3DsM ax軟件用于人體軟組織器官形變模擬的研究

楊 震，盧虹冰

0 引言

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)日益發(fā)展的今天，三維可視化[1]和虛擬仿真[2]已經(jīng)大量應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)以及醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。通過諸如計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層成像（PET）以及單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）等手段得到的連續(xù)斷層圖像，都是適合進(jìn)行三維重建的有效醫(yī)學(xué)圖像[3]。對(duì)于軟組織的研究工作，高度的非線性、非均勻的特點(diǎn)造成了對(duì)其形變分析的困難性。當(dāng)前，國內(nèi)已經(jīng)對(duì)其方法進(jìn)行了大量的研究工作，開發(fā)了諸如彈簧振子模型[4]、有限元模型[5]等方式。但這些方法都需要大量的內(nèi)存來進(jìn)行演算，計(jì)算速度慢，難以應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)研究。鑒于此，尋找一個(gè)精度高、計(jì)算速度快的模擬方式，就成為軟組織性態(tài)分析工作的重點(diǎn)。

3DsMax作為一款動(dòng)畫軟件，提供了一套完整的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和粒子系統(tǒng)，并且有著運(yùn)算速度快、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。從其逼真的碰撞效果和精確的肌肉形變，我們看到了其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的真實(shí)性。如果將每個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)粒子，直接套用進(jìn)3DsMax的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是否可以直接依靠這一款動(dòng)畫軟件進(jìn)行軟組織形變的力學(xué)模擬分析并不確定。以下，我們將分3步來進(jìn)行討論。

1 方法

1.1 基于影像的3DsMax模型形變模擬原理

1.1.1 軟組織器官三維形態(tài)的提取

基于患者影像進(jìn)行分割提取后，獲得相應(yīng)軟組織器官的三維形態(tài)模型[6-7]，輸入3DsMax。

1.1.2 節(jié)點(diǎn)區(qū)域的劃分

依靠3DsMax動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析模擬軟組織，即利用3DsMax軟件，首先對(duì)軟組織模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)域劃分，優(yōu)先區(qū)分出正常區(qū)域、病灶區(qū)域。根據(jù)器官性態(tài)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)域細(xì)分，劃出肌肉區(qū)域、皮膚區(qū)域、脂肪區(qū)域等。然后對(duì)各個(gè)區(qū)域的整體屬性進(jìn)行賦值，設(shè)置它的質(zhì)量、剛度、阻尼、彈性、摩擦系數(shù)等。賦值完畢之后，即代表各區(qū)域有了該區(qū)域單獨(dú)的屬性特性。

1.1.3 節(jié)點(diǎn)間關(guān)系的設(shè)置

對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置約束。同區(qū)域內(nèi)，由于位置不同、受力先后等問題，必然會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)之間的力的關(guān)系。設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系鏈，力的繼承順序就是這一步驟的重點(diǎn)。將區(qū)域內(nèi)的不同位置的節(jié)點(diǎn)加以劃分，分出最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)作為約束中心或者父級(jí)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)父級(jí)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，依次設(shè)置下一級(jí)的子級(jí)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域大小，可以調(diào)整至以小區(qū)域面片作為父級(jí)或約束中心，即3DsMax軟件動(dòng)力學(xué)功能系統(tǒng)中的附加至變形網(wǎng)格，以簡(jiǎn)化因設(shè)置的節(jié)點(diǎn)關(guān)系過多而造成的設(shè)置工作復(fù)雜化。

