基于参数化胸部模型的义乳定制设计

赵岳千卉 ，刘 驰，缪祥杰

(1. 西安工程大学 服装与艺术设计学院，陕西 西安 710048；2. 西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

近年来，乳腺癌的发病率连续上升。GLOBOCAN 2020数据库显示，女性乳腺癌首次超过肺癌，已经成为最常见的癌症。2020年,乳腺癌新发病例为2 261 419例，占总体癌症发病率的11.7%[1-2]。义乳又称人工假乳，一般装在义乳保护套中，与义乳文胸结合使用。对于不能或不愿意接受乳房再造手术的乳腺癌患者，义乳不仅可以弥补身体缺陷，防止长期重力失衡引起的脊柱侧弯，还能增强自信，提高生活质量[3]。然而调查发现，义乳的形状、质量等都无法很好的匹配乳房形态[4-6]。市场现有的义乳由于可供选择的尺码范围有限，患者在佩戴时又存在个体的差异性，无法保证义乳与伤口表面完全贴合，影响穿着的舒适性。因此，以失乳人群伤口创面及胸部形态特征为参考定制义乳，从而改善乳腺癌术后患者穿戴义乳及义乳文胸的适体性，具有实际意义及研究价值。

目前，针对义乳定制的研究主要围绕可采集形状的水胶体乳房印模技术、基于还原自身弹性的乳房建模、仿生义乳的定制与评估等。SHENOY等通过印模技术采集患者的健侧乳房模型，提出一种定制硅胶空心乳房外部假体的方法[7]。该义乳可以很容易地装入文胸，而且柔韧、轻便，重现了天然乳房的解剖形态和轮廓,但制作繁琐且耗时长。石磊利用3D扫描和CT图像等技术，采集患者在不同姿态下的乳房数据，通过三维建模为患者定制近乎于还原自身乳房弹性的新式义乳。但需要大量患者的术前术后影像及扫描数据，否则会影响义乳的弹性模拟[8]。CRUZ等使用三坐标测量机(CMM)在三维CAD中获得患者的乳房轮廓，通过建立有限元模型，评估了设计定制的3D仿生义乳的灵敏度和自然度[9]。近年来随着科技进步，人们的消费生活水平逐渐提高，对于产品的需求也在逐步提高，定制设计、个性化消费日益凸显，CAD技术和计算机数字化建模被广泛应用于义乳的定制化设计与制作，消费者可以购买到带有乳头和乳晕，舒适且美观的义乳，其大小、样式和颜色等均可定制化设计，高端的义乳甚至可以模拟真实乳房的感觉。

参数化建模与定制设计需要通过曲面重构技术，将点云模型重建成NURBS曲面[10-11]。高晓晓等利用Geomagic Studio软件，对扫描得到的人体胸部点云数据进行增补、降噪等优化处理，再通过封装构建出胸部NURBS曲面[12]。王婷等基于人台正侧面照片提取参数值，通过NURBS曲面建模构建得出误差绝对值极小的颈肩部三维模型[13]。参数化建模对于提升设计效率，优化个性化定制方案有着重要意义[14-16]。文献[17-18] 根据女性胸部曲面形态的数字化模型，分别提出贴体服装、文胸等服饰的定制设计方法。Grasshopper是一款基于Rhinoceros的参数化插件，通过拖动运算器元件实现可视化的编程设计，能极大提高定制效率，在实体造型、动态设计、概念设计等领域均发挥着重要作用[19]。文献[20-22]基于Grasshopper插件对裸足矫形器、拇指外翻矫形器及人体头部进行了参数化的建模。王迪等应用参数化建模进行服装设计，以人体模型为基础，运用Grasshopper插件进行服装造型的参数化设计[23]。

目前，对于义乳的个性化定制设计在临床上已经有一定应用。但由于3D定制仍需要专业技术及机器，成本较高，且义乳的佩戴舒适性仍较差，并未得到广泛应用。为降低定制义乳的时间及成本，本文提出基于Grasshopper插件的义乳参数化建模方法，以便设计人员根据患者的乳房形态和伤口情况，通过更改部分参数，直观简便地实现对义乳的快速定制。

1 数据采集与处理

在西安工程大学实验室，使用德国Human Solution公司的三维人体彩色扫描仪采集，获取人体胸部数据，使用Geomagic Wrap软件完成数据的预处理。

1.1 数据采集与患者胸部模拟

实验对象为单侧乳房切除后的患者。因未能获取到真实乳腺癌术后患者扫描数据，选取正常女性1名，年龄25岁，胸部形态较好。在温度为24～26 ℃，相对湿度为65%±2%的无风安静房间内，被测者上身全裸，双腿自然站立，双臂微微张开约30°，保证在扫描过程中身体挺直静立15 s，获得完整的人体点云数据[24-25]。

相关研究表明，每个乳腺癌患者术后伤口、创面等各不相同，因此通过Geomagic Wrap软件对获取的胸部数据进行乳房模拟切除。模拟过程尽量还原真实手术伤口表面，形成较为复杂的曲面形态结构，最终生成左侧乳房切除的人体点云数据。

