SAE-C2003T330-人体模型应用的研究

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人体建模技术在医学中的应用

人体建模技术在医学中的应用作者：杨春子戴彩艳苏传琦来源：《医学信息》2020年第13期摘要：人体建模技术是利用计算机对图像参数的智能化三维处理，再现了人体组织的特征，大幅度提高了当代医学对人体的研究速度，并在3D打印、医学三维动画、医学模拟仿真等医学相关领域都有长足的贡献，对医学研究及临床应用具有重要意义。

本文概述了人体建模技术，对其在医学领域的应用进行分析，以标准男性头骨建模过程为例，总结了该技术的具体应用，旨在为该技术在医学中的应用提供参考。

关键词：骨骼;建模技术;生物3D打印中图分类号：TP391.9; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：B; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.13.005文章编号：1006-1959（2020）13-0016-02Application of Human Body Modeling Technology in MedicineYANG Chun-zi，DAI Cai-yan，SU Chuan-qi（School of Artificial Intelligence and Information Technology，Nanjing University of Traditional Chinese Medicine，Nanjing 210023，Jiangsu，China）Abstract：Human body modeling technology is to use computer intelligent three-dimensional processing of image parameters to reproduce the characteristics of human tissue， greatly improve the research speed of contemporary medicine on human body， and make great contributions in 3D printing， medical three-dimensional animation， medical simulation and other medical related fields， which is of great significance to medical research and clinical application. this paper summarizes the human body modeling technology， analyzes its application in the field of medicine， takes the standard male skull modeling process as an example， and summarizes the specific application of this technology， which aims to provide a reference for the application of this technology in medicine.Key words：Bones;Modeling technology;Biological 3D printing在20世紀80年代，以计算机为核心的数字化处理技术快速发展，也在一定程度上促进了软件建模技术，其在工业、建筑、医学等不同领域都起到了巨大的作用。

三维人体建模与显示

基于单目视觉测量的人体建模与显示盛光有1，姜寿山1，张欣2(1.西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048;2.西安工程大学服装与艺术设计学院，陕西西安710048 )摘要：以一种基于单目视觉测量原理的三维人体扫描装置获得的人体数据为来源，运用三角面片法构建人体表面，并把人体模型保存为一种标准的模型格式文件OBJ文件，获取了三维人体模型。

然后在Visual C++的编程环境中采用OpenGL （Open Graphics Library）作为三维图形接口,编程实现了三维人体模型，获得了可视化的人体模型。

关键词：三维人体模型；虚拟试衣；OpenGL；人体显示随着人们对服装的舒适性，合体性和款式的个性化的要求越来越高。

传统的二维服装CAD软件暴露出了种种不足之处,如号型难以适应不同形态的人体,不能在衣片设计阶段就看到成衣后的效果,需要反复修改等。

根据个人体型进行单量单裁的量身定制方式(Made To Measure，简称MTM)应运而生，由于能满足个性特殊需求，这种方式深受人们欢迎。

法国力克公司推出了一种服装量身定制系统[1]，按照客户具体要求量身定制,做到量体裁衣,使服装真正做到合体舒适. 德国TechMath公司的FitNet软件系统针对该顾客的体型,从人体数据库中直接搜索出相近的体型及配套服装样板,并提供了进一步根据顾客体型和穿着习惯修改样板的功能[2]。

还有英国的Baird Menswear西服公司，其销售到国内和国际市场的西服中有80％是通过量身定制系统完成的，并且服装系列涵盖了不同款式、颜色和规格的组合[3]。

而国内的三维服装CAD技术远远落后于西方发达国家，近几年来国内的一些院校和公司也都在研究这方面的技术。

其中获得可视的三维人体模型的是三维虚拟试衣系统和三维服装CAD系统中的关键技术。

本文以一种人体扫描仪所获取的三维人体数据为数据为基础，采用三角面片法构建了人体表面模型，并编程实现了人体模型的真实感显示。

人体三维扫描技术在服装时尚领域应用的研究

人体三维扫描技术在服装时尚领域应用的研究引言时尚服装是现代生活中不可或缺的一部分，人们对服装的需求不仅仅是穿着舒适、款式漂亮，更要与个人身材相匹配，这就要求服装设计和制作必须更加注重个性化和精准化。

传统的服装设计和制作方式往往难以满足这一需求，因为这些方式往往依赖于标准的人体尺寸数据，而个体之间的差异并没有得到很好地考虑。

为了解决这一问题，人体三维扫描技术被引入到服装时尚领域中，以实现个性化定制、精准尺寸和更好的穿着效果。

本文将重点探讨人体三维扫描技术在服装时尚领域的应用研究。

一、人体三维扫描技术的原理和方法1.1 人体三维扫描技术原理人体三维扫描技术是指利用三维扫描设备对人体进行数据采集和建模，然后通过计算机软件对数据进行处理和分析，最终得到人体的三维模型。

