一种人体臀部肌肉-骨骼系统的3D建模方法

刘圣慧 曲云霞 高晓星 李欣业 侯书军 李慨

摘要 坐具是人们工作和生活常用工具，其舒适性直接影响人体健康。研究使用不同坐具时人体臀部肌肉-骨骼的受力情况，成为了改善坐具性能的重要研究方法。Spiral computed tomography （CT）， Magnetic Resonance Tomograph （MRT）断层扫描数据可以观察不同片层组织变形情况，但是很难量化应变能、剪切力等力学参数。为获取坐姿状态下臀部组织、骨骼的力学特性，需要建立其姿态下的3D生物力学模型。由于国内尚未引进坐姿的MRI设备，坐姿情况下的臀部外廓形提取成为了建立模型时需要解决的重要问题。为解决这一难题，搭建了可用于模仿坐姿的臀部外廓形测量系统。通过Mimics、Solidorks、Geomagic studio等软件工具建立了臀部-肌肉骨骼系统的3D生物力学模型。该模型可通过有限元仿真，深层次地分析臀部组织内层的受力情况，从而用于座椅及轮椅的舒适性研究或压疮的病理研究。

关 键 词 CT断层扫描数据;坐姿;3D肌肉-骨骼模型;Geomagic studio;Solidworks

中图分类号 TP391     文献标志码 A

0 引言

随着工业化和现代化的不断发展，座椅成为了办公或休闲的主要用具[1]。办公人员平均工作时间为8 h，由于长时间与坐具接触，由坐具舒适性问题导致的肌肉-骨骼疾病日益凸现出来[2-4]。另一方面，随着中国逐渐步入老龄化社会[5]，轮椅作为行动不便老人和下肢瘫痪病人的主要坐具，需求量激增。由于这些人平均每天长达12 h的轮椅使用时间，不合理的座面设计导致人体臀部长时间承受过载外力，严重者会形成压疮[6-7]。为了提升坐具的舒适性，降低相关疾病的发生率，国内外越来越多的研究人员对坐姿情况下的臀部肌肉、骨骼的受力进行研究。Moerman等[8]通过MRI技术建立特定个体的臀部的有限元模型，用于分析人体坐于不同坐具时臀部组织的受力情况。但是其建立的模型，并不是人体完全的坐姿状态。Irini等[9]通过Upright MRT获取的数据，提取人体坐姿情况下的肌肉-骨骼信息，建立了坐姿状态下臀部模型。Sonenblum等[10]比较两种轮椅坐垫（一种为平面座面，一种为坐骨骨节下方材料去除座面）的性能。通过试验者在坐姿MRI设备中分别使用两种坐垫，观察两组数据中肌肉-骨骼受力的区别。本文建立臀部廓形的测量系统，包括人体姿态定位装置和Go！SCAN50三维扫描系统，解决了由于国内尚没有坐姿的MRI设备，建立臀部坐姿的有限元模型存在困难的问题。并利用Mimics与Geomagic，Solidworks  3款软件，建立了坐姿的肌骨模型，可用于压疮的机理及座面舒适性设计等方面研究。肌肉-骨骼系统建模流程图如图1所示。

1 人体臀部肌骨系统建模

1.1 应用设备及软件概述

Go！ SCAN50是加拿大Creaform公司生產的一款便携式的3D扫描设备，可提供较大范围扫描，并且测量速率非常快。这些优秀的性能，使得较大面积的人体廓形扫描工作得以顺利展开。

Geomgic Studio软件是Geomagic公司的一款逆向软件，可根据任何零部件通过扫描自动形成精确的数字模型。本论文利用软件的处理功能对扫描后的骨骼、臀部廓形曲面进行修洁和优化。

Solidworks软件是由美国Solidworks公司推出的功能强大的三维机械设计软件系统。在Solidworks装配体模块中，具有强大的可以检测干涉等的功能。为曲面形状复杂的三维实体的装配，提供了判断方法。

