基于三維人體掃描的乳房體積計算

劉馳，衛斗妮，徐步高

(西安工程大學 服裝與藝術設計學院，西安 710048)

1 引言

據調查，在美國的新發案例中，乳腺癌成為女性最常見的腫瘤，在國內如北京上海等大城市的乳腺癌的發病率也極高，接近于發達國家[1]。大多數乳腺癌患者為了延續生命，選擇切除患病乳房，但切除乳房后隨著而來的就是身體的不適與心理的煎熬。為了減輕乳腺癌患者切除乳房后的身體與心理壓力，市場上出現了義乳及義乳文胸。義乳，又稱人造乳房、假乳房，是做了乳房切除手術的乳腺癌患者為了彌補乳房缺失而設計的和乳房形狀、重量相當的衍生品[2]。義乳可以有效彌補乳房切除術后的身體缺陷，使患者能像正常人一樣生活。義乳文胸是佩戴義乳的重要載體[3]。

目前義乳從材質，形狀，重量等方面正在逐步完善，在義乳的材質方面，大多采用醫用硅膠，其手感柔軟有彈性，不僅可以緩解外部對胸腔的壓力，而且其溫度可迅速的隨體溫的變化而變化，保證了其舒適性。義乳的形狀主要分為三類：螺旋形義乳，適合腋下清掃嚴重的患者使用；水滴形義乳，適合鎖骨部位清掃的患者使用；三角形義乳，適用范圍較廣，適用于各種類型的傷口。在乳房切除術后，大多會造成身體無法保持平衡，尤其只切除一側乳房后，不平衡感更加強烈。為了緩解不平衡感，需要不同重量的義乳來維持身體平衡。市面上的義乳重量是由不同的義乳規格來決定，兩者成正比關系，但在佩戴義乳后，由于義乳與乳房重量的差異，還是會加重肩部的壓力。為了解決這一現狀，本文收集了100位年輕女性的身體數據，并進行表面重構，采用乳房切除前后的體積差求出乳房的體積，為義乳體積的設計提供參考，并為術后乳房重建方面提供建議。

2 方法

目前乳房體積的測量方法主要有三種：公式計算法，手動測量法和3D掃描法。公式計算法是根據身高，體重，胸圍差等數據可計算出乳房體積。乳房體積=1/3∏*乳房高度2 *(3*乳房半徑—乳房高度)，該方法是基于平均值得出的統計公式，對個體的適用性較差[4]；手動測量法分為模具法和排水法，最常用的方法為排水法，是將要測量的乳房合適的浸沒于裝滿水的容器中，通過測量被排出水的體積即為乳房的體積，該方法材料簡單，成本低廉，但缺點是人為因素較多，也易產生誤差[5]。3D掃描方法主要是通過儀器捕獲3D建模的數據，然后運用數學原理，圖像重建技術等，可準確實現乳房表面圖像與數據重建，進而完成乳房體積的計算，具有較高的可操作性和可重復性[6]。3D掃描技術的誕生為乳房體積的測量提供了新的方法，在乳房的美容整形方面或乳腺癌術后乳房的重建都具有重要的意義[7]。

本文使用人體三維掃描儀，如圖1所示，選取100名年齡在21～25歲之間，身高在158～168cm，體重在50～70kg的年輕女大學生作為測試對象。對100名不同身材的年輕女性進行人體掃描，所有被測者需脫去外衣，身穿文胸與底褲，將頭發用浴帽固定，雙臂微微張開，自然下垂，雙腳分開，站在圖中所示的圓臺腳印處進行掃描。

圖1 彩色三維人體掃描儀

得到100個人體數據后，通過胸部切除前后的體積差得到胸部的體積，分別對不同人體的左右胸的體積進行計算。首先計算全身的體積，由于掃描結果會有柱子或屋頂一些雜質，所以需要對掃描得到的人體進行凈化，得到結果如圖2所示。

圖2凈化后的人體

圖3封閉的人體模型

圖4 全身體積掃描結果

對人體進行三維表面重構，使其成為一個封閉的模型，并點擊軟件中的體積掃描計算體積，如圖3所示，得到全身的體積，如圖4所示。

圖5 隱藏后半部尺寸結果示意圖

其次需要重新載入人體數據，先隱藏人體后半部數據，如圖5所示，然后調整合適角度，先對左側乳房進行切除，然后重新顯示人體后半部數據，如圖6所示，

圖6 乳房切除示意圖

切除乳房后對人體表面進行表面重建，得到切除乳房后的人體模型，如圖7所示。

圖7 左乳切除后的人體封閉模型

并對左乳切除后的人體模型進行體積掃描，結果如圖8所示。

圖8 切除左乳體積掃描結果

切除乳房前后的體積差即為被切除的乳房體積。右乳體積計算方法和左乳相同，其中在乳房切除時選取的切除區域尤為關鍵，具體的切除區域如圖9所示，對于乳房邊界的定義，Lee等[8]曾提出乳房上側點應在左右前腋點的連線上，基于此，通過人工找點的方法確定了乳房上側點，乳房內側點，乳房下側點，乳房外側點，分別如圖中A，B，C，D點所示，特征點位置描述如表1所示。為保證測量結果的準確性，每側乳房進行三次測量求取平均值作為最后的測量結果。

