人體建模技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

楊春子 戴彩艷 蘇傳琦

摘要：人體建模技術(shù)是利用計算機(jī)對圖像參數(shù)的智能化三維處理，再現(xiàn)了人體組織的特征，大幅度提高了當(dāng)代醫(yī)學(xué)對人體的研究速度，并在3D打印、醫(yī)學(xué)三維動畫、醫(yī)學(xué)模擬仿真等醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域都有長足的貢獻(xiàn)，對醫(yī)學(xué)研究及臨床應(yīng)用具有重要意義。本文概述了人體建模技術(shù)，對其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析，以標(biāo)準(zhǔn)男性頭骨建模過程為例，總結(jié)了該技術(shù)的具體應(yīng)用，旨在為該技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：骨骼;建模技術(shù);生物3D打印

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.13.005

文章編號：1006-1959（2020）13-0016-02

Application of Human Body Modeling Technology in Medicine

YANG Chun-zi，DAI Cai-yan，SU Chuan-qi

（School of Artificial Intelligence and Information Technology，Nanjing University of Traditional Chinese Medicine，

Nanjing 210023，Jiangsu，China）

Abstract：Human body modeling technology is to use computer intelligent three-dimensional processing of image parameters to reproduce the characteristics of human tissue， greatly improve the research speed of contemporary medicine on human body， and make great contributions in 3D printing， medical three-dimensional animation， medical simulation and other medical related fields， which is of great significance to medical research and clinical application. this paper summarizes the human body modeling technology， analyzes its application in the field of medicine， takes the standard male skull modeling process as an example， and summarizes the specific application of this technology， which aims to provide a reference for the application of this technology in medicine.

Key words：Bones;Modeling technology;Biological 3D printing

在20世紀(jì)80年代，以計算機(jī)為核心的數(shù)字化處理技術(shù)快速發(fā)展，也在一定程度上促進(jìn)了軟件建模技術(shù)，其在工業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域都起到了巨大的作用。近幾年人體建模技術(shù)與飛速發(fā)展的生物3D打印技術(shù)相互配合，利用人造蛋白材料可再造骨骼或軟骨，為許多骨科疾病的患者帶去了福音。同樣這種技術(shù)也可以再造人體內(nèi)重要器官、組織結(jié)構(gòu)，讓器官移植不再受限于人與人之間。在同一時期，三維數(shù)字動畫也應(yīng)運而生，所謂三維動畫，即是3D動畫，不受制于空間、時間、地點、條件、對象的限制，其可以模擬真實物體，擁有高精準(zhǔn)性、強(qiáng)真實性和可操作性，并將復(fù)雜、抽象的醫(yī)學(xué)理論簡化、形象、生動的形式表現(xiàn)出來。在計算機(jī)模擬與建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，建模仿真技術(shù)也得以快速發(fā)展，該技術(shù)利用所研究對象的各類行為和屬性參數(shù)來模擬該實體，可以將參數(shù)特性單獨作為仿真系統(tǒng)的一部分，也可以將其與模擬的實體相結(jié)合，用來替代試驗對象，在醫(yī)學(xué)臨床模擬實驗領(lǐng)域很受歡迎。本文主要介紹人體建模技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并以頭骨建模為例，分析其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的不可替代性。

1人體建模技術(shù)概述

建模就是建立模型，是為了理解事物而對事物做出的一種概念抽象，對事物的立體化的展示，主要分為實物建模和非實物建模。關(guān)于人體建模的方法眾多，但在醫(yī)學(xué)上主要以三維數(shù)字建模為主，因該建模方法是以現(xiàn)有的事物利用接觸式或非接觸式的掃描儀進(jìn)行掃描，并獲得實物的點云數(shù)據(jù)，再利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的曲面模型重建，從而對模型進(jìn)行二次設(shè)計的優(yōu)化處理，最終可以加工出精細(xì)度較高的實物，從而滿足醫(yī)學(xué)對模型高精度的要求[1]。