Mimics是一款医学影像处理软件，用于CT等断层数据快速形成模型[11]。本次研究中，主要使用Mimics根据二维的医学图像数据创建三维骨骼模型，提取出骨盆和股骨，将其导入Geomagic studio软件中处理。Mimics软件是实现生物力学分析的前提，也是连接断层扫描数据与快速原形制造的桥梁。

1.2 坐姿臀部外廓形测试系统搭建及核心功能分析

坐姿臀部3D肌肉-骨骼模型的建立可为压疮病理研究和座面优化设计提供辅助。但是，目前国内CT、MRT设备只能获取人体平躺时的臀部肌肉组织外轮廓。由于坐姿的特殊性，依靠这些设备很难实现臀部未受压状态下坐姿廓形的提取。

为解决这一测量问题，本文建立了反求臀部廓形的测量系统，用于模仿人体坐姿时臀部的定位和数据采集，确保获得测试者与标准坐姿一致完整臀部廓形。如图2所示，志愿者竖直坐姿坐于座椅上，其上身与大腿之间的夹角，记为夹角∠1（108°）[12]。然后志愿者摆放好扫描时的位姿，如图3所示，人体的腹部与其身下的定位平面完全贴合，调整下肢与上半身角度∠2与图2中∠1相同，人体的臀部与其臀部后侧定位装置完全贴合。待定位完成后，人体保持其姿势，撤走其臀部后方的定位平面，利用Go！ SCAN50型号的手持式三维扫描设备对模仿坐姿人的臀部廓形进行扫描。

本文中扫描臀部的志愿者与CT数据提供的志愿者为同一人，因此臀部尺寸信息与CT骨骼信息可以完全匹配。志愿者信息如表1所示。

Go！ SCAN50 3D扫描设备及其软件系统如图4所示，软件视窗中可以看到扫描后的彩色信息。坐姿臀部外廓形测量系统框图如图5所示。将扫描结果导入Geomagic Studio 软件中，如图6所示，进行删除噪点、曲面修补工作，确保后期的曲面网格划分等有限元工作的顺利展开。在处理曲面片过程中，需要在保证外廓形不变的情况下，尽可能减少曲面片的数量，并将尖点等地方光顺，否则后期进行有限元分析时会影响网格质量。

2 模型处理

本文中臀部扫描廓形的处理和骨骼的修洁、封装工作均在Geomagic Studio中进行。由于两者处理过程类似，骨骼处理较为复杂，因此选择骶髂关节部分作为操作思路的描述重点。

2.1 骨骼修洁工作

本文中使用Mimics处理CT图像，如图7所示。在使用Mimics所提取出的骨骼模型时，由于灰度值的丢失，存在孔洞、粘连不需要的碎片如图8所示。修洁部分的工作可以利用Mimics中的Edit功能一层层修改，但非常耗时。本文应用Geomagic Studio软件中曲面修复、光顺等功能，实现骨骼模型的快速修洁工作。

由于骨骼表面存在图像信息缺失，破损处较多，需要对这些地方进行修补。修补区域不同，选择的方法也不同。特别是对于曲率复杂的曲面，如果添补方式选择不对，可能导致曲面过渡不均匀，增大骨骼的几何误差。为此，本文在修复曲率和面积较大的曲面时，首先采用搭桥的途径，将其分割为几个小的曲面，再进行按照曲率填充破损地方，这样可以保证按照骨骼原有曲率光滑过渡，骨骼尺寸不失真。

提取的骨骼信息存在曲面片的数量庞大、局部有重叠现象。本文在固定边界的基础上，通过简化命令，将曲面片数量降低为之前曲面片数量的50%。

在建立模型过程中，由于骶髂关节曲面形状非常复杂，如图9a）所示，在后续划分网格过程中，会使得网格数量激增并且会导致网格划分的质量降低。为了解决这一问题，将骨骼模型进行简化，通过Geomagic中的修洁命令将骶孔填充，整合为较大的平面，并将骨骼与骨骼连接地方的小面、畸形的面进行删除整理，修改后的髂骨如图9b）所示。

