基于MRI的人體個性化三維實體建模

薛 飛 郭艷麗

（永城職業學院，河南 永城 476600）

人體模型主要應用于服裝、體育、工程、軍事、生物醫學以及社會學等領域，一直以來都是人們研究的熱點之一，特別作為計算機人體仿真的基本組成部分，模型準確程度對于研究結果有重要的影響。2002年清華大學鄭秀媛課題組完成發布了國家標準中國人體參數模型。實際研究應用中，需要根據應用的不同參數資料，創建出三維人體的形狀及應用相應模型參數。而目前在運動生物力學運動仿真研究中，多將人體環節近似為圓柱體，橢圓體等三維形狀，然后應用人體模型標準參數，這種應用存在很大的方便性，但與人體實際形狀存在較大的差異，因此在質量分布等方面與實際分析個體存在較大的誤差；同時，運動生物力學主要研究運動員的運動技術，而運動員的身體參數大多處于通用人體參數模型的極值區域，例如排球隊員高挑，體操隊員比較敦實，應用通用人體參數模型也會存在比較大的誤差。因此，個性化的人體模型建立對于研究結果的準確性有更大的保證。查閱相關文獻資料了解到，運動生物力學研究中，個性化的三維人體建模尚處于空白的狀態。

三維建模從最初的基于幾何造型的線框建模、 曲面建模、實體建模發展到現在的基于特征的行為建模等，已有多種建模方法相繼出現，一批專業的建模軟件如：Maya、Pro/E(Pro/Engineer)等在人體建模方面都有很出色的表現。Pro/E 軟件系統采用參數化設計，同時基于特征的實體建模，是當今CAD 技術的先進建模方法之一。本研究嘗試以一個人的全身磁共振掃描圖片（MRI）為基本資料，在Pro/E 軟件中建立人體三維實體模型。

1 材料與方法

1.1 材料

圖1 人體各部分橫斷面的MRI 圖片

本次研究所用的MRI 圖片是對1 位男青年進行全身MR掃描獲取圖像。拍攝MRI 所用MR 儀為1.5T Horizon Lx echo speed(GE／美國)，拍攝過程中視窗(FOV)設定為軀干48cm×48cm，下肢和腳掌30cm×30cm，上肢20cm×20cm，頭頸40cm×40cm。掃描每張圖片厚度為1cm，全身掃描，掃描后文件轉化為為JPG 圖像格式，人體各部分MRI 如圖1 所示。

1.2 方法

1.2.1 數據的采集、轉換以及人體立體點數據文件的建立

MRI 圖片中能夠分辨出各種組織器官，采用Matlab 軟件編程提取圖片中人體各環節邊界二維坐標值。在輪廓提取的過程中，對于邊緣輪廓彎曲幅度較大的，我們采取提高取點的密度，并進行插值的方法減小誤差。

根據MRI 圖片在拍攝過程中的FOV，設定轉化公式為：Y=X*FOV/512，將Matlab 采集的數據調入Excel 中完成數據真實值的轉換。

根據提取和轉換的二維數據，結合每一張MRI 代表身體表面1cm 厚度的外表輪廓，建立人體三維的點云數據，創建成Pro/E 應用的ibl 格式文件:

open

arclength

begin section！ 1

begin curve！ 1

106.15 117.87 10

106.57 116.16 10

… … …

… … …

105.82 120.11 10

106.15 117.87 10

手動將每條曲線的首尾坐標修改一致，保持曲線的閉合。修正明顯極值點，在保證曲線真實性的情況下保持曲線的光滑。將各點文件調入Pro/E 中進行曲線真實性檢驗。

1.2.2 導入三維數據，實現三維人體建模（大腿為例）

利用基準曲線插入功能將大腿輪廓數據調入Pro/E 中，調入腿部曲線輪廓（圖2），利用邊界混合特征制生成腿部曲面特征模型（圖3）。

圖2 選擇之后的腿部曲線

圖3 腿部曲面模型

利用拉伸特征將大腿的兩端封閉使之形成一個封閉的整體(圖4)，利用邊界混合曲面功能中實體化功能將封閉后的曲面實體化（圖5）。

圖4 拉伸后封閉的整體

圖5 最后實體化模型

2 結果

在MRI 圖像的基礎上，重建出了人體三維模型（圖5-9）。

圖5 手掌

圖6 腳掌

圖7 手臂

圖8 大腿

圖9 軀干及臀部

圖10 頭頸

Pro/E 中構建的模型，輸入材料密度后，質量、重心、轉動慣量等人體參數均可自動生成，利用Pro/E 與其他分析軟件之間數據無縫連接這一特點將模型調入專業運動分析軟件如ADMAS，可以直接進行運動仿真。

3 討論

在數據的采集過程中，曲線的真實與光滑程度直接影響曲面及整個三維實體的生成情況。對曲線的點的檢查是構建曲面之前最重要的工作。本文所用的MRI 圖片厚度為1cm，圖片厚度對最后形成的模型的準確性有一定的影響，特別是曲度變化較大的部分最后出來的圖像會出現褶皺部分太多的情況。

人體環節的劃分比較復雜，在進行模型構建時，對于運用Pro/E 掌握技術要求高，筆者不能完成掌握好其所有功能，對其運用熟悉程度也有限，在運用軟件上存在自身的局限性，因此該研究只能作為拋磚引玉的初級作品。另外，按環節劃分實體建模還需要進一步的探索。

[1]歐宗瑛，宋濤，李暉等.基于CT、MRI 斷層圖像的人體三維建模[J].焦作大學學報，2003年02期.

[2]黃承亮.三維激光掃描技術在人體三維建模中的應用研究[J].測繪，2013年01期.