基于參數(shù)化胸部模型的義乳定制設(shè)計(jì)

趙岳千卉 ，劉 馳，繆祥杰

(1. 西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來(lái)，乳腺癌的發(fā)病率連續(xù)上升。GLOBOCAN 2020數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，女性乳腺癌首次超過(guò)肺癌，已經(jīng)成為最常見(jiàn)的癌癥。2020年,乳腺癌新發(fā)病例為2 261 419例，占總體癌癥發(fā)病率的11.7%[1-2]。義乳又稱(chēng)人工假乳，一般裝在義乳保護(hù)套中，與義乳文胸結(jié)合使用。對(duì)于不能或不愿意接受乳房再造手術(shù)的乳腺癌患者，義乳不僅可以彌補(bǔ)身體缺陷，防止長(zhǎng)期重力失衡引起的脊柱側(cè)彎，還能增強(qiáng)自信，提高生活質(zhì)量[3]。然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，義乳的形狀、質(zhì)量等都無(wú)法很好的匹配乳房形態(tài)[4-6]。市場(chǎng)現(xiàn)有的義乳由于可供選擇的尺碼范圍有限，患者在佩戴時(shí)又存在個(gè)體的差異性，無(wú)法保證義乳與傷口表面完全貼合，影響穿著的舒適性。因此，以失乳人群傷口創(chuàng)面及胸部形態(tài)特征為參考定制義乳，從而改善乳腺癌術(shù)后患者穿戴義乳及義乳文胸的適體性，具有實(shí)際意義及研究?jī)r(jià)值。

目前，針對(duì)義乳定制的研究主要圍繞可采集形狀的水膠體乳房印模技術(shù)、基于還原自身彈性的乳房建模、仿生義乳的定制與評(píng)估等。SHENOY等通過(guò)印模技術(shù)采集患者的健側(cè)乳房模型，提出一種定制硅膠空心乳房外部假體的方法[7]。該義乳可以很容易地裝入文胸，而且柔韌、輕便，重現(xiàn)了天然乳房的解剖形態(tài)和輪廓,但制作繁瑣且耗時(shí)長(zhǎng)。石磊利用3D掃描和CT圖像等技術(shù)，采集患者在不同姿態(tài)下的乳房數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模為患者定制近乎于還原自身乳房彈性的新式義乳。但需要大量患者的術(shù)前術(shù)后影像及掃描數(shù)據(jù)，否則會(huì)影響義乳的彈性模擬[8]。CRUZ等使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)在三維CAD中獲得患者的乳房輪廓，通過(guò)建立有限元模型，評(píng)估了設(shè)計(jì)定制的3D仿生義乳的靈敏度和自然度[9]。近年來(lái)隨著科技進(jìn)步，人們的消費(fèi)生活水平逐漸提高，對(duì)于產(chǎn)品的需求也在逐步提高，定制設(shè)計(jì)、個(gè)性化消費(fèi)日益凸顯，CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字化建模被廣泛應(yīng)用于義乳的定制化設(shè)計(jì)與制作，消費(fèi)者可以購(gòu)買(mǎi)到帶有乳頭和乳暈，舒適且美觀(guān)的義乳，其大小、樣式和顏色等均可定制化設(shè)計(jì)，高端的義乳甚至可以模擬真實(shí)乳房的感覺(jué)。

參數(shù)化建模與定制設(shè)計(jì)需要通過(guò)曲面重構(gòu)技術(shù)，將點(diǎn)云模型重建成NURBS曲面[10-11]。高曉曉等利用Geomagic Studio軟件，對(duì)掃描得到的人體胸部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行增補(bǔ)、降噪等優(yōu)化處理，再通過(guò)封裝構(gòu)建出胸部NURBS曲面[12]。王婷等基于人臺(tái)正側(cè)面照片提取參數(shù)值，通過(guò)NURBS曲面建模構(gòu)建得出誤差絕對(duì)值極小的頸肩部三維模型[13]。參數(shù)化建模對(duì)于提升設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化個(gè)性化定制方案有著重要意義[14-16]。文獻(xiàn)[17-18] 根據(jù)女性胸部曲面形態(tài)的數(shù)字化模型，分別提出貼體服裝、文胸等服飾的定制設(shè)計(jì)方法。Grasshopper是一款基于Rhinoceros的參數(shù)化插件，通過(guò)拖動(dòng)運(yùn)算器元件實(shí)現(xiàn)可視化的編程設(shè)計(jì)，能極大提高定制效率，在實(shí)體造型、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用[19]。文獻(xiàn)[20-22]基于Grasshopper插件對(duì)裸足矯形器、拇指外翻矯形器及人體頭部進(jìn)行了參數(shù)化的建模。王迪等應(yīng)用參數(shù)化建模進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)，以人體模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用Grasshopper插件進(jìn)行服裝造型的參數(shù)化設(shè)計(jì)[23]。