1.2 点云数据预处理

由于光线等问题，通过三维扫描得到的点云数据较为杂乱，需要对数据进行预处理，以获取精准的胸部参数化模型。将上述模拟切除乳房后得到的点云数据保存为.asc文件并导入Geomagic Wrap软件，将腰臀、头部等冗余的点云数据删除，获得胸部的点云数据。然后消除噪点，进行封装，在多边形模块中基于曲率进行补洞，去除特征并松弛模型的表面，最终得到优化后的数字化胸部多边形模型。由于多边形模型无法直接用于正向设计软件进行编辑，故在网格曲面的基础上重新塑造，得到精确的拟合曲面(NURBS曲面)，保存为.stl格式。再利用软件的测量工具，依照手动测量胸部的实际尺寸，检查并核对模型的乳深、乳横宽等尺寸数据。

2 义乳参数化建模流程

对于产品的定制设计来说，参数化的方法十分有效，可以通过修改部分参数，快速生成各种方案。UG、Solidworks、Pro/E都是典型的参数化设计软件。然而，此类工具因约束较多，常常用于曲面特征较为简单的机械零件的设计；而且，这些CAD软件如果用于参数化设计，往往需要进行二次开发，给设计者带来诸多不便。定制义乳时，由于要符合失乳侧伤口和个体健侧乳房的曲面形状特征，经综合考虑，选择以Rhinoceros犀牛软件作为建模平台，提出基于犀牛插件Grasshopper的胸部个性化形状特征的提取方法，即通过提取失乳侧伤口和健侧乳房的特征曲线进行义乳参数化模型重建。

2.1 义乳参数化建模流程

乳腺癌术后患者由于切除乳房，常常面临身体不平衡、脊柱侧弯等生活质量下降等问题。义乳作为乳腺癌术后康复的必备产品，针对义乳内表面与伤口形态无法完全贴合，义乳外表面与健侧乳房不能较好匹配等问题，构建义乳参数化建模流程，包括镜像复制胸部模型，提取胸部个性化形状特征曲线，筛选构建义乳模型的特征点，构建义乳内外表面，光滑处理内外表面边缘，生成义乳模型等6个阶段。

按照上述6个阶段将Grasshopper中的运算器组件划定分组，不需要太多编程语言知识，通过一些简单的运算器元件操作，技术人员可直观方便地调整义乳的覆盖范围、形状大小等各项参数，提供一种精准快速定制合体义乳的参数化建模方法。

2.2 程序编写过程及运算器功能

1) 镜像复制胸部模型。将胸部的数字化模型导入Rhinoceros 7软件。通过对象移动、旋转命令，调整模型的角度与位移；通过相应运算器输入至Grasshopper插件。输入后的模型调整至合适位置，对齐坐标系并通过图1(a)所示的运算器将模型拉回至Oxy坐标平面，如图1(a′)所示。通过图1(b)所示的运算器调整x坐标值，得到一个通过颈窝点的竖直z平面作为镜像平面；通过镜面对称复制得到新的胸部数字化模型，如图1(b′)所示。

图 1 镜像复制胸部模型Fig.1 Mirror replica chest model

2) 提取胸部个性化形状特征曲线。首先确定取值范围，根据所要设计义乳的切分面覆盖范围在顶视图绘制一条切分曲线，如图2(a′)所示；根据患者伤口形态及乳房特征，调整图2(a)所示相应运算器的数字滑块，通过调整切分曲线的两端点可实现覆盖范围的扩大和缩小。

将得到的切分曲线输入Grasshopper，在图2(b)所示的运算器中，移动相应的数字滑块，在切分曲线上设置合适的等分数量。为了尽量还原胸部模型的特征表面，设置此模型的等分线数量为21条，如图2(b′)所示。得到的21条曲线输入新的运算器组件，通过更改2次等分点的z坐标值获得两端点，连接两端点建立等分线。通过图2(c)的运算器组件，将21条等分线沿着切分曲线的法线方向挤出，获得等分面，如图2(c′)所示。通过图2(d)所示的运算器，得到了21个等分面分别与原胸部模型和镜像复制的胸部模型相交生成的2组横截线，即内外表面的胸部个性化形状特征曲线，如图2(d′)所示。

图 2 提取胸部个性化形状特征曲线Fig.2 Extraction of chest personalized shape eigenvalue curves

3) 筛选构建义乳模型的特征点。如图3(a')，在Rhinoceros 7 软件中，根据人体模型的左胸伤口形态和乳房特征，在xz平面上通过控制点曲线绘制出义乳的轮廓线。将该轮廓线输入运算器中，通过移动相应的数字滑块，沿y方向挤出相应的长度，得到封闭的几何体，如图3(a)所示。图2(d′)中得到相交形成的2组胸部个性化形状特征曲线都不是圆顺流畅的曲线，由无数短小折线组成，因此这2组横截线不能直接用于义乳的参数化建模。为保证建模后义乳内外表面的曲面质量，提取并筛选个性化特征曲线的等分点，即义乳模型的特征点。按照图3(b)和图3(c)的运算器组件，观察特征曲线的长度，通过移动相应的数字滑块，选取合适的等分点数量，设置2组横截线的每条曲线等分23个点。通过筛选工具，筛除掉封闭几何体外部的点，精准定位构建义乳模型的特征点，如图3(b′)和图3(c′)所示。

