劉圣慧 曲云霞 高曉星 李欣業(yè) 侯書軍 李慨

摘要 坐具是人們工作和生活常用工具，其舒適性直接影響人體健康。研究使用不同坐具時(shí)人體臀部肌肉-骨骼的受力情況，成為了改善坐具性能的重要研究方法。Spiral computed tomography （CT）， Magnetic Resonance Tomograph （MRT）斷層掃描數(shù)據(jù)可以觀察不同片層組織變形情況，但是很難量化應(yīng)變能、剪切力等力學(xué)參數(shù)。為獲取坐姿狀態(tài)下臀部組織、骨骼的力學(xué)特性，需要建立其姿態(tài)下的3D生物力學(xué)模型。由于國內(nèi)尚未引進(jìn)坐姿的MRI設(shè)備，坐姿情況下的臀部外廓形提取成為了建立模型時(shí)需要解決的重要問題。為解決這一難題，搭建了可用于模仿坐姿的臀部外廓形測量系統(tǒng)。通過Mimics、Solidorks、Geomagic studio等軟件工具建立了臀部-肌肉骨骼系統(tǒng)的3D生物力學(xué)模型。該模型可通過有限元仿真，深層次地分析臀部組織內(nèi)層的受力情況，從而用于座椅及輪椅的舒適性研究或壓瘡的病理研究。

關(guān) 鍵 詞 CT斷層掃描數(shù)據(jù);坐姿;3D肌肉-骨骼模型;Geomagic studio;Solidworks

中圖分類號(hào) TP391 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，座椅成為了辦公或休閑的主要用具[1]。辦公人員平均工作時(shí)間為8 h，由于長時(shí)間與坐具接觸，由坐具舒適性問題導(dǎo)致的肌肉-骨骼疾病日益凸現(xiàn)出來[2-4]。另一方面，隨著中國逐漸步入老齡化社會(huì)[5]，輪椅作為行動(dòng)不便老人和下肢癱瘓病人的主要坐具，需求量激增。由于這些人平均每天長達(dá)12 h的輪椅使用時(shí)間，不合理的座面設(shè)計(jì)導(dǎo)致人體臀部長時(shí)間承受過載外力，嚴(yán)重者會(huì)形成壓瘡[6-7]。為了提升坐具的舒適性，降低相關(guān)疾病的發(fā)生率，國內(nèi)外越來越多的研究人員對(duì)坐姿情況下的臀部肌肉、骨骼的受力進(jìn)行研究。Moerman等[8]通過MRI技術(shù)建立特定個(gè)體的臀部的有限元模型，用于分析人體坐于不同坐具時(shí)臀部組織的受力情況。但是其建立的模型，并不是人體完全的坐姿狀態(tài)。Irini等[9]通過Upright MRT獲取的數(shù)據(jù)，提取人體坐姿情況下的肌肉-骨骼信息，建立了坐姿狀態(tài)下臀部模型。Sonenblum等[10]比較兩種輪椅坐墊（一種為平面座面，一種為坐骨骨節(jié)下方材料去除座面）的性能。通過試驗(yàn)者在坐姿MRI設(shè)備中分別使用兩種坐墊，觀察兩組數(shù)據(jù)中肌肉-骨骼受力的區(qū)別。本文建立臀部廓形的測量系統(tǒng)，包括人體姿態(tài)定位裝置和Go！SCAN50三維掃描系統(tǒng)，解決了由于國內(nèi)尚沒有坐姿的MRI設(shè)備，建立臀部坐姿的有限元模型存在困難的問題。并利用Mimics與Geomagic，Solidworks ?3款軟件，建立了坐姿的肌骨模型，可用于壓瘡的機(jī)理及座面舒適性設(shè)計(jì)等方面研究。肌肉-骨骼系統(tǒng)建模流程圖如圖1所示。

1 人體臀部肌骨系統(tǒng)建模

1.1 應(yīng)用設(shè)備及軟件概述

Go！ SCAN50是加拿大Creaform公司生產(chǎn)的一款便攜式的3D掃描設(shè)備，可提供較大范圍掃描，并且測量速率非常快。這些優(yōu)秀的性能，使得較大面積的人體廓形掃描工作得以順利展開。

Geomgic Studio軟件是Geomagic公司的一款逆向軟件，可根據(jù)任何零部件通過掃描自動(dòng)形成精確的數(shù)字模型。本論文利用軟件的處理功能對(duì)掃描后的骨骼、臀部廓形曲面進(jìn)行修潔和優(yōu)化。

Solidworks軟件是由美國Solidworks公司推出的功能強(qiáng)大的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。在Solidworks裝配體模塊中，具有強(qiáng)大的可以檢測干涉等的功能。為曲面形狀復(fù)雜的三維實(shí)體的裝配，提供了判斷方法。