目前，對(duì)于義乳的個(gè)性化定制設(shè)計(jì)在臨床上已經(jīng)有一定應(yīng)用。但由于3D定制仍需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)及機(jī)器，成本較高，且義乳的佩戴舒適性仍較差，并未得到廣泛應(yīng)用。為降低定制義乳的時(shí)間及成本，本文提出基于Grasshopper插件的義乳參數(shù)化建模方法，以便設(shè)計(jì)人員根據(jù)患者的乳房形態(tài)和傷口情況，通過(guò)更改部分參數(shù)，直觀(guān)簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)義乳的快速定制。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

在西安工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，使用德國(guó)Human Solution公司的三維人體彩色掃描儀采集，獲取人體胸部數(shù)據(jù)，使用Geomagic Wrap軟件完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

1.1 數(shù)據(jù)采集與患者胸部模擬

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為單側(cè)乳房切除后的患者。因未能獲取到真實(shí)乳腺癌術(shù)后患者掃描數(shù)據(jù)，選取正常女性1名，年齡25歲，胸部形態(tài)較好。在溫度為24～26 ℃，相對(duì)濕度為65%±2%的無(wú)風(fēng)安靜房間內(nèi)，被測(cè)者上身全裸，雙腿自然站立，雙臂微微張開(kāi)約30°，保證在掃描過(guò)程中身體挺直靜立15 s，獲得完整的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)[24-25]。

相關(guān)研究表明，每個(gè)乳腺癌患者術(shù)后傷口、創(chuàng)面等各不相同，因此通過(guò)Geomagic Wrap軟件對(duì)獲取的胸部數(shù)據(jù)進(jìn)行乳房模擬切除。模擬過(guò)程盡量還原真實(shí)手術(shù)傷口表面，形成較為復(fù)雜的曲面形態(tài)結(jié)構(gòu)，最終生成左側(cè)乳房切除的人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于光線(xiàn)等問(wèn)題，通過(guò)三維掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為雜亂，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲取精準(zhǔn)的胸部參數(shù)化模型。將上述模擬切除乳房后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為.asc文件并導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件，將腰臀、頭部等冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，獲得胸部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后消除噪點(diǎn)，進(jìn)行封裝，在多邊形模塊中基于曲率進(jìn)行補(bǔ)洞，去除特征并松弛模型的表面，最終得到優(yōu)化后的數(shù)字化胸部多邊形模型。由于多邊形模型無(wú)法直接用于正向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編輯，故在網(wǎng)格曲面的基礎(chǔ)上重新塑造，得到精確的擬合曲面(NURBS曲面)，保存為.stl格式。再利用軟件的測(cè)量工具，依照手動(dòng)測(cè)量胸部的實(shí)際尺寸，檢查并核對(duì)模型的乳深、乳橫寬等尺寸數(shù)據(jù)。

2 義乳參數(shù)化建模流程

對(duì)于產(chǎn)品的定制設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，參數(shù)化的方法十分有效，可以通過(guò)修改部分參數(shù)，快速生成各種方案。UG、Solidworks、Pro/E都是典型的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。然而，此類(lèi)工具因約束較多，常常用于曲面特征較為簡(jiǎn)單的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)；而且，這些CAD軟件如果用于參數(shù)化設(shè)計(jì)，往往需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)諸多不便。定制義乳時(shí)，由于要符合失乳側(cè)傷口和個(gè)體健側(cè)乳房的曲面形狀特征，經(jīng)綜合考慮，選擇以Rhinoceros犀牛軟件作為建模平臺(tái)，提出基于犀牛插件Grasshopper的胸部個(gè)性化形狀特征的提取方法，即通過(guò)提取失乳側(cè)傷口和健側(cè)乳房的特征曲線(xiàn)進(jìn)行義乳參數(shù)化模型重建。