表1 特征點位置描述

圖9乳房切除區域示意圖

3 結果

將測量計算所得的左右胸體積導入分析軟件，選擇分析下的配對樣本T檢驗，得到如下表2和表3 所示結果。

表2 成對樣本相關系數

表3 成對樣本檢驗

從表2可以看出左右胸體積的相關Sig<0.05,說明兩者之間具有顯著相關性。從表3 可以看出左右胸體積成對樣本檢驗中的Sig<0.05，說明兩者之間具有顯著差異。

根據數據分析結果，進一步計算不同罩杯下的乳房體積變化。目前國內內衣行業普遍認同上下胸圍差在10 cm左右的女性應穿著A罩杯，上下胸圍差在12.5 cm左右的女性應穿著B罩杯，以此類推，檔差為2.5 cm，根據上下胸圍差，把被測量者的胸圍分為不同的罩杯尺寸，并對不同罩杯所對應的左右乳房體積的最大值，最小值及極值差進行計算，得到結果，如表4所示。

表4 不同罩杯下所對應的左右胸體積值(單位：L)

從表4中可以看出，隨著罩杯的增大，左右胸的體積也隨著增大，兩者呈正相關關系，也進一步說明乳房的體積可以用來表示乳房的大小。

圖10 不同罩杯下的左右胸平均值體積對比

將不同罩杯下的左右胸平均值做折線圖發現(見圖10)，人體的左右胸體積并不完全一致，左胸的體積一般比右胸的體積大，兩者的差值范圍在0～0.04L，隨著年齡的增長，女性兩側乳房會逐漸趨向對稱，但一般不會完全對稱，這與平時的睡姿，運動，飲食及激素等方面息息相關。所以對于義乳的設計，應該根據患者平時的生活習慣，睡眠習慣，飲食習慣，設計不同尺寸的義乳，使患者擁有在乳房切除前的平衡感，并非千篇一律的使左右胸重量保持一致來維持平衡感。同時切除乳房的大小和切口采用不同形狀和體積的義乳，并且根據不同的乳房大小，選用不同體積的義乳，建議A罩杯女性佩戴義乳體積在0.17～0.22L，B罩杯女性佩戴義乳體積在0.26L左右，C罩杯女性佩戴義乳體積在0.31～0.32L，D罩杯女性佩戴義乳體積在0.49～0.53L。并搭配合適號型的義乳文胸，控制義乳的晃動，減輕肩部的壓力，盡量使人體保持平衡。

4 討論

通過對正常女性的乳房體積分析，從而推斷出乳房缺失人群應佩戴義乳的體積范圍。由于乳腺癌人群的年輕化，所以本次選取的實驗對象較具有一定的代表性，并得出乳房體積在一定程度上可以表示乳房大小的結論，乳房大小不僅與乳房形狀，乳房質量等有關，也與乳房體積息息相關。實驗得出被測人群的左胸平均值大于右胸，其中也有部分被測者右胸體積大于左胸，就平均值而言，絕大大部分被測者的左胸體積大于右胸，這與被測試者的選取與該類人群的生活習慣具有一定關系。

乳房體積因人而異，本文基于100位被測者的乳房體積，為不同罩杯的乳房缺失女性應選取的義乳體積范圍提供參考，為義乳體積及重量的設計提供建議。在后續的研究中，考慮到乳房缺失人群的傷口的大小、位置、形狀等，應結合乳房體積，采用三維人體建模技術，對該類人群進行量身定制，為他們設計出既貼合傷口的，又符合身體平衡習慣的專用義乳。并結合不同的場合，如運動，溫泉，晚會等，選取不同材料制作義乳，滿足乳房缺失人群的生活需要。

5 結論與展望

通過對100位年輕女性進行三維人體掃描，獲取其身體數據，并采用體積差的方法，得出了不同罩杯下左右胸部的體積，為義乳的體積設計提供了建議。主要結論如下:

(1)乳房體積隨著罩杯的增大而增大，乳房體積可用來表示乳房的大小。

(2)在年輕女性中，多數女性的左胸體積一般大于右胸，兩者差值范圍在0～0.04L。

(3)不同的乳房大小，應選用不同體積的義乳，建議A罩杯女性佩戴義乳體積在0.17～0.22L，B罩杯女性佩戴義乳體積在0.26L左右，C罩杯女性佩戴義乳體積在0.31～0.32L，D罩杯女性佩戴義乳體積在0.49～0.53L。并搭配合適號型的義乳文胸，控制義乳的晃動，減輕肩部的壓力，盡量使人體保持平衡。

本文目前只得出了女性在不同罩杯下的應佩戴義乳體積，而現今的市面上的義乳大多使用硅膠材質，其密度與人體密度存在顯著差異，希望后續能研究出接近人體脂肪的材料作為義乳的制作材料，從而使重量保持一致。