常见的人体三维扫描设备包括光学扫描仪、激光扫描仪、摄像机等，这些设备能够快速、准确地捕捉人体的形态和尺寸信息。

1.2 人体三维扫描技术方法人体三维扫描技术主要包括以下几种方法：（1）激光扫描法：通过激光扫描仪扫描人体表面，利用激光束与人体表面的反射光进行测量，从而得到人体表面的三维数据。

（2）结构光扫描法：利用结构光扫描仪通过投射结构光网格的方式对人体进行扫描，然后根据相机捕捉到的图像和结构光的畸变进行计算，得到人体的三维数据。

（3）摄影测量法：利用摄像机对人体进行多角度拍摄，并通过影像处理技术将多个影像进行配准和拼接，从而得到人体的三维模型。

二、人体三维扫描技术在服装设计中的应用2.1 个性化定制传统的服装设计往往是基于标准人体尺寸数据进行的，而个体之间的身材差异并没有得到充分的考虑。

而通过人体三维扫描技术可以获取每个人的精准身体数据，设计师可以根据这些数据进行个性化定制，量身打造符合个体身材的服装，让服装更加贴合身体，穿着更加舒适。

2.2 尺寸精准人体三维扫描技术可以准确测量人体的各个部位尺寸，包括胸围、腰围、臀围、肩宽、臂长等，避免了传统测量方法的不准确性和主观性，能够更加精准地确定服装的尺寸，避免了因为尺寸不合适而导致的穿着不舒适的问题。

3D人体建模技术探讨

3D人体建模技术探讨作者：张勇吴廷轩何滨珂董珂陈洋杨春蕾来源：《计算机时代》2020年第09期摘要：针对手机端虚拟试衣镜APP的3D人体建模需求，文章借鉴目前常见的建模方式，从中选择合适的3D建模技术来构建适合于虚拟试衣镜APP的人体模型。

通过对建模方法进行表格分析得出，应选择几何建模与物理建模相结合的方式构建人体模型，以达到人体模型和服装造型统一的效果。

关键词：3D人体建模;几何建模;分析;虚拟试衣镜APP中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1006-8228（2020）09-34-03Discussion on 3D human body modeling technologyZhang Yong， Wu Tingxuan， He Binke， Dong Ke， Chen Yang， Yang ChunleiHenan University of Science and Technology， School of Information and Engineering，Luoyang， Henan 471000. China）Abstract： In view of the 3D human body modeling requirements of the mobile phone virtual fitting mirror APP， this paper refersto the current common used modeling methods， and selects the appropriate 3D modeling technologies to construct the human bodymodel suitable for the virtual fitting mirror APP. Through the table analysis of the modeling methods. it is concluded that themethod combined with geometric modeling and physical modeling should be selected to construct the human bodv model. so as toachieve the unified effect of human body model and clothing modeling.Key words： 3D human body modeling; geometric modeling; analysis; virtual fitting mirror APP0引言随着人们生活水平的提高以及互联网的发展，网购用户不断增多，占据了现在极大一部分消费市场，而在网购的商品中，服装是现代年轻人网购商品中的重要一部分。

三维人体建模及其应用研究

三维人体建模及其应用研究近年来，随着计算机技术、图形图像处理技术的快速发展，三维人体建模技术也日益成熟，广泛应用于医学、航天、游戏、影视等领域。

三维人体建模通过对人体模型进行数字化处理，实现对人体形态、姿态、运动等方面的精准表达，为相关领域的发展提供了强有力的支撑。

本文将系统介绍三维人体建模技术、其应用研究现状以及前景展望。

一、三维人体建模技术三维人体建模技术是指将人体模型从实际形态中数字化、虚拟化，并以此为基础实现对人体各种形态、姿态、动作等方面的精准表达。

三维人体建模技术的主要步骤包括数据采集、数据处理、模型构建和渲染展示等环节。

具体来说，数据采集可以采用数字化扫描技术或摄像技术，将人体外表形态表现为点云数据或纹理图像；数据处理可以通过网格重建、位姿估计等算法对数据进行预处理，清晰表达人体各种要素；模型构建则是在上述数据基础上，综合考虑骨骼结构、肌肉纤维、器官组成等人体内部结构特征，构造出可以完成各种形态、姿态、动作的三维人体模型；渲染展示则是将三维人体模型经过贴图、光照、材质等处理，展现在计算机屏幕或其他载体上，实现视觉上的虚拟体验。

