中国数字人女1号”骨骼系统数字仿真及全身骨骼数据库初步建立

　　作者：傅栋1,靳安民1,唐海亮2,田京1　　作者单位：1南方医科大学珠江医院骨科中心,广州510280;2武警8650部队医院放射科,山西榆次030600;3南方医科大学临床解剖学研究所,广州510515

　　关键词: CT图像;中国数字人;骨骼;数字模型

　本研究对“中国数字人女1号”(VCH-F) CT断层图像,运用Mimics软件在家用娱乐级个人计算机对全身骨骼结构建模进行尝试,对简化建模过程,提高建模效率进行探讨。

　　1　材料与方法

　　1. 1　材料与设备

　　Dicom格式CT断层数据;计算机硬件: AMD Athlon643200+中央处理器, 2G DDR RAM内存, 200 G硬盘, 256M显存Radeon X1600Pro显卡, 19寸液晶显示器;计算机环境:W indowsXP/Professional操作系统;应用软件:医学3D图像编辑处理软件Mimics 10. 0(Materialise Software,Belgium),有限元分析软件MSC FEA-MSC AFEA 2005 R2(MSC Software,America)。

　　1. 2　原始数据来源及采集过程

　　原始数据由南方医科大学临床解剖学研究所提供。数据来源为19岁女性,身高155 cm,体质量46 kg。Somatom Plus 4螺旋CT机(西门子公司,德国)对全身分7序列扫描。层间距全部为1. 0mm,管电压140 kV,电流119. 25mAs,头部序列214层,螺距0. 441 mm,脖胸部序列262层,螺距0. 965 mm,腹部以下序列螺距全是0. 977 mm,腹部序列205层,骨盆及双手序列229层,双下肢序列203层,双膝关节及双足序列各为304层,全身共1 721层。

　　1. 3　“中国数字人女1号”骨骼系统整体及组合数字模型建立

　　Mimics 10. 0导入每序列Dicom格式断层图像,经二次内插值处理,界定骨组织阈值在226~3 071亨氏单位,软件自动形成所有截面骨骼组织边缘轮廓曲线,图像经编辑、补洞处理,定位骨骼种子点,区域增长处理3D计算出每序列整体骨骼,以STL文件格式导出。Reposition功能对7序列整体骨骼STL文件配对,布尔计算得到“中国数字人女1号”骨骼系统整体数字模型。用计算机自动分割及人工半自动分割方法,对全身骨骼分别进行标识和分割。这些子模型拼接起来,得到骨骼系统组合数字模型。

　　1. 4　全身骨骼数据库初步建立

　　“中国数字人女1号”数据是2002年4层螺旋CT机扫描采集,层间距1. 0 mm,螺距0. 977 mm,对骨骼局部细节显示不够,我们对除头颅及手、足以外骨骼进行细分。每块骨骼外轮廓模型以独立STL文件存档及导出,每块骨骼用不同颜色显示,初步建立起全身骨骼数据库。

　　1. 5　数字模型的输出

　　数字模型各组件可输出用作CAD(计算机辅助设计)、RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究。

　　2　结果

　　建立“中国数字人女1号”全身骨骼系统三维数字模型(图1),实现单块骨骼单独与组合显示(图2)。

　　图1　全身骨骼系统重建模型正面观

　　图2　全身骨骼系统重建模型组合正面观

　　数字模型输出IGES格式用作CAD、CAE, STL格式用于RP、CAM,面单元或面网格转化成体单元用作FEA研究。以腰椎L5三维模型为例,输出. out后缀名Patran eutral文件,在MSC.AFEA 2005成功建立56 573个四面体单元实体网格(图3)。

　　图3　腰椎L5骨骼有限元网格侧面观

　　3　讨论

　　全身数字化骨骼模型精度最高是VIP-MAN[1]。国内学者建立高精度骨骼系统模型计算机为浪潮天梭10 000高性能计算集群, 17个计算节点,每个节点配2个Intel Xeon 2. 4 GHzCPU。装备超高级计算机费用巨大[2],势将影响这项科技成果广泛应用。本研究对“中国数字人女1号”CT断层图像在家用娱乐级个人计算机上重建和显示人体全身骨骼系统三维图像,数字模型几何外型逼真,具有较佳视觉效果,可以多彩色、透明或任意组合显示,实体感强。能够任意角度旋转及缩放观察,可供三维可视化及进一步生物力学研究。

　　考虑到“中国数字人女1号”CT数据是4层螺旋CT机分7序列扫描采集,对骨骼局部细节显示不够,重建要对三维模型进行立体配对,我们没有对全部骨骼进行细分。下一步工作准备以64层螺旋CT采集全身骨骼数据。

　　参考文献:

　　[1] XuX G, ChaoTC, BozkurtA. VIP-Man: an imagebasedwholebodyadultmalemodel constructed from colorphotographs of theVisibleHu-man Project for multi-particle Monte Carlo calculations[ J]. HealthPhys, 2000, 78(5): 476-486.

　　[2]李安安,刘　谦,龚　辉,等.“虚拟中国人男性一号”高精度骨骼系统的三维建模[J].中国临床解剖学杂志, 2006, 24(3): 292-294, 307.