利用電子計(jì)算機(jī)斷層攝影采集健康成年人體平面及三維數(shù)據(jù)的初步嘗試

摘要本文利用現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)CT對40例18-40周歲的健康中國人頭部、四肢及軀干等骨骼特征明顯的部位，進(jìn)行定位測量，采集點(diǎn)線面的三維數(shù)據(jù)，對人體CT平掃圖像和三維圖像進(jìn)行數(shù)字化數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步以身高為基礎(chǔ)計(jì)算人體美學(xué)量化比例。

中圖分類號(hào)：TB86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Attempt on Collecting Healthy Adult Body Plane and 3D Data by CT

LIU Boyang[1]， PAN Xiuyun[1]， CHEN Mingxin[2]， FU Liming[1]

([1]Art School， Jilin University， Changchun， Jilin 130012)

([2]China Japan Union Hospital， Jilin University， Changchun， Jilin 130033)

AbstractUsing CT， the author measured the bone of head， arms， legs and body of 40 healthy people aging 18 and 40， and collected 3D data. The author processed the data of the plane scanned images and 3D images in digital way， and calculated the art proportion based on the height of people.

Key wordsart design; CT; human body; head; arms and legs; body

最早將醫(yī)學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合的著名藝術(shù)家有達(dá)·芬奇和維薩利，他們不僅解剖人體繪制人體圖譜，還將人體解剖數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)公式化，從而豐富和完善了藝用解剖學(xué)，人類在藝術(shù)與科學(xué)的互動(dòng)發(fā)展中，藝用解剖學(xué)對人類生理解剖學(xué)的豐富和完善同樣也做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，目前在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所應(yīng)用的人體數(shù)據(jù)主要來自于解剖學(xué)，雖然錄影、攝像等能為我們提供一定的人活體表面的參考數(shù)據(jù)，但要更深層次地觀察人活體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及精確測量人活體平面及三維數(shù)據(jù)，上述設(shè)備仍然無法完成。隨著現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，人們將計(jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)X線掃描相結(jié)合形成數(shù)字化現(xiàn)代可視醫(yī)學(xué)CT（Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)斷層攝影）技術(shù)，CT不僅可以從平面觀察人體，還可利用三維重建技術(shù)提供更精確的空間信息，并能夠在活體成像下進(jìn)行人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，并更為精確的定量數(shù)據(jù)采集，其精確測量可至0.01mm。雖然CT在醫(yī)學(xué)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但利用CT采集人活體數(shù)據(jù)并應(yīng)用于藝術(shù)設(shè)計(jì)仍缺乏研究，因此，我們利用CT對40例健康人進(jìn)行活體數(shù)據(jù)采集，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算人體數(shù)據(jù)比例，為進(jìn)一步將CT采集的人活體數(shù)據(jù)應(yīng)用于人體藝術(shù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

2010年8月-2010年12隨機(jī)選取吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院門診體檢的40個(gè)健康志愿者進(jìn)行掃描，其中男20例，女20例，年齡18-40歲，平均年齡為24.3歲，所有志愿者檢查前均簽署知情同意書。使用Toshiba Aquilion one 320層容積CT，在100-120kv及150mA，球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5s條件下進(jìn)行掃描，掃描劑量為12-16msv。掃面范圍自足底至顱頂。結(jié)合計(jì)算機(jī)處理，獲取并處理人體的數(shù)字化數(shù)據(jù)。對所有個(gè)體圖像進(jìn)行三維重建。在人體的某些部位，骨骼往往從根本上代表了這些部位的特征外形，如頭部、四肢等，利用CT對這些部位進(jìn)行骨組織重建，而對軀干等肌肉覆蓋較明顯的部位可以進(jìn)行軟組織重建，根據(jù)繪制的人體點(diǎn)線圖在CT平掃和三維重建圖像上進(jìn)行測量。CT計(jì)算機(jī)后工作處理站可以對體征點(diǎn)和平面進(jìn)行定位，采集人體重要點(diǎn)線面的三維數(shù)據(jù)，充分保證數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。計(jì)量資料應(yīng)用€眘表示，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要有描述性分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)等分析方法。

2 測量的40例健康成年人體相關(guān)數(shù)據(jù)