骨骼修洁过程考虑因素较多，操作流程图如图10所示。

2.2 精确曲面

完成骶髂关节模型初步修洁工作后，使用精确曲面功能拟合骨骼表面碎小曲面片，成为规则的曲面，如图11a）所示。骶髂部分骨骼曲率大，需要使用精度更高的探测轮廓线的方法来手动添加轮廓线。骨骼细节面较多，因此在探测轮廓线时需要将灵敏度调整为80。通过手动的形式添加细节地方的轮廓线， 在计算完轮廓线后，就可以看出细节局部会用更多的小曲面片去拟合，精度也就更高。对于没有明显特征的规则曲面，可以减少轮廓线，整合为较大的曲面。

精确曲面中，对提取的轮廓线进行微调整，松弛轮廓线使得曲线过渡更加自然。在构造曲面片时，可根据需求制定曲面片数量也可以自动评估，之后进行构造格栅，通过格栅的质量可以看出构建网格质量，如图11b）所示，全部呈现蓝色即为比较理想的格栅，图11c）即为拟合出来的较为理想的曲面。尔后进行偏差分析，查看拟合后的曲面是否符合精度要求。如图11d）所示，大部分区域呈现绿色，小部分骨骼凸起部位呈现红色，表示误差值在允许的范围内（±1 mm），模型符合要求。此步完成后，在Geomgic中的处理工作结束，即可保存为.iges格式在三维软件中进行处理。精确曲面操作流程如图12所示。

在臀部肌肉-骨骼系统建模过程中，由于肌肉、皮肤、筋膜、血管等软组织材料属性接近，本文忽略这些差异，简化处理为一个整体，提高建模效率。如果后续研究有需要，可对特定部分进行肌肉细分[13]。图13为本文所使用的股骨，图14为本文所使用的臀部软组织实体。

3 肌肉-骨骼模型装配

在分别完成肌肉和骨骼部分建模及处理后，应用三维软件SolidWorks进行精确的装配。装配过程骨骼的旋转角度以及肌肉与骨骼的配准是非常关键的。肌肉-骨骼快速装配流程如图15所示。

在判定骨骼和臀部软组织的配准时，需要测量CT数据中，臀部骨骼到软组织的平均距离。由于导出的臀部坐姿的软组织为实体，装配体中需要将骨骼所占据的空间通过布尔运算删除。本文在零件中通过组合功能完成这步操作。将主体选为肌肉，被减对象选为骨骼。但是骨骼和组合后的组织在装配体中装配是个难题。这是由于骨骼曲面复杂，很难通过手动调整，使得骨骼和组织边界完全吻合。为解决这个难题，在进行组合时，通过X、Y、Z轴数据的调整，完成骨骼与组织的配准。在装配体骨骼和臀部软组织装配时，需要选择两者的3个基准面配合的方式，将基准面间的距离设定为X、Y、Z轴调整的数据。这样可以保证这两部分的完整吻合，降低出现干涉情况的概率。图16为Solidworks中装配完的臀部模型。

4 结论

本文针对国内没有坐姿MRI等设备的问题，搭建人体坐姿外轮廓测量系统，解决了建立臀部坐姿有限元模型困难的问题。同时提出了一种臀部肌肉-骨骼的建模方法，首先将CT采集的断层的数据导入Mimics医学软件中，通过建立蒙皮、分割、区域增长等操作将所需骨骼提取。提取的骨骼在Geomagic软件中进行修洁处理和精确曲面操作。将提取的骨骼在Solidworks中进行角度调整，之后将骨骼和臀部组织在软件中进行布尔运算和精确装配。通过Mimics，Geomagic，Solidworks三款软件建立了3D坐姿臀部肌骨模型。所建立的3D坐姿的臀部肌骨模型，对压疮的机理及座面舒适性研究等方面研究有指导性意义。

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[責任编辑    杨    屹]