Mimics是一款醫(yī)學(xué)影像處理軟件，用于CT等斷層數(shù)據(jù)快速形成模型[11]。本次研究中，主要使用Mimics根據(jù)二維的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維骨骼模型，提取出骨盆和股骨，將其導(dǎo)入Geomagic studio軟件中處理。Mimics軟件是實(shí)現(xiàn)生物力學(xué)分析的前提，也是連接斷層掃描數(shù)據(jù)與快速原形制造的橋梁。

1.2 坐姿臀部外廓形測試系統(tǒng)搭建及核心功能分析

坐姿臀部3D肌肉-骨骼模型的建立可為壓瘡病理研究和座面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供輔助。但是，目前國內(nèi)CT、MRT設(shè)備只能獲取人體平躺時(shí)的臀部肌肉組織外輪廓。由于坐姿的特殊性，依靠這些設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)臀部未受壓狀態(tài)下坐姿廓形的提取。

為解決這一測量問題，本文建立了反求臀部廓形的測量系統(tǒng)，用于模仿人體坐姿時(shí)臀部的定位和數(shù)據(jù)采集，確保獲得測試者與標(biāo)準(zhǔn)坐姿一致完整臀部廓形。如圖2所示，志愿者豎直坐姿坐于座椅上，其上身與大腿之間的夾角，記為夾角∠1（108°）[12]。然后志愿者擺放好掃描時(shí)的位姿，如圖3所示，人體的腹部與其身下的定位平面完全貼合，調(diào)整下肢與上半身角度∠2與圖2中∠1相同，人體的臀部與其臀部后側(cè)定位裝置完全貼合。待定位完成后，人體保持其姿勢，撤走其臀部后方的定位平面，利用Go！ SCAN50型號(hào)的手持式三維掃描設(shè)備對(duì)模仿坐姿人的臀部廓形進(jìn)行掃描。

本文中掃描臀部的志愿者與CT數(shù)據(jù)提供的志愿者為同一人，因此臀部尺寸信息與CT骨骼信息可以完全匹配。志愿者信息如表1所示。

Go！ SCAN50 3D掃描設(shè)備及其軟件系統(tǒng)如圖4所示，軟件視窗中可以看到掃描后的彩色信息。坐姿臀部外廓形測量系統(tǒng)框圖如圖5所示。將掃描結(jié)果導(dǎo)入Geomagic Studio 軟件中，如圖6所示，進(jìn)行刪除噪點(diǎn)、曲面修補(bǔ)工作，確保后期的曲面網(wǎng)格劃分等有限元工作的順利展開。在處理曲面片過程中，需要在保證外廓形不變的情況下，盡可能減少曲面片的數(shù)量，并將尖點(diǎn)等地方光順，否則后期進(jìn)行有限元分析時(shí)會(huì)影響網(wǎng)格質(zhì)量。

2 模型處理

本文中臀部掃描廓形的處理和骨骼的修潔、封裝工作均在Geomagic Studio中進(jìn)行。由于兩者處理過程類似，骨骼處理較為復(fù)雜，因此選擇骶髂關(guān)節(jié)部分作為操作思路的描述重點(diǎn)。

2.1 骨骼修潔工作

本文中使用Mimics處理CT圖像，如圖7所示。在使用Mimics所提取出的骨骼模型時(shí)，由于灰度值的丟失，存在孔洞、粘連不需要的碎片如圖8所示。修潔部分的工作可以利用Mimics中的Edit功能一層層修改，但非常耗時(shí)。本文應(yīng)用Geomagic Studio軟件中曲面修復(fù)、光順等功能，實(shí)現(xiàn)骨骼模型的快速修潔工作。

由于骨骼表面存在圖像信息缺失，破損處較多，需要對(duì)這些地方進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)區(qū)域不同，選擇的方法也不同。特別是對(duì)于曲率復(fù)雜的曲面，如果添補(bǔ)方式選擇不對(duì)，可能導(dǎo)致曲面過渡不均勻，增大骨骼的幾何誤差。為此，本文在修復(fù)曲率和面積較大的曲面時(shí)，首先采用搭橋的途徑，將其分割為幾個(gè)小的曲面，再進(jìn)行按照曲率填充破損地方，這樣可以保證按照骨骼原有曲率光滑過渡，骨骼尺寸不失真。

提取的骨骼信息存在曲面片的數(shù)量龐大、局部有重疊現(xiàn)象。本文在固定邊界的基礎(chǔ)上，通過簡化命令，將曲面片數(shù)量降低為之前曲面片數(shù)量的50%。

在建立模型過程中，由于骶髂關(guān)節(jié)曲面形狀非常復(fù)雜，如圖9a）所示，在后續(xù)劃分網(wǎng)格過程中，會(huì)使得網(wǎng)格數(shù)量激增并且會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的質(zhì)量降低。為了解決這一問題，將骨骼模型進(jìn)行簡化，通過Geomagic中的修潔命令將骶孔填充，整合為較大的平面，并將骨骼與骨骼連接地方的小面、畸形的面進(jìn)行刪除整理，修改后的髂骨如圖9b）所示。