图 3 筛选构建义乳模型的特征点Fig.3 The eigenvalue points of breast prosthesis model were screened

4) 构建义乳内外表面。依据图4(a)和图4(b)所示运算器组件，将筛选得到的特征点分组建立曲线。调整每条曲线的方向保持一致，随后放样生成义乳模型的内外表面，如图4(a′)和图4(b′)所示。由于义乳在使用时需装入义乳保护套并装在义乳文胸内，故根据常规义乳保护套及义乳文胸内插袋关于布料厚度方面的相关参数，留出布料厚度。依据图4(c)所示运算器组件，将生成的义乳内表面模型向外偏移4 mm，得到新的义乳内表面模型，如图4(c′)所示。最终生成义乳模型的内外表面。

图 4 构建义乳内外表面Fig.4 Construct the inner and outer surface of breast prosthesis

5) 光滑处理内外表面边缘。如图5(a′)所示，曲面放样生成的义乳内外表面边缘粗糙。针对边缘不光顺的问题，编写相应运算器组件，如图5(a)和图5(b)，分别提取义乳内外表面的轮廓曲线；通过移动相应的数字滑块，设定义乳内外表面的轮廓曲线分别在曲面上向内偏移合适距离；分别重建偏移后的2个轮廓曲线并拉回进行修剪。最终得到调整后的内外2个曲面，如图5(b′)所示。

(b) 提取曲面边缘线，偏移并重建

图 5 光滑处理内外表面边缘Fig.5 Smooth the edges of the inner and outer surfaces

6) 生成义乳模型。将上述得到的两曲面bake烘焙提取到犀牛Rhinoceros 7软件中，通过混接曲面、曲面倒角等处理，衔接两曲面的边缘部分并手动进行细节部位的调整，最终得到义乳模型，如图6所示。义乳模型的内表面与患者伤口形态契合，外表面与患者健侧乳房相匹配。

图 6 生成义乳模型Fig.6 Breast prosthesis model generated

2.3 参数化义乳建模程序测试

为了验证该程序在义乳定制设计方面的功能与建模效率，进行建模测试。

改变切分曲线范围与绘制的义乳轮廓边缘形状。将切分曲线的两端点通过相应数字滑块滑动修改时，切分面的覆盖范围实现扩大或缩小，如图7(a)所示；绘制的义乳轮廓边缘线为控制点曲线，在Rhinoceros 7软件中，移动曲线的控制点，实现义乳轮廓形状的调整和修改，如图7(b)所示。因此，对于不同手术伤口表面，不同乳房轮廓的患者，设计人员均可通过改变上述参数，快速修改义乳模型，实现义乳的个性化定制，提高义乳与患者的匹配度。

为了验证本文方法的有效性，选择3位乳房形态特征不同的人体数据模型，通过软件模拟乳房的切除进行测试。模拟的手术切口均为常见的乳腺癌手术切口，分别为横切、竖切和斜切，由此生成不同的手术伤口表面。按照上述建模步骤，分别对相应点云数据进行预处理后，导入和调整模型位置并将其输入至Grasshopper，程序均在0.5～1 min内完成义乳的模型构建。熟练使用Rhinoceros软件和Grasshopper的专业设计人员能够通过修改参数化程序数值，调整相应控制点等，平均仅需要1.5 h。即可建立义乳的数字化模型。相比于传统逆向建模的方法，Grasshopper建模程序极大地提高了义乳建模效率。

(a) 定制切分面覆盖范围

(b) 定制义乳轮廓形状图 7 定制设计功能测试Fig.7 Custom designed functional tests

3 结 语

通过软件模拟切除乳房，获得乳腺癌患者术后胸部的伤口创面，利用Grasshopper提取患者胸部的个性化特征曲线，重建义乳的数字化模型。模型内侧与伤口创面匹配度高，模型外侧与健侧乳房相似度好，可以确保构建得到的义乳满足不同手术创面与不同乳房形态的参数化特征，实现义乳精准快速建模。与传统义乳通过半胸围等尺寸选取义乳尺寸号码不同，基于Grasshopper插件的义乳参数化建模方法，可以通过修改相应的参数化数值及曲线控制点等，实现义乳的快速建模，并能直接用于3D打印，提高了义乳的3D定制效率。

该方法是以乳腺癌术后患者手术伤口创面和健侧乳房形态构建参数化的义乳模型，为定制、设计义乳提供相应的理论支撑，提高了义乳佩戴舒适性，满足“以人为本”的设计理念。基于参数化胸部模型的义乳定制设计方法仅针对于单侧乳房切除的乳腺癌术后患者，提出了义乳的个性化定制设计。然而，直接贴在人体的义乳会对脆弱的伤口表面形成二次伤害，因此义乳常常与义乳保护套及义乳文胸搭配使用。后续研究将探讨义乳保护套及义乳文胸的定制。