二、三维人体建模在医学应用中的研究现状三维人体建模技术在医学领域中的应用得到了广泛研究。

基于三维人体建模技术，医学界可以通过对人体形态、解剖结构等方面的精准表达，实现对各种疾病的计算机辅助诊断、手术模拟等方面的应用。

例如，在齿科、眼科等领域中，三维人体建模技术可以用于模拟虚拟手术，提高手术成功率。

在骨科、脊椎科等领域中，三维人体建模技术可以用于制作个性化的手术模型，优化手术方案。

在神经科学、心脏病学等领域中，三维人体建模技术可以用于精细解剖、电生理、磁共振等方面的研究，为相关疾病的治疗提供科学依据。

三、三维人体建模在游戏、影视等领域中的研究现状三维人体建模技术在游戏、影视等领域的应用也得到了广泛研究。

三维人体建模技术可以为游戏、影视等娱乐产业提供基础素材，优化游戏、影视体验，拓宽业务版图。

3D人体建模技术的研究与应用

3D人体建模技术的研究与应用一、引言3D人体建模技术是指通过计算机辅助设计软件等工具，将真实人体的数据转换为三维模型，以便进行进一步的分析和利用。

当前，随着计算机技术的不断发展及国家政策的支持，3D人体建模技术已经开始广泛地应用于医学、娱乐、动画、体育训练等多个方面，成为了一种重要的工具。

本文将对3D人体建模技术的研究现状、应用领域，以及未来的发展趋势进行系统的探讨，以期进一步推动该技术在各个领域的应用和发展。

二、3D人体建模技术的研究现状3D人体建模技术的研究始于计算机技术的发展，经过多年的研究和实践，现在已经形成了较为成熟的技术体系。

1.数字化人体建模技术数字化人体建模技术主要包括数据采集、数据处理和建模。

数据采集可以通过体感识别、扫描、拍摄等手段进行，常见的数据处理方法包括点云重建、曲面拟合和网格编辑，而建模则主要分为基于拓扑学、几何学和动力学的建模方法。

目前最常用的数字化建模技术是层次骨架法和光谱分解法。

前者主要是通过分析多张图片的人体轮廓和骨骼结构，自动拟合出人体的三维模型；后者则利用多张相片重建立体人体轮廓，并通过光谱分解法对人体进行分析和建模。

2.解剖学建模技术解剖学建模技术是将人体解剖学知识与计算机技术相结合的一种技术，它可以将人体各个组织、器官和系统进行建模，以便研究其结构和功能。

通常情况下，解剖学建模技术分为两种：表面解剖学建模和虚拟解剖学建模。

前者主要是利用3D扫描仪等设备，对真实人体进行扫描和建模，而后者则是基于人体解剖学知识，利用计算机模拟人体器官的形态和功能。

3.生理学建模技术生理学建模技术是在解剖学建模的基础上，通过建立生理学模型，模拟人体的生理过程，以便更深入地研究人体的功能和代谢。

例如，可以利用生理学建模技术模拟人体的呼吸和循环系统，以便更好地了解人体的代谢和血压。

三、3D人体建模技术的应用领域随着3D人体建模技术的不断发展，它已经开始应用于医学、娱乐、动画、体育训练等多个领域。

三维数字人研究及其应用

三维数字人研究及其应用随着科技的不断发展，数字化已经渗透到人们生活的各个方面。

从线上购物到在线社交，从智能家居到虚拟现实，数字化的应用越来越广泛。

其中一个热门的领域就是三维数字人研究及其应用。

三维数字人即数字化的人体模型，早期主要用于动画和游戏等娱乐产业。

但是，随着技术的发展，三维数字人在医疗、体育、安全等领域的应用越来越广泛。

在医疗方面，三维数字人可以帮助医生和病人更准确地诊断疾病，进行手术或治疗。

通过数字模型，医生可以预测手术前后的效果，为手术做出更准确的计划。

同时，三维数字人还可以帮助制作矫形器和义肢，使得这些设备更符合个体需要，提高康复效果。

在体育领域，三维数字人可以用来帮助运动员提高训练效果和竞技表现。

通过建立运动员的数字模型，可以分析他们的动作和身体状况，找出问题并进行改进。

同时，三维数字人还可以制作定制化的运动装备和鞋子，使得运动员更加适应比赛场地和气候条件，减少运动伤害。

在安全领域，三维数字人可以用于预测事故结果和安全风险，帮助制定安全规则和应急预案。