本文采集的20例健康成年男子身高在1700mm-1760mm，平均身高1735.50mm（表1），20例健康成年女子身高在1600mm-1660mm，平均身高1628.00mm（表2）。男子頭高平均228.8075mm，約占身高的13.2%（表3），女子頭高平均243.7590mm，約占身高的15%（表4），男女的頭高/身高比值有近1.8個(gè)百分點(diǎn)的差異，頭高/身高比值的差異可能是男女性別差異的一個(gè)特征。除頭部外，男女在大腿長度/身高比值方面也有高達(dá)1.6個(gè)百分點(diǎn)的差別，男子大腿長度平均461.2785mm，約占身高的26.6%（表3），女子大腿長度平均407.7820mm，約占身高的25%（表4），大腿長度/身高比值的差異可能是男女性別差異的另一個(gè)特征。

3 綜述

將醫(yī)學(xué)與藝術(shù)的完美結(jié)合，是文藝復(fù)興藝術(shù)的一個(gè)代表，達(dá)·芬奇在生理解剖學(xué)上取得了巨大的成就，被認(rèn)為是近代生理解剖學(xué)的始祖。他解剖人體并將人體的比例用數(shù)學(xué)公式作為標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化。達(dá)芬奇解剖了30具不同性別年齡的人體，製繪了超過200篇人體圖，他認(rèn)為，人體解剖是了解人體結(jié)構(gòu)與人體動(dòng)態(tài)的鑰匙，可使藝術(shù)真實(shí)地表現(xiàn)人體形態(tài)。另一位值得一提的是維薩利，他詳細(xì)描述了人體解剖學(xué)，使解剖學(xué)成為一門科學(xué)，從解剖學(xué)入手，詳盡地研究了人體各部分的構(gòu)造。他最先采用蠟塑手段表現(xiàn)人腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是設(shè)想用玻璃和陶瓷制作心臟和眼睛的第一人。文藝復(fù)興后，藝術(shù)家們把人體解剖學(xué)作為藝術(shù)必修的基礎(chǔ)課，通過解剖尸體，觀察人體骨骼和肌肉的構(gòu)造，繪制詳細(xì)的解剖圖譜，并把解剖學(xué)知識(shí)運(yùn)用到藝術(shù)實(shí)踐中去，豐富和完善了藝用解剖學(xué)，并創(chuàng)造了歷經(jīng)幾個(gè)世紀(jì)被人們贊嘆不已的繪畫和雕塑作品。

在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)解剖學(xué)發(fā)揮著重要作用。然而現(xiàn)在趨向人體寫實(shí)的人偶玩具，卻只注重華麗的外表修飾，大都以“整形似的”造型出現(xiàn)，千篇一律。造型上的相似并不代表這種藝術(shù)的權(quán)威，反倒使人感覺存在形態(tài)或是神態(tài)上“假”的現(xiàn)象。趨于人體比例的人形玩偶設(shè)計(jì)需要大量的人活體數(shù)據(jù)的支持，然而解剖學(xué)數(shù)據(jù)卻來自于死亡后的人體，由于肌肉萎縮、脂肪體積縮小，失去了人活體的精確性與美感，這種不足也正是產(chǎn)生人活體研究需求的原因。藝術(shù)的活體形態(tài)觀察主要局限于“模特”的使用，因此主要是外表的觀察，如果人體藝術(shù)設(shè)計(jì)涉及人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，這種觀察就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了彌補(bǔ)這種不足，人們建立了塑化人體藝術(shù)，也是解剖學(xué)與藝術(shù)的結(jié)晶，塑化可以使骨骼和肌肉完整不變形的保存，塑化后的神經(jīng)也有一定彈性，微血管的塑化也很完美，但是皮下脂肪在塑化過程有相對明顯的體積縮小，人的體長也可以縮小，因此，塑化藝術(shù)也不能完全反映人類活體特征。如何將現(xiàn)代醫(yī)學(xué)知識(shí)用于藝術(shù)設(shè)計(jì)的活體數(shù)據(jù)測量上，則是現(xiàn)代藝術(shù)家應(yīng)該探討和重視的。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)在過去30年取得了巨大的進(jìn)步，尤其是以影像醫(yī)學(xué)為代表的現(xiàn)代可視醫(yī)學(xué)取得了長足發(fā)展，它可以幫助人們在不進(jìn)行損傷的情況下直觀定量地觀察人體行為及人體深層次的結(jié)構(gòu)和變化。張紹祥等從醫(yī)學(xué)的角度建立數(shù)字化可視人過程中，利用CT、MRI對青年男性人體標(biāo)本進(jìn)行掃描。但目前尚未有利用CT進(jìn)行活體數(shù)據(jù)并用于藝術(shù)設(shè)計(jì)的研究報(bào)告。然而現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)的可視性不僅可以平面的、定量的觀察和描述物體，更提供了一個(gè)立體的、全方位觀察物體的機(jī)會(huì)，為我們提供了一份不可多得的可視性藝術(shù)觀察工具。因此，如何應(yīng)用現(xiàn)代醫(yī)學(xué)尤其是影像醫(yī)學(xué)中CT技術(shù)提供精確數(shù)據(jù)的優(yōu)勢及三維重建技術(shù)進(jìn)行精確的人體數(shù)據(jù)采集，并用于人體藝術(shù)設(shè)計(jì)就成為現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)研究的新課題，人們不僅可以將解剖學(xué)與藝術(shù)結(jié)合，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)可視醫(yī)學(xué)可能會(huì)更有效地發(fā)揮其在藝術(shù)觀察和指導(dǎo)藝術(shù)設(shè)計(jì)方面的重要作用。