骨骼修潔過程考慮因素較多，操作流程圖如圖10所示。

2.2 精確曲面

完成骶髂關(guān)節(jié)模型初步修潔工作后，使用精確曲面功能擬合骨骼表面碎小曲面片，成為規(guī)則的曲面，如圖11a）所示。骶髂部分骨骼曲率大，需要使用精度更高的探測輪廓線的方法來手動(dòng)添加輪廓線。骨骼細(xì)節(jié)面較多，因此在探測輪廓線時(shí)需要將靈敏度調(diào)整為80。通過手動(dòng)的形式添加細(xì)節(jié)地方的輪廓線， 在計(jì)算完輪廓線后，就可以看出細(xì)節(jié)局部會(huì)用更多的小曲面片去擬合，精度也就更高。對(duì)于沒有明顯特征的規(guī)則曲面，可以減少輪廓線，整合為較大的曲面。

精確曲面中，對(duì)提取的輪廓線進(jìn)行微調(diào)整，松弛輪廓線使得曲線過渡更加自然。在構(gòu)造曲面片時(shí)，可根據(jù)需求制定曲面片數(shù)量也可以自動(dòng)評(píng)估，之后進(jìn)行構(gòu)造格柵，通過格柵的質(zhì)量可以看出構(gòu)建網(wǎng)格質(zhì)量，如圖11b）所示，全部呈現(xiàn)藍(lán)色即為比較理想的格柵，圖11c）即為擬合出來的較為理想的曲面。爾后進(jìn)行偏差分析，查看擬合后的曲面是否符合精度要求。如圖11d）所示，大部分區(qū)域呈現(xiàn)綠色，小部分骨骼凸起部位呈現(xiàn)紅色，表示誤差值在允許的范圍內(nèi)（±1 mm），模型符合要求。此步完成后，在Geomgic中的處理工作結(jié)束，即可保存為.iges格式在三維軟件中進(jìn)行處理。精確曲面操作流程如圖12所示。

在臀部肌肉-骨骼系統(tǒng)建模過程中，由于肌肉、皮膚、筋膜、血管等軟組織材料屬性接近，本文忽略這些差異，簡化處理為一個(gè)整體，提高建模效率。如果后續(xù)研究有需要，可對(duì)特定部分進(jìn)行肌肉細(xì)分[13]。圖13為本文所使用的股骨，圖14為本文所使用的臀部軟組織實(shí)體。

3 肌肉-骨骼模型裝配

在分別完成肌肉和骨骼部分建模及處理后，應(yīng)用三維軟件SolidWorks進(jìn)行精確的裝配。裝配過程骨骼的旋轉(zhuǎn)角度以及肌肉與骨骼的配準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的。肌肉-骨骼快速裝配流程如圖15所示。

在判定骨骼和臀部軟組織的配準(zhǔn)時(shí)，需要測量CT數(shù)據(jù)中，臀部骨骼到軟組織的平均距離。由于導(dǎo)出的臀部坐姿的軟組織為實(shí)體，裝配體中需要將骨骼所占據(jù)的空間通過布爾運(yùn)算刪除。本文在零件中通過組合功能完成這步操作。將主體選為肌肉，被減對(duì)象選為骨骼。但是骨骼和組合后的組織在裝配體中裝配是個(gè)難題。這是由于骨骼曲面復(fù)雜，很難通過手動(dòng)調(diào)整，使得骨骼和組織邊界完全吻合。為解決這個(gè)難題，在進(jìn)行組合時(shí)，通過X、Y、Z軸數(shù)據(jù)的調(diào)整，完成骨骼與組織的配準(zhǔn)。在裝配體骨骼和臀部軟組織裝配時(shí)，需要選擇兩者的3個(gè)基準(zhǔn)面配合的方式，將基準(zhǔn)面間的距離設(shè)定為X、Y、Z軸調(diào)整的數(shù)據(jù)。這樣可以保證這兩部分的完整吻合，降低出現(xiàn)干涉情況的概率。圖16為Solidworks中裝配完的臀部模型。

4 結(jié)論

本文針對(duì)國內(nèi)沒有坐姿MRI等設(shè)備的問題，搭建人體坐姿外輪廓測量系統(tǒng)，解決了建立臀部坐姿有限元模型困難的問題。同時(shí)提出了一種臀部肌肉-骨骼的建模方法，首先將CT采集的斷層的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)軟件中，通過建立蒙皮、分割、區(qū)域增長等操作將所需骨骼提取。提取的骨骼在Geomagic軟件中進(jìn)行修潔處理和精確曲面操作。將提取的骨骼在Solidworks中進(jìn)行角度調(diào)整，之后將骨骼和臀部組織在軟件中進(jìn)行布爾運(yùn)算和精確裝配。通過Mimics，Geomagic，Solidworks三款軟件建立了3D坐姿臀部肌骨模型。所建立的3D坐姿的臀部肌骨模型，對(duì)壓瘡的機(jī)理及座面舒適性研究等方面研究有指導(dǎo)性意義。

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