術建立特定個體的臀部的有限元模型，用于分析人體坐于不同坐具時臀部組織的受力情況。但是其建立的模型，并不是人體完全的坐姿狀態。Irini等[9]通過Upright MRT獲取的數據，提取人體坐姿情況下的肌肉-骨骼信息，建立了坐姿狀態下臀部模型。Sonenblum等[10]比較兩種輪椅坐墊（一種為平面座面，一種為坐骨骨節下方材料去除座面）的性能。通過試驗者在坐姿MRI設備中分別使用兩種坐墊，觀察兩組數據中肌肉-骨骼受力的區別。本文建立臀部廓形的測量系統，包括人體姿態定位裝置和Go！SCAN50三維掃描系統，解決了由于國內尚沒有坐姿的MRI設備，建立臀部坐姿的有限元模型存在困難的問題。并利用Mimics與Geomagic，Solidworks ?3款軟件，建立了坐姿的肌骨模型，可用于壓瘡的機理及座面舒適性設計等方面研究。肌肉-骨骼系統建模流程圖如圖1所示。

1 人體臀部肌骨系統建模

1.1 應用設備及軟件概述

Go！ SCAN50是加拿大Creaform公司生產的一款便攜式的3D掃描設備，可提供較大范圍掃描，并且測量速率非常快。這些優秀的性能，使得較大面積的人體廓形掃描工作得以順利展開。

Geomgic Studio軟件是Geomagic公司的一款逆向軟件，可根據任何零部件通過掃描自動形成精確的數字模型。本論文利用軟件的處理功能對掃描后的骨骼、臀部廓形曲面進行修潔和優化。

Solidworks軟件是由美國Solidworks公司推出的功能強大的三維機械設計軟件系統。在Solidworks裝配體模塊中，具有強大的可以檢測干涉等的功能。為曲面形狀復雜的三維實體的裝配，提供了判斷方法。

Mimics是一款醫學影像處理軟件，用于CT等斷層數據快速形成模型[11]。本次研究中，主要使用Mimics根據二維的醫學圖像數據創建三維骨骼模型，提取出骨盆和股骨，將其導入Geomagic studio軟件中處理。Mimics軟件是實現生物力學分析的前提，也是連接斷層掃描數據與快速原形制造的橋梁。

1.2 坐姿臀部外廓形測試系統搭建及核心功能分析

坐姿臀部3D肌肉-骨骼模型的建立可為壓瘡病理研究和座面優化設計提供輔助。但是，目前國內CT、MRT設備只能獲取人體平躺時的臀部肌肉組織外輪廓。由于坐姿的特殊性，依靠這些設備很難實現臀部未受壓狀態下坐姿廓形的提取。

為解決這一測量問題，本文建立了反求臀部廓形的測量系統，用于模仿人體坐姿時臀部的定位和數據采集，確保獲得測試者與標準坐姿一致完整臀部廓形。如圖2所示，志愿者豎直坐姿坐于座椅上，其上身與大腿之間的夾角，記為夾角∠1（108°）[12]。然后志愿者擺放好掃描時的位姿，如圖3所示，人體的腹部與其身下的定位平面完全貼合，調整下肢與上半身角度∠2與圖2中∠1相同，人體的臀部與其臀部后側定位裝置完全貼合。待定位完成后，人體保持其姿勢，撤走其臀部后方的定位平面，利用Go！ SCAN50型號的手持式三維掃描設備對模仿坐姿人的臀部廓形進行掃描。

本文中掃描臀部的志愿者與CT數據提供的志愿者為同一人，因此臀部尺寸信息與CT骨骼信息可以完全匹配。志愿者信息如表1所示。

Go！ SCAN50 3D掃描設備及其軟件系統如圖4所示，軟件視窗中可以看到掃描后的彩色信息。坐姿臀部外廓形測量系統框圖如圖5所示。將掃描結果導入Geomagic Studio 軟件中，如圖6所示，進行刪除噪點、曲面修補工作，確保后期的曲面網格劃分等有限元工作的順利展開。在處理曲面片過程中，需要在保證外廓形不變的情況下，盡可能減少曲面片的數量，并將尖點等地方光順，否則后期進行有限元分析時會影響網格質量。

2 模型處理

本文中臀部掃描廓形的處理和骨骼的修潔、封裝工作均在Geomagic Studio中進行。由于兩者處理過程類似，骨骼處理較為復雜，因此選擇骶髂關節部分作為操作思路的描述重點。

2.1 骨骼修潔工作

本文中使用Mimics處理CT圖像，如圖7所示。在使用Mimics所提取出的骨骼模型時，由于灰度值的丟失，存在孔洞、粘連不需要的碎片如圖8所示。修潔部分的工作可以利用Mimics中的Edit功能一層層修改，但非常耗時。本文應用Geomagic Studio軟件中曲面修復、光順等功能，實現骨骼模型的快速修潔工作。