2.1 義乳參數(shù)化建模流程

乳腺癌術(shù)后患者由于切除乳房，常常面臨身體不平衡、脊柱側(cè)彎等生活質(zhì)量下降等問(wèn)題。義乳作為乳腺癌術(shù)后康復(fù)的必備產(chǎn)品，針對(duì)義乳內(nèi)表面與傷口形態(tài)無(wú)法完全貼合，義乳外表面與健側(cè)乳房不能較好匹配等問(wèn)題，構(gòu)建義乳參數(shù)化建模流程，包括鏡像復(fù)制胸部模型，提取胸部個(gè)性化形狀特征曲線(xiàn)，篩選構(gòu)建義乳模型的特征點(diǎn)，構(gòu)建義乳內(nèi)外表面，光滑處理內(nèi)外表面邊緣，生成義乳模型等6個(gè)階段。

按照上述6個(gè)階段將Grasshopper中的運(yùn)算器組件劃定分組，不需要太多編程語(yǔ)言知識(shí)，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算器元件操作，技術(shù)人員可直觀(guān)方便地調(diào)整義乳的覆蓋范圍、形狀大小等各項(xiàng)參數(shù)，提供一種精準(zhǔn)快速定制合體義乳的參數(shù)化建模方法。

2.2 程序編寫(xiě)過(guò)程及運(yùn)算器功能

1) 鏡像復(fù)制胸部模型。將胸部的數(shù)字化模型導(dǎo)入Rhinoceros 7軟件。通過(guò)對(duì)象移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)命令，調(diào)整模型的角度與位移；通過(guò)相應(yīng)運(yùn)算器輸入至Grasshopper插件。輸入后的模型調(diào)整至合適位置，對(duì)齊坐標(biāo)系并通過(guò)圖1(a)所示的運(yùn)算器將模型拉回至Oxy坐標(biāo)平面，如圖1(a′)所示。通過(guò)圖1(b)所示的運(yùn)算器調(diào)整x坐標(biāo)值，得到一個(gè)通過(guò)頸窩點(diǎn)的豎直z平面作為鏡像平面；通過(guò)鏡面對(duì)稱(chēng)復(fù)制得到新的胸部數(shù)字化模型，如圖1(b′)所示。

圖 1 鏡像復(fù)制胸部模型Fig.1 Mirror replica chest model

2) 提取胸部個(gè)性化形狀特征曲線(xiàn)。首先確定取值范圍，根據(jù)所要設(shè)計(jì)義乳的切分面覆蓋范圍在頂視圖繪制一條切分曲線(xiàn)，如圖2(a′)所示；根據(jù)患者傷口形態(tài)及乳房特征，調(diào)整圖2(a)所示相應(yīng)運(yùn)算器的數(shù)字滑塊，通過(guò)調(diào)整切分曲線(xiàn)的兩端點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的擴(kuò)大和縮小。

將得到的切分曲線(xiàn)輸入Grasshopper，在圖2(b)所示的運(yùn)算器中，移動(dòng)相應(yīng)的數(shù)字滑塊，在切分曲線(xiàn)上設(shè)置合適的等分?jǐn)?shù)量。為了盡量還原胸部模型的特征表面，設(shè)置此模型的等分線(xiàn)數(shù)量為21條，如圖2(b′)所示。得到的21條曲線(xiàn)輸入新的運(yùn)算器組件，通過(guò)更改2次等分點(diǎn)的z坐標(biāo)值獲得兩端點(diǎn)，連接兩端點(diǎn)建立等分線(xiàn)。通過(guò)圖2(c)的運(yùn)算器組件，將21條等分線(xiàn)沿著切分曲線(xiàn)的法線(xiàn)方向擠出，獲得等分面，如圖2(c′)所示。通過(guò)圖2(d)所示的運(yùn)算器，得到了21個(gè)等分面分別與原胸部模型和鏡像復(fù)制的胸部模型相交生成的2組橫截線(xiàn)，即內(nèi)外表面的胸部個(gè)性化形狀特征曲線(xiàn)，如圖2(d′)所示。

圖 2 提取胸部個(gè)性化形狀特征曲線(xiàn)Fig.2 Extraction of chest personalized shape eigenvalue curves