1.1.4 區(qū)域間關(guān)系的設(shè)置

對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置約束。不同的區(qū)域間受力時(shí)會(huì)有相互的作用力，在設(shè)置好區(qū)域基礎(chǔ)屬性以及區(qū)域內(nèi)關(guān)系后，就要詳細(xì)地設(shè)置區(qū)域間的運(yùn)算關(guān)系，從而達(dá)到真實(shí)模擬受力情況的效果。在區(qū)域間的關(guān)系設(shè)置上，可參照之前進(jìn)行約束和子父級(jí)設(shè)置的步驟，對(duì)大小區(qū)域直接進(jìn)行關(guān)系附加。這里需要注意的是，由于這些區(qū)域肯定是面片或者體模型的結(jié)構(gòu)，所以，在附加約束時(shí)要注意全部按照附加到變形網(wǎng)格的方式進(jìn)行。例如設(shè)置皮膚區(qū)域和脂肪區(qū)域之間的鏈接時(shí)，就以2個(gè)接觸面作為約束的上下層關(guān)系進(jìn)行附加操作（由于區(qū)域關(guān)系設(shè)置和節(jié)點(diǎn)關(guān)系設(shè)置使用的修改器和設(shè)置方法完全不同，雖然目的相同，但是卻需要分開進(jìn)行）。

1.1.5 軟組織器官形變的仿真

我們?cè)谠Ｐ偷幕A(chǔ)上得到一個(gè)有著內(nèi)部受力關(guān)系的軟組織器官模型。得到模型之后，就可以通過3DsMax的修改器對(duì)某個(gè)區(qū)域附加一個(gè)鏈接動(dòng)畫來直接在預(yù)覽畫面進(jìn)行施力、擠壓、形變的模擬演示。比如我們通過斷層掃描重建了一個(gè)人體膀胱模型，為了模擬膀胱模型由于尿液充盈而造成的大小變化，將膀胱外壁鏈接至尿液模型上，就可以觀察到膀胱在尿液充盈時(shí)的形狀變化。

1.2 器官三維形態(tài)模型的有效文件選擇

通過各種斷層掃描得到的醫(yī)學(xué)圖像是需要進(jìn)行三維重建的，重建之后可以輸出成多種格式[8-9]。3DsMax可以讀取的文件格式很多，除了自身默認(rèn)的3Ds格式外，還支持包括OBJ、STL等十幾種格式[10]?？偨Y(jié)之后，包含節(jié)點(diǎn)信息的格式有如下幾種：

（1）3D Studio 網(wǎng)格（3DS、PRJ），是 3DsMax 的基礎(chǔ)格式，附帶模型和燈光，但是不包含uv（即貼圖在模型上的坐標(biāo)）。

（2）Flight Studio OpenFlight（FLT），是視覺模擬的常用格式之一，可在OpenFlight中進(jìn)行對(duì)象和屬性的編輯。

（3）IGES（IGE、IGS、IGES），這個(gè)格式用于從 3Ds-Max中導(dǎo)入、導(dǎo)出NURBS（非均勻有理B樣條曲線）對(duì)象。

（4）OBJ-importer（OBJ），這個(gè)文件格式支持導(dǎo)入模型的相關(guān)材質(zhì)和貼圖，同時(shí)支持uvw坐標(biāo)，是單獨(dú)保存模型的很不錯(cuò)的選擇。

（5）stereolitho（STL），該文件是以 stereolithography的格式保存對(duì)象數(shù)據(jù)，其文件擴(kuò)展名為“.STL”。它可以是ASCII-STL格式，也可以當(dāng)作一類二進(jìn)制STL格式。在導(dǎo)出3DsMax場(chǎng)景時(shí)，可以通過這種格式選擇需要?jiǎng)?chuàng)建的對(duì)象。STL文件經(jīng)常用于原型模型構(gòu)筑。

我們可以選用STL文件或者OBJ文件作為模型格式，因?yàn)檫@2種格式的文件無論是在3D動(dòng)畫領(lǐng)域，還是在醫(yī)學(xué)圖像研究領(lǐng)域，都屬于常見格式，有一定的廣泛性。二者的不同在于，STL文件可以直接通過mimics得到，而OBJ文件則需要前期進(jìn)一步依靠中間軟件生成。對(duì)2種文件格式的3DsMax導(dǎo)入進(jìn)行對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，STL文件無法直接使用3Ds-Max打開，需要從3DsMax的STL插件下進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)入時(shí)間較長(zhǎng)。導(dǎo)入后模型精度很高，對(duì)于需要精度高的模擬相對(duì)有利。導(dǎo)入之后的模型文件無法直接編輯，通過簡(jiǎn)單的“另存為……”操作，將原始的STL保存為3DS文件，再次打開即可顯示為可編輯面片形式的模型文件。由于精度高，故而節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，小的組織采用STL格式導(dǎo)入來進(jìn)行模擬的精確程度很令人滿意，而大的組織如果使用STL則會(huì)造成節(jié)點(diǎn)過多而加大前期區(qū)域節(jié)點(diǎn)關(guān)系賦予的工作強(qiáng)度，即降低了效率。