2人體建模技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 3D打印技術(shù)在臨床治療中的應(yīng)用? 當(dāng)下較為熱門的3D打印技術(shù)就是以三維數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用一些特殊的可粘合材料，通過逐層打印的方式將材料構(gòu)筑成既定模型的技術(shù)，無需機(jī)械加工或者模具，僅需要有計算機(jī)制作成的精確三維圖形即可，這種技術(shù)大大降低了高精度模型制作的難度，并且提供了一種快速，成本低，高效率的制作方法[2]。3D打印技術(shù)的應(yīng)用面較為廣泛，包含醫(yī)學(xué)教育、臨床、康復(fù)等各方面，主要用途有醫(yī)學(xué)模型制作、手術(shù)策劃、定制醫(yī)學(xué)植入體等。如需要打印患者心臟，骨骼以及代替結(jié)構(gòu)的時候，利用患者病變結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入建模軟件，利用合理的建模技術(shù)，可獲得一個完善且高精度的人體代替結(jié)構(gòu)。在打印時，以生物材料為主，可制作出“人造”人體結(jié)構(gòu)[3]，一方面對于患者來說，大大降低了醫(yī)療費用，縮短醫(yī)療周期;另一方面，對于醫(yī)療機(jī)構(gòu)，不僅提高治療的效率，也一定程度減少了醫(yī)療成本。

2.2三維動畫在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用? 與二維動畫不同，三維動畫可以更好的引起大眾的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高教學(xué)的質(zhì)量。利用計算機(jī)可以建立虛擬環(huán)境，采用建模技術(shù)建立場景中的模型，并根據(jù)模型的動作來制定模型的運動軌跡以及模型的變化曲度，同時在場景內(nèi)設(shè)置虛擬的攝影機(jī)來對模型的運動路徑進(jìn)行錄制記錄運動參數(shù)。為了加強(qiáng)真實性，可對模型進(jìn)行不同材質(zhì)的渲染，讓模型更加逼真，使人產(chǎn)生更強(qiáng)的交互感，有利于普及一些復(fù)雜深奧的醫(yī)學(xué)知識，直觀生動[4]。

2.3醫(yī)學(xué)模擬研究? 醫(yī)學(xué)模擬研究技術(shù)是應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助于某些參數(shù)計算并建模，反映系統(tǒng)行為或者過程的仿真模型技術(shù)[5，6]。在醫(yī)學(xué)中，由于某些實驗的特殊性，需要在模型上反復(fù)模擬實驗過程才能保證后續(xù)的實體實驗效果，如疫苗臨床試驗，其需要大量試驗數(shù)據(jù)支持，因此只有該模型與被模擬的實體之間的差距越小，模擬實驗的真實性與準(zhǔn)確性才會越高，對于后續(xù)的實體實驗才會更有利，而這個條件離不開更為精準(zhǔn)的人體建模技術(shù)。主要的建模方法是從實驗實體上取得相關(guān)的物理參數(shù)作為基礎(chǔ)，利用建模工具和特殊的實驗材料刻畫出于實驗實體近似的仿真模型，并將在該模型上試驗得到的參數(shù)變?yōu)槟M系統(tǒng)的一部分，為后續(xù)的醫(yī)學(xué)實驗提供了大量的參考數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，甚至可以做出相關(guān)的病變預(yù)測，如心血管建模仿真系統(tǒng)，就是將該技術(shù)與人體建模技術(shù)相配合，做出仿真人體心血管結(jié)構(gòu)。

3基于Maya建模軟件案例分析

3.1建模前期準(zhǔn)備? 建立標(biāo)準(zhǔn)男性頭骨，因此需了解并掌握頭骨的構(gòu)造。頭骨作為人骨中最復(fù)雜的部分，總共有23塊骨頭，其中由額骨、頂骨、蝶、枕骨等8塊骨構(gòu)成顱腔，作為大腦的保護(hù)和容納地區(qū)，而面顱骨位于頭的較前下方，由鼻骨、顴骨、淚骨、上頜骨和下頜骨等15塊骨構(gòu)成口腔，并與腦顱共同構(gòu)成鼻腔和眶。