3) 篩選構(gòu)建義乳模型的特征點(diǎn)。如圖3(a')，在Rhinoceros 7 軟件中，根據(jù)人體模型的左胸傷口形態(tài)和乳房特征，在xz平面上通過(guò)控制點(diǎn)曲線(xiàn)繪制出義乳的輪廓線(xiàn)。將該輪廓線(xiàn)輸入運(yùn)算器中，通過(guò)移動(dòng)相應(yīng)的數(shù)字滑塊，沿y方向擠出相應(yīng)的長(zhǎng)度，得到封閉的幾何體，如圖3(a)所示。圖2(d′)中得到相交形成的2組胸部個(gè)性化形狀特征曲線(xiàn)都不是圓順流暢的曲線(xiàn)，由無(wú)數(shù)短小折線(xiàn)組成，因此這2組橫截線(xiàn)不能直接用于義乳的參數(shù)化建模。為保證建模后義乳內(nèi)外表面的曲面質(zhì)量，提取并篩選個(gè)性化特征曲線(xiàn)的等分點(diǎn)，即義乳模型的特征點(diǎn)。按照?qǐng)D3(b)和圖3(c)的運(yùn)算器組件，觀(guān)察特征曲線(xiàn)的長(zhǎng)度，通過(guò)移動(dòng)相應(yīng)的數(shù)字滑塊，選取合適的等分點(diǎn)數(shù)量，設(shè)置2組橫截線(xiàn)的每條曲線(xiàn)等分23個(gè)點(diǎn)。通過(guò)篩選工具，篩除掉封閉幾何體外部的點(diǎn)，精準(zhǔn)定位構(gòu)建義乳模型的特征點(diǎn)，如圖3(b′)和圖3(c′)所示。

圖 3 篩選構(gòu)建義乳模型的特征點(diǎn)Fig.3 The eigenvalue points of breast prosthesis model were screened

4) 構(gòu)建義乳內(nèi)外表面。依據(jù)圖4(a)和圖4(b)所示運(yùn)算器組件，將篩選得到的特征點(diǎn)分組建立曲線(xiàn)。調(diào)整每條曲線(xiàn)的方向保持一致，隨后放樣生成義乳模型的內(nèi)外表面，如圖4(a′)和圖4(b′)所示。由于義乳在使用時(shí)需裝入義乳保護(hù)套并裝在義乳文胸內(nèi)，故根據(jù)常規(guī)義乳保護(hù)套及義乳文胸內(nèi)插袋關(guān)于布料厚度方面的相關(guān)參數(shù)，留出布料厚度。依據(jù)圖4(c)所示運(yùn)算器組件，將生成的義乳內(nèi)表面模型向外偏移4 mm，得到新的義乳內(nèi)表面模型，如圖4(c′)所示。最終生成義乳模型的內(nèi)外表面。

圖 4 構(gòu)建義乳內(nèi)外表面Fig.4 Construct the inner and outer surface of breast prosthesis

5) 光滑處理內(nèi)外表面邊緣。如圖5(a′)所示，曲面放樣生成的義乳內(nèi)外表面邊緣粗糙。針對(duì)邊緣不光順的問(wèn)題，編寫(xiě)相應(yīng)運(yùn)算器組件，如圖5(a)和圖5(b)，分別提取義乳內(nèi)外表面的輪廓曲線(xiàn)；通過(guò)移動(dòng)相應(yīng)的數(shù)字滑塊，設(shè)定義乳內(nèi)外表面的輪廓曲線(xiàn)分別在曲面上向內(nèi)偏移合適距離；分別重建偏移后的2個(gè)輪廓曲線(xiàn)并拉回進(jìn)行修剪。最終得到調(diào)整后的內(nèi)外2個(gè)曲面，如圖5(b′)所示。

(b) 提取曲面邊緣線(xiàn)，偏移并重建

圖 5 光滑處理內(nèi)外表面邊緣Fig.5 Smooth the edges of the inner and outer surfaces

6) 生成義乳模型。將上述得到的兩曲面bake烘焙提取到犀牛Rhinoceros 7軟件中，通過(guò)混接曲面、曲面倒角等處理，銜接兩曲面的邊緣部分并手動(dòng)進(jìn)行細(xì)節(jié)部位的調(diào)整，最終得到義乳模型，如圖6所示。義乳模型的內(nèi)表面與患者傷口形態(tài)契合，外表面與患者健側(cè)乳房相匹配。