OBJ文件可以直接使用3DsMax打開，打開時(shí)間視模型的面數(shù)決定，越復(fù)雜的模型打開的時(shí)間越長(zhǎng)，而基本上在20萬面以下的模型，正常家用計(jì)算機(jī)都可以快速打開，打開的時(shí)間可忽略不計(jì)。OBJ文件在3DsMax中打開后，一般會(huì)顯示為可編輯面片模型，通過3DsMax的修改器可以自由地轉(zhuǎn)換為可編輯線模型或可編輯體模型，這點(diǎn)對(duì)于編輯、修改及屬性賦值十分有利。在節(jié)點(diǎn)數(shù)目方面，OBJ文件的節(jié)點(diǎn)數(shù)目同樣是前端在文件生成時(shí)確定的，在滿足模型精度的前提下盡量地減少節(jié)點(diǎn)，可以使屬性賦值的效率大大地提高。當(dāng)然，相對(duì)于STL文件，OBJ文件的精度下降也是十分明顯的。對(duì)于大體積的器官，OBJ文件則是大大提高模擬之前的分區(qū)、調(diào)整、賦值工作效率的最佳選擇。

綜上所述，通過CT、MRI、PET或者SPECT等方式得到醫(yī)學(xué)斷層掃描的圖像之后，只需要通過matlab、mimics等相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行三維重建并輸出成STL格式文件或OBJ文件，就可以得到在3DsMax中可編輯、賦值并進(jìn)行模擬分析的醫(yī)學(xué)模型。所以，模型的來源是非常廣泛并簡(jiǎn)單的。

2 人體膀胱的形變模擬

下面我們通過在3DsMax中對(duì)一個(gè)膀胱模型的簡(jiǎn)單模擬來對(duì)使用3DsMax軟件進(jìn)行力學(xué)模擬的方法加以簡(jiǎn)單闡述。

2.1 膀胱三維形態(tài)模型的建立

基于膀胱MRI成像，利用膀胱與尿液間的對(duì)比，提取膀胱壁的內(nèi)外邊界，建立三維模型并轉(zhuǎn)化為OBJ文件，然后在3DsMax中打開膀胱的OBJ模型文件（如圖1所示）。

圖1 模型打開的初始狀態(tài)

2.2 膀胱力學(xué)基礎(chǔ)屬性的賦值

選擇reactor softbody（reactor軟體）修改器并在選項(xiàng)卡中對(duì)其基礎(chǔ)屬性進(jìn)行賦值（如圖3所示），包括質(zhì)量、強(qiáng)度、阻尼及摩擦力，并選擇基于自由變形修改器（free form deformation，F(xiàn)FD）的性態(tài)。然后在stable configuration（穩(wěn)定配置）中設(shè)置初始的穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于復(fù)雜變形，可以選擇由初始幀作為穩(wěn)定狀態(tài)，即第0幀。對(duì)于碰撞或受力變形的模擬，則需要對(duì)第二項(xiàng)選項(xiàng)卡，即constraints（約束）選項(xiàng)卡中設(shè)置約束對(duì)象，通常是剛體或另一網(wǎng)格。

圖2 屬性欄選擇菜單界面

圖3 軟體修改器選項(xiàng)卡界面

在Editablemesh（可編輯網(wǎng)格）中選擇vertex（頂點(diǎn)），可以看到模型將頂點(diǎn)標(biāo)藍(lán)（如圖4所示）。

圖4 膀胱模型可選擇的節(jié)點(diǎn)