例如，三维数字人可以预测车辆碰撞或人员群聚时的压力和摩擦力，为设计更加安全的交通工具和建筑物提供依据。

除了以上几个领域，三维数字人还有许多其他的应用。

例如，在电影制作中，使用数字人可以节省成本和时间，同时还可以创造更加逼真的特效；在虚拟现实中，数字人可以使得用户更加身临其境，提高沉浸感。

然而，三维数字人的研究和应用也面临着一些挑战和限制。

首先，数字人的制作需要收集大量的数据和图像，这需要耗费大量的时间和精力。

其次，数字人建模的精度和精细度对于不同的应用领域也有不同的要求，研究人员需要根据具体情况进行平衡。

最后，数字人也面临网络安全等风险，需要加强保护措施。

总的来说，三维数字人研究及其应用是一个充满潜力和挑战的领域。

随着技术的不断发展和创新，我们相信数字人将会在更多的领域发挥作用，为人类的生活提供更多的便利和改善。

基于CATIAV5的中国成年人数字人体模型研究(1)

立产生影响, 因此, 按照这样的方法建立的人体模型准确有效。
3 建立新的人体模型尺寸数据文件
创建一个可以使用的新的人体尺寸模型数
据文件必须遵循一定的形式。一个人群文件包
含四个段, 用到四组关键字:
MEAN _STDEV M ( ) 该段列出男性各部
分尺寸; MEAN _STDEV F ( )
因此, 我国的中国成年人人体尺寸不能满足目前人体模型建模的需求, 缺少的人体尺寸参数的确定是建立中国成年人人体模型需要解决的主要问题。目前确定这些缺少的人体尺寸参数的只能参照韩国和日本人体测量数据, 按照经验
进行选取。由于国标中提供了重要的人体尺寸,
因此这些经验选取的数据不会对人体模型的建
结合现场调研和人类工效学原理, 求解出人舒适操作范围和观察区域, 以此作为司钻操作界面设计的尺寸依据, 考虑现场实际工况 ( 逃生为第一位 ) , 设计出分体式司钻控制台 ( 见图 4 )。将我们建立的数字司钻调入新设计的司钻台 CAT IA 模型中, 通过模仿司钻员实际工作姿势, 运用 CAT IA 中人机工程学设计与分析模块, 对司钻员各种工作操作姿势舒适度进行人机评价 ( 见图 5) , 从图中人体不同部位的颜色可以判断舒适情况, 从而得到对新设计的司钻控制台评价结果
人类工效学 2011年 03月第 17卷第 1期
51
文章编号: 1006 8309( 2011) 01 0051 04
基于 CAT IA V5的中国成年人数字人体模型研究
陈波, 李冬屹, 张茄新, 邓丽 ( 西南石油大学, 成都 610500)
摘要: 人体模型是产品人机工效分析的重要基础工具。针对 CAT IA V 5中缺少中国人体模型的问题, 本

人体模型内中子剂量分布的研究

人体模型内中子剂量分布的研究
张春粦
【期刊名称】《暨南大学学报：自然科学与医学版》
【年(卷),期】1990(000)003
【摘要】单能中子束垂直入射到人体模型内中子剂量的分布,假定模型主要由氧、碳、氢和氮四种元素组成。

计算中考虑了弹性散射、非弹性散射、带电粒子发射和辐射俘获。

采用蒙特—卡罗方法进行计算,对~1H(n,r)~2D 的剂量用扩散理论处理。

文中给出了单能中子和俘获γ的剂量当量与贯穿深度分布。

【总页数】11页(P23-33)
【作者】张春粦
【作者单位】暨南大学物理系
【正文语种】中文
【中图分类】N55，R
【相关文献】
1.硼中子俘获治疗人头开颅模型内宏观吸收剂量分布 [J], 朱养妮;江新标;张强;张
继红;陈伟;赵柱民
2.低剂量半身照射在仿真人体模型中的剂量分布 [J], 曲雅勤;朴永锋;姜新;杨艳明;
陈志明
3.中子源的剂量分布与辐射防护 [J], 谢菊英;马慧;郑贤利;肖拥军
4.Geant4中不同物理列表对硼中子俘获治疗剂量分布的影响 [J], 陈昭;雷琴;杨鹏;文玉梅;何冬林;吴章文;勾成俊
5.MC法模拟硼中子俘获疗法在肺癌组织剂量分布 [J], 钟丁生; 李耀廷; 赵扬; 张平逊
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人体瘤细胞三维培养模型的建立与应用