本研究中利用現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)設(shè)備CT對18-40周歲的健康中國人進(jìn)行觀察，結(jié)合計(jì)算機(jī)處理，獲取并處理人體的數(shù)字化數(shù)據(jù)。首先將人體繪制成重要的點(diǎn)線圖。我們根據(jù)文獻(xiàn)資料，選定了在進(jìn)行人形玩偶設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵的點(diǎn)線距離，人體造型時(shí)結(jié)合不同個(gè)體的個(gè)性特征與共性特征展開研究。先采用對人體結(jié)構(gòu)特征比較突出的骨骼點(diǎn)連線測繪的方式測量，再銜接人體各部共性特征結(jié)構(gòu)點(diǎn)，以獲取重要數(shù)據(jù)來確定人體具體形態(tài)，實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)采集的人體不同部位的結(jié)構(gòu)特征性數(shù)據(jù)有：頭高、上臂長度、上體長度以及下肢長度等。數(shù)據(jù)采集不僅可以在CT平掃圖像上進(jìn)行，還可以進(jìn)行三維重建。三維重建技術(shù)主要有：表面遮蓋顯示(SSD)、多層面重建(MPR)、多層面容積重建(MPVR)、曲面重建(CPR)。在不同部位選用不同的重建方法，或結(jié)合使用幾種，如在人體頭部，利用CT可以進(jìn)行骨組織重建算法，而對軀干等肌肉覆蓋較明顯的部位可以進(jìn)行軟組織重建，從而從根本上把握關(guān)鍵的活體數(shù)據(jù)。CT計(jì)算機(jī)后工作處理站可以對體征點(diǎn)和平面進(jìn)行定位，并采集人體重要點(diǎn)線面的三維數(shù)據(jù)，充分保證了數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，這也是現(xiàn)代數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)所必需的?，F(xiàn)代數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)是伴隨計(jì)算機(jī)發(fā)展而誕生的藝術(shù)設(shè)計(jì)形式，利用數(shù)碼藝術(shù)可以進(jìn)行影視、動(dòng)漫以及游戲等設(shè)計(jì)，可以是平面也可以是三維立體的，以計(jì)算機(jī)為主設(shè)計(jì)的人體藝術(shù)同樣需要大量的人活體數(shù)據(jù)作為本源，利用CT采集的數(shù)據(jù)不僅精準(zhǔn)還可以個(gè)體數(shù)字化，將為數(shù)碼藝術(shù)設(shè)計(jì)提供充分的資源。CT測定數(shù)據(jù)還可以結(jié)合藝術(shù)的審美觀，計(jì)算人體美學(xué)的量化比例，為模擬人及人形玩偶的設(shè)計(jì)等提供數(shù)據(jù)支撐，還可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)一步探討其在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

影像醫(yī)學(xué)由于可以精確地采集活體數(shù)據(jù)，因此對大量活體進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析成為可能。不僅如此，它可以進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，因此滿足了藝術(shù)設(shè)計(jì)的真實(shí)性等諸多要求。應(yīng)用影像醫(yī)學(xué)尤其是CT與藝術(shù)結(jié)合，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)在藝術(shù)領(lǐng)域綻放的一朵奇葩。但由于至今尚無相關(guān)研究可供參考，所有數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用都有待進(jìn)一步探索；而且將CT觀察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理及分析，信息量大；CT三維重建技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)，難度較大，需要藝術(shù)與醫(yī)學(xué)工作者的相互配合。因此，探討影像醫(yī)學(xué)與藝術(shù)的融匯之路仍然漫長，但相信不久的將來影像醫(yī)學(xué)將為藝術(shù)的發(fā)展提供更大的動(dòng)力和支持，也會(huì)有更多的新奇之作展示在我們面前。

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