2.3 組織形變時(shí)各區(qū)域強(qiáng)度的設(shè)置

打開soft selection（軟選擇）選項(xiàng)卡，在模型中選擇關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)范圍后，調(diào)整falloff（衰減）的值來確定形變的影響強(qiáng)度。選擇好關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之后，可以在各個(gè)預(yù)覽視圖看到模型呈紅黃藍(lán)漸變，紅色為影響最大的點(diǎn)，藍(lán)色為影響最小的點(diǎn)（如圖5所示）。

圖5 膀胱模型外層受力關(guān)系區(qū)域

這里需要特別說明一下，對(duì)于更為復(fù)雜的組織模型，則考慮采用刷權(quán)重的方式來進(jìn)行影響力度的調(diào)整，比如骨骼對(duì)肌肉及脂肪的牽引造成的形變這類情況。

2.4 尿液的充盈

圖6 尿液模型位置調(diào)整

之后回到膀胱模型的頂點(diǎn)選擇中，在修改器中選擇linked X form（動(dòng)畫關(guān)聯(lián)），并將其付給之前選擇的關(guān)鍵點(diǎn)（如圖7所示），并在其選項(xiàng)卡下點(diǎn)擊pick controlobject（選擇控制物體）。由于之前的球體建立在膀胱模型內(nèi)部，選擇比較困難，我們可以通過單擊圖標(biāo)，或者按H鍵在對(duì)象名稱菜單選擇剛才的球體（如圖8所示）。

圖7 動(dòng)畫關(guān)聯(lián)選擇選項(xiàng)卡

圖8 模型元件選取菜單

關(guān)聯(lián)性動(dòng)畫只是相對(duì)簡(jiǎn)單的形變模擬，更多復(fù)雜的組織形變模擬需要再加入附加變形網(wǎng)格約束、各種剛性約束、對(duì)象內(nèi)屬性調(diào)整等方式來改變模型本身的節(jié)點(diǎn)關(guān)系來完成，方法也是大同小異，只是在過程中多加入一些步驟。

2.5 組織形變的模擬

經(jīng)過以上步驟，我們可以在預(yù)覽窗口看到球體對(duì)于膀胱的形變影響的模擬。通過selectandmove或者selectand uniform scale（選擇并放縮）這2個(gè)選項(xiàng)選擇球體進(jìn)行形變位移的方式，可以看到膀胱相應(yīng)的部分形變和位移。以上就是基本的模擬方法，對(duì)于更加復(fù)雜的軟組織器官，根據(jù)模擬原理，加入相應(yīng)的修改器，設(shè)置正確的參數(shù)，即可獲得相應(yīng)的模擬效果，并可以通過關(guān)鍵幀動(dòng)畫來輸出相應(yīng)的視頻。圖9中的3幅圖即為在不同的尿液充盈程度時(shí)膀胱的形變情況模擬。

圖9 膀胱在不同尿液充盈程度的模擬

3 討論

從上述例子可以看出，3DsMax軟件對(duì)于軟組織模擬是可行的，通過簡(jiǎn)單的賦值、節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，就可以模擬出理想的形態(tài)變化。但是這個(gè)“簡(jiǎn)單”僅僅對(duì)于性質(zhì)較為均勻、可近似看作均勻介質(zhì)組成的物體，或者相對(duì)性質(zhì)接近線性變化的物體。對(duì)于介質(zhì)組成較為復(fù)雜的、性態(tài)變化非線性的器官、組織或者物體，就需要通過大量的節(jié)點(diǎn)屬性賦值、子父級(jí)關(guān)聯(lián)性功能較完善、性能可靠、自我保障能力強(qiáng)的潔凈方艙，可以盡快將“急救平臺(tái)前移”，最大限度地減少“事故”人員死亡，降低傷殘程度；另外，對(duì)于完善我國應(yīng)急醫(yī)療急救系統(tǒng)，提高我國醫(yī)療急救水平，帶動(dòng)地區(qū)醫(yī)療設(shè)備研發(fā)是非常必要的。

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