基于MRI的人体个性化三维实体建模

薛 飞 郭艳丽

（永城职业学院，河南 永城 476600）

人体模型主要应用于服装、体育、工程、军事、生物医学以及社会学等领域，一直以来都是人们研究的热点之一，特别作为计算机人体仿真的基本组成部分，模型准确程度对于研究结果有重要的影响。2002年清华大学郑秀媛课题组完成发布了国家标准中国人体参数模型。实际研究应用中，需要根据应用的不同参数资料，创建出三维人体的形状及应用相应模型参数。而目前在运动生物力学运动仿真研究中，多将人体环节近似为圆柱体，椭圆体等三维形状，然后应用人体模型标准参数，这种应用存在很大的方便性，但与人体实际形状存在较大的差异，因此在质量分布等方面与实际分析个体存在较大的误差；同时，运动生物力学主要研究运动员的运动技术，而运动员的身体参数大多处于通用人体参数模型的极值区域，例如排球队员高挑，体操队员比较敦实，应用通用人体参数模型也会存在比较大的误差。因此，个性化的人体模型建立对于研究结果的准确性有更大的保证。查阅相关文献资料了解到，运动生物力学研究中，个性化的三维人体建模尚处于空白的状态。

三维建模从最初的基于几何造型的线框建模、 曲面建模、实体建模发展到现在的基于特征的行为建模等，已有多种建模方法相继出现，一批专业的建模软件如：Maya、Pro/E(Pro/Engineer)等在人体建模方面都有很出色的表现。Pro/E 软件系统采用参数化设计，同时基于特征的实体建模，是当今CAD 技术的先进建模方法之一。本研究尝试以一个人的全身磁共振扫描图片（MRI）为基本资料，在Pro/E 软件中建立人体三维实体模型。

1 材料与方法

1.1 材料

图1 人体各部分横断面的MRI 图片

本次研究所用的MRI 图片是对1 位男青年进行全身MR扫描获取图像。拍摄MRI 所用MR 仪为1.5T Horizon Lx echo speed(GE／美国)，拍摄过程中视窗(FOV)设定为躯干48cm×48cm，下肢和脚掌30cm×30cm，上肢20cm×20cm，头颈40cm×40cm。扫描每张图片厚度为1cm，全身扫描，扫描后文件转化为为JPG 图像格式，人体各部分MRI 如图1 所示。

1.2 方法

1.2.1 数据的采集、转换以及人体立体点数据文件的建立

MRI 图片中能够分辨出各种组织器官，采用Matlab 软件编程提取图片中人体各环节边界二维坐标值。在轮廓提取的过程中，对于边缘轮廓弯曲幅度较大的，我们采取提高取点的密度，并进行插值的方法减小误差。

根据MRI 图片在拍摄过程中的FOV，设定转化公式为：Y=X*FOV/512，将Matlab 采集的数据调入Excel 中完成数据真实值的转换。

根据提取和转换的二维数据，结合每一张MRI 代表身体表面1cm 厚度的外表轮廓，建立人体三维的点云数据，创建成Pro/E 应用的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

手动将每条曲线的首尾坐标修改一致，保持曲线的闭合。修正明显极值点，在保证曲线真实性的情况下保持曲线的光滑。将各点文件调入Pro/E 中进行曲线真实性检验。

1.2.2 导入三维数据，实现三维人体建模（大腿为例）

利用基准曲线插入功能将大腿轮廓数据调入Pro/E 中，调入腿部曲线轮廓（图2），利用边界混合特征制生成腿部曲面特征模型（图3）。

图2 选择之后的腿部曲线

图3 腿部曲面模型

利用拉伸特征将大腿的两端封闭使之形成一个封闭的整体(图4)，利用边界混合曲面功能中实体化功能将封闭后的曲面实体化（图5）。

图4 拉伸后封闭的整体

图5 最后实体化模型

2 结果

在MRI 图像的基础上，重建出了人体三维模型（图5-9）。

图5 手掌

图6 脚掌

图7 手臂

图8 大腿

图9 躯干及臀部

图10 头颈

Pro/E 中构建的模型，输入材料密度后，质量、重心、转动惯量等人体参数均可自动生成，利用Pro/E 与其他分析软件之间数据无缝连接这一特点将模型调入专业运动分析软件如ADMAS，可以直接进行运动仿真。

3 讨论

在数据的采集过程中，曲线的真实与光滑程度直接影响曲面及整个三维实体的生成情况。对曲线的点的检查是构建曲面之前最重要的工作。本文所用的MRI 图片厚度为1cm，图片厚度对最后形成的模型的准确性有一定的影响，特别是曲度变化较大的部分最后出来的图像会出现褶皱部分太多的情况。

人体环节的划分比较复杂，在进行模型构建时，对于运用Pro/E 掌握技术要求高，笔者不能完成掌握好其所有功能，对其运用熟悉程度也有限，在运用软件上存在自身的局限性，因此该研究只能作为抛砖引玉的初级作品。另外，按环节划分实体建模还需要进一步的探索。

[1]欧宗瑛，宋涛，李晖等.基于CT、MRI 断层图像的人体三维建模[J].焦作大学学报，2003年02期.

[2]黄承亮.三维激光扫描技术在人体三维建模中的应用研究[J].测绘，2013年01期.