3.2建模過程? 在標(biāo)準(zhǔn)視野中建立一個標(biāo)準(zhǔn)的正方體，把其長寬高的段數(shù)改為二段，即將正方體切割成8塊，并將正方體的表面參數(shù)改為在smooth，使得其表面更加圓滑，棱角減少;緊接著找出標(biāo)準(zhǔn)視野中調(diào)整模型的模型大致需要凹陷或突出的地方，即兩處眼窩和牙齒周圍進(jìn)行凹陷處理，顴骨周圍，鼻骨等做突出處理，做出修改的界定范圍;然后在標(biāo)準(zhǔn)視野中將模型在正視圖的一半刪掉，用關(guān)聯(lián)方法復(fù)制另外一半，就可以做出完全對稱的模型，接著對復(fù)制的一半做光滑代理，同時在眼部，鼻部，下巴處分別設(shè)置縱向和橫向的環(huán)行線，以作為每個部位的走勢參考標(biāo)準(zhǔn);為使得模型所具有的參數(shù)點變多，方便微調(diào)整，加大模型的段數(shù)，并開始在特定范圍向內(nèi)向外擠壓模型，將模型該空缺的部分標(biāo)出并刪除，形成“穴”，最后在刪除的邊緣部分做銜接并加寬，使得刪除的邊具有厚度，大致的骨骼造型就完成了，見圖1。

3.3模型渲染? 在原始的建模場景中，模型是不具有材質(zhì)特性的，呈現(xiàn)出灰色狀，不能很好的表現(xiàn)出模型該有的外部特征，因此利用Shade等渲染工具讓模型顯示出簡單的燈光效果、陰影效果和表面紋理效果等，讓其呈現(xiàn)出更逼真的狀態(tài)，見圖2。

3.4建?？偨Y(jié)? 通過頭骨建模案例能夠更加直觀的體現(xiàn)人體建模技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的運用。人體骨骼、器官組織、DNA分子結(jié)構(gòu)都可以通過建模技術(shù)實現(xiàn)，并投入到醫(yī)學(xué)科研工作中。建模技術(shù)在人體仿真組織建造、醫(yī)學(xué)教育等等醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域，都發(fā)揮了巨大的作用，為人類的健康做出了突出的貢獻(xiàn)。相信在未來，人體建模技術(shù)也會更加成熟，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也會更加深入與完善。

4展望

人體建模技術(shù)作為20世紀(jì)興起的技術(shù)，正在快速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上也是日趨成熟，涉及廣泛，尤其在制作人體結(jié)構(gòu)上起到不可小覷的作用。近年來利用建模技術(shù)，已經(jīng)可以制作出細(xì)胞級別的人體結(jié)構(gòu)。今后，隨著醫(yī)學(xué)科技的不斷發(fā)展，利用患者的自身細(xì)胞模型特點，制作大型可替代人體器官結(jié)構(gòu)，可替代以人為源頭的器官將不再是設(shè)想。而在醫(yī)學(xué)教育方面，將來可以利用高精度逼真人體組織模型，代替真人解刨，降低醫(yī)用成本并加速醫(yī)學(xué)研究同樣是可期望的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王加欽，李濤浪，唐守剛，等.人體三維數(shù)字化建模技術(shù)研究[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（13）：110-112.

[2]王克迪.3D打印技術(shù)的理論和實踐[D].中共中央黨校，2015.

[3]王慶大，李波.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].重慶醫(yī)學(xué)，2016，45（1）：126-128.

[4]趙曉慧，佘侃侃，蔡雨婷，等.基于Maya技術(shù)的交互式中醫(yī)養(yǎng)生運動視頻制作[J].醫(yī)學(xué)信息，2018，31（18）：13-15

[5]鮑春波.生物軟組織建模仿真方法研究[D].大連理工大學(xué)，2008.

[6]黃將誠.人體下肢骨骼肌建模及其運動仿真研究[D].蘭州理工大學(xué)，2017.

收稿日期：2020-04-13;修回日期：2020-04-25

編輯/杜帆

基金項目：江蘇省青年基金項目（編號：BK20180822）

作者簡介：楊春子（1999.4-），女，安徽蚌埠人，本科

通訊作者：蘇傳琦（1980.6-），男，天津人，碩士，講師，主要從事中醫(yī)動漫及信息化研究