圖 6 生成義乳模型Fig.6 Breast prosthesis model generated

2.3 參數(shù)化義乳建模程序測(cè)試

為了驗(yàn)證該程序在義乳定制設(shè)計(jì)方面的功能與建模效率，進(jìn)行建模測(cè)試。

改變切分曲線(xiàn)范圍與繪制的義乳輪廓邊緣形狀。將切分曲線(xiàn)的兩端點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)數(shù)字滑塊滑動(dòng)修改時(shí)，切分面的覆蓋范圍實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大或縮小，如圖7(a)所示；繪制的義乳輪廓邊緣線(xiàn)為控制點(diǎn)曲線(xiàn)，在Rhinoceros 7軟件中，移動(dòng)曲線(xiàn)的控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)義乳輪廓形狀的調(diào)整和修改，如圖7(b)所示。因此，對(duì)于不同手術(shù)傷口表面，不同乳房輪廓的患者，設(shè)計(jì)人員均可通過(guò)改變上述參數(shù)，快速修改義乳模型，實(shí)現(xiàn)義乳的個(gè)性化定制，提高義乳與患者的匹配度。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，選擇3位乳房形態(tài)特征不同的人體數(shù)據(jù)模型，通過(guò)軟件模擬乳房的切除進(jìn)行測(cè)試。模擬的手術(shù)切口均為常見(jiàn)的乳腺癌手術(shù)切口，分別為橫切、豎切和斜切，由此生成不同的手術(shù)傷口表面。按照上述建模步驟，分別對(duì)相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，導(dǎo)入和調(diào)整模型位置并將其輸入至Grasshopper，程序均在0.5～1 min內(nèi)完成義乳的模型構(gòu)建。熟練使用Rhinoceros軟件和Grasshopper的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)修改參數(shù)化程序數(shù)值，調(diào)整相應(yīng)控制點(diǎn)等，平均僅需要1.5 h。即可建立義乳的數(shù)字化模型。相比于傳統(tǒng)逆向建模的方法，Grasshopper建模程序極大地提高了義乳建模效率。

(a) 定制切分面覆蓋范圍

(b) 定制義乳輪廓形狀圖 7 定制設(shè)計(jì)功能測(cè)試Fig.7 Custom designed functional tests

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)軟件模擬切除乳房，獲得乳腺癌患者術(shù)后胸部的傷口創(chuàng)面，利用Grasshopper提取患者胸部的個(gè)性化特征曲線(xiàn)，重建義乳的數(shù)字化模型。模型內(nèi)側(cè)與傷口創(chuàng)面匹配度高，模型外側(cè)與健側(cè)乳房相似度好，可以確保構(gòu)建得到的義乳滿(mǎn)足不同手術(shù)創(chuàng)面與不同乳房形態(tài)的參數(shù)化特征，實(shí)現(xiàn)義乳精準(zhǔn)快速建模。與傳統(tǒng)義乳通過(guò)半胸圍等尺寸選取義乳尺寸號(hào)碼不同，基于Grasshopper插件的義乳參數(shù)化建模方法，可以通過(guò)修改相應(yīng)的參數(shù)化數(shù)值及曲線(xiàn)控制點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)義乳的快速建模，并能直接用于3D打印，提高了義乳的3D定制效率。

該方法是以乳腺癌術(shù)后患者手術(shù)傷口創(chuàng)面和健側(cè)乳房形態(tài)構(gòu)建參數(shù)化的義乳模型，為定制、設(shè)計(jì)義乳提供相應(yīng)的理論支撐，提高了義乳佩戴舒適性，滿(mǎn)足“以人為本”的設(shè)計(jì)理念?；趨?shù)化胸部模型的義乳定制設(shè)計(jì)方法僅針對(duì)于單側(cè)乳房切除的乳腺癌術(shù)后患者，提出了義乳的個(gè)性化定制設(shè)計(jì)。然而，直接貼在人體的義乳會(huì)對(duì)脆弱的傷口表面形成二次傷害，因此義乳常常與義乳保護(hù)套及義乳文胸搭配使用。后續(xù)研究將探討義乳保護(hù)套及義乳文胸的定制。