由于骨骼表面存在圖像信息缺失，破損處較多，需要對這些地方進行修補。修補區域不同，選擇的方法也不同。特別是對于曲率復雜的曲面，如果添補方式選擇不對，可能導致曲面過渡不均勻，增大骨骼的幾何誤差。為此，本文在修復曲率和面積較大的曲面時，首先采用搭橋的途徑，將其分割為幾個小的曲面，再進行按照曲率填充破損地方，這樣可以保證按照骨骼原有曲率光滑過渡，骨骼尺寸不失真。

提取的骨骼信息存在曲面片的數量龐大、局部有重疊現象。本文在固定邊界的基礎上，通過簡化命令，將曲面片數量降低為之前曲面片數量的50%。

在建立模型過程中，由于骶髂關節曲面形狀非常復雜，如圖9a）所示，在后續劃分網格過程中，會使得網格數量激增并且會導致網格劃分的質量降低。為了解決這一問題，將骨骼模型進行簡化，通過Geomagic中的修潔命令將骶孔填充，整合為較大的平面，并將骨骼與骨骼連接地方的小面、畸形的面進行刪除整理，修改后的髂骨如圖9b）所示。

骨骼修潔過程考慮因素較多，操作流程圖如圖10所示。

2.2 精確曲面

完成骶髂關節模型初步修潔工作后，使用精確曲面功能擬合骨骼表面碎小曲面片，成為規則的曲面，如圖11a）所示。骶髂部分骨骼曲率大，需要使用精度更高的探測輪廓線的方法來手動添加輪廓線。骨骼細節面較多，因此在探測輪廓線時需要將靈敏度調整為80。通過手動的形式添加細節地方的輪廓線， 在計算完輪廓線后，就可以看出細節局部會用更多的小曲面片去擬合，精度也就更高。對于沒有明顯特征的規則曲面，可以減少輪廓線，整合為較大的曲面。

精確曲面中，對提取的輪廓線進行微調整，松弛輪廓線使得曲線過渡更加自然。在構造曲面片時，可根據需求制定曲面片數量也可以自動評估，之后進行構造格柵，通過格柵的質量可以看出構建網格質量，如圖11b）所示，全部呈現藍色即為比較理想的格柵，圖11c）即為擬合出來的較為理想的曲面。爾后進行偏差分析，查看擬合后的曲面是否符合精度要求。如圖11d）所示，大部分區域呈現綠色，小部分骨骼凸起部位呈現紅色，表示誤差值在允許的范圍內（±1 mm），模型符合要求。此步完成后，在Geomgic中的處理工作結束，即可保存為.iges格式在三維軟件中進行處理。精確曲面操作流程如圖12所示。

在臀部肌肉-骨骼系統建模過程中，由于肌肉、皮膚、筋膜、血管等軟組織材料屬性接近，本文忽略這些差異，簡化處理為一個整體，提高建模效率。如果后續研究有需要，可對特定部分進行肌肉細分[13]。圖13為本文所使用的股骨，圖14為本文所使用的臀部軟組織實體。

3 肌肉-骨骼模型裝配

在分別完成肌肉和骨骼部分建模及處理后，應用三維軟件SolidWorks進行精確的裝配。裝配過程骨骼的旋轉角度以及肌肉與骨骼的配準是非常關鍵的。肌肉-骨骼快速裝配流程如圖15所示。

在判定骨骼和臀部軟組織的配準時，需要測量CT數據中，臀部骨骼到軟組織的平均距離。由于導出的臀部坐姿的軟組織為實體，裝配體中需要將骨骼所占據的空間通過布爾運算刪除。本文在零件中通過組合功能完成這步操作。將主體選為肌肉，被減對象選為骨骼。但是骨骼和組合后的組織在裝配體中裝配是個難題。這是由于骨骼曲面復雜，很難通過手動調整，使得骨骼和組織邊界完全吻合。為解決這個難題，在進行組合時，通過X、Y、Z軸數據的調整，完成骨骼與組織的配準。在裝配體骨骼和臀部軟組織裝配時，需要選擇兩者的3個基準面配合的方式，將基準面間的距離設定為X、Y、Z軸調整的數據。這樣可以保證這兩部分的完整吻合，降低出現干涉情況的概率。圖16為Solidworks中裝配完的臀部模型。

4 結論

本文針對國內沒有坐姿MRI等設備的問題，搭建人體坐姿外輪廓測量系統，解決了建立臀部坐姿有限元模型困難的問題。同時提出了一種臀部肌肉-骨骼的建模方法，首先將CT采集的斷層的數據導入Mimics醫學軟件中，通過建立蒙皮、分割、區域增長等操作將所需骨骼提取。提取的骨骼在Geomagic軟件中進行修潔處理和精確曲面操作。將提取的骨骼在Solidworks中進行角度調整，之后將骨骼和臀部組織在軟件中進行布爾運算和精確裝配。通過Mimics，Geomagic，Solidworks三款軟件建立了3D坐姿臀部肌骨模型。所建立的3D坐姿的臀部肌骨模型，對壓瘡的機理及座面舒適性研究等方面研究有指導性意義。

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[責任編輯 ? ?楊 ? ?屹]