人体瘤细胞三维培养模型的建立与应用在医学领域，肿瘤是一种常见的疾病，因为其复杂性和多样性，难以完全理解和治疗。

过去，研究人员通常使用二维培养方法来研究癌细胞的行为和生长规律，在这种理论下，研究中经常使用动物模型来验证其结果的准确性。

但是，这种方法具有欠缺真实环境的缺点，其所研究的过程存在很多与人类生物学特性不同的缺陷。

有鉴于此，人们逐渐认识到需要一种更真实的肿瘤研究方法。

三维培养细胞模型应运而生，人体瘤细胞三维培养模型是其中的一种。

该模型的构建方式不同于传统的二维培养方法，通过在支架或基质中种植癌细胞，使其从周围环境创造出更接近人体环境的三维组织结构，并在此之上分析细胞增殖、转移等生理活动。

人体瘤细胞三维培养模型的建立需要考虑许多因素。

首先，应选择合适的支架或基质，以便瘤细胞更好地定植在其中，并排列成均匀的细胞层。

其次，所选的细胞是十分重要的。

因为不同种类的癌细胞表现出的生物学特性有很大的不同，例如，有些癌细胞的增殖速度非常快，而有些则相对慢。

为了获得真实的模拟结果，应该选择与实际情况相似的种类。

同时，在种植之前，需要对细胞进行一定的前处理，以排除干扰结果的因素。

人体瘤细胞三维培养模型的优势在于其自主性，这是它超越传统方法的最大特点。

这种自主性使其能够在真实的背景中独立行动，并在无外界条件下自行进化。

同时，三维培养模型可以更真实地模拟癌细胞在人体中的发展、转移与响应药物等生理过程。

这种模型的愈合和转移效应的发展是病理生理学研究的重要方向。

培养模型可以为人们提供揭示瘤的发展规律，探索抗癌药物等药物筛选特性的基础。

但是，与普通二维培养相比，在三维培养中，液态成分和气氛的调节都是必须的，因此，问题的解决方案也增加了许多。

总之，人体瘤细胞三维培养模型是一种更真实、准确的癌细胞研究方法。

它可以更好地反映细胞生长环境和生物学特性，为癌症研究提供了更加全面的理论支持。

相信在未来，这种模型将会在癌症研究和临床应用中得到广泛的应用。

人体仿真技术的研究和应用

人体仿真技术的研究和应用随着科技的不断发展，人体仿真技术逐渐成为现代医疗领域中一个备受关注的热点。

人体仿真技术是指通过计算机模拟技术来模拟人体内部结构和功能的技术，包括人体仿真建模、仿真计算、仿真实验等多个领域。

近年来，在医疗诊断、外科手术、康复治疗等方面，人体仿真技术已经得到广泛的应用，为医学研究和治疗提供了更为精准和可靠的手段。

一、人体仿真建模人体仿真建模是建立仿真模型的第一步，它是对人体结构及其相互关系进行抽象和概括，建立一种数学模型，以便在计算机中仿真运算。

建立人体仿真模型需要大量的医学知识和解剖学基础，在人体结构与生理学方面有着极高的要求。

现阶段国内外已有多种人体仿真模型可供选择，常用的包括美国国家生物医学计算机模型(National Library of Medicine Visible Human Project)、日本国立信息学研究所(National Institute of Informatics)等。

二、仿真计算仿真计算是通过计算机模拟人体逐步运动的过程，以预测运动的结果和效果，有着广泛的应用领域，例如在药物设计中，仿真计算可以建立药物与生物大分子的三维结构，并预测药物分子与生物大分子之间相互作用。

三、仿真实验仿真实验是模拟现实实验的一种手段。

在医学领域中，通过进行仿真实验，可以减少人体动物实验中的风险和成本，并提高研究效率和精度。

同时，仿真实验还可以避免人体实验不符合伦理和安全规范的尴尬情况发生。

四、人体仿真技术在医学领域中的应用1、医学影像领域利用人体仿真技术，可以对人体进行三维重建，从而实现人体内部的可视化显示，为医生的诊断和治疗提供更为准确和可视化的信息。

例如，在CT和MRI技术中，利用人体仿真技术可以进行图像处理分析，对人体的病灶和治疗计划进行模拟，从而为医生提供更加精准的疾病诊断和治疗方案。

2、医学治疗领域在医学治疗方面，人体仿真技术可以模拟手术过程，对手术方案进行优化和验证，尤其是在复杂手术的情况下，可以减少手术风险，提高手术成功率。

三维重组人工皮肤模型在化妆品安全性评价中的应用

三维重组人工皮肤模型在化妆品安全性评价中的应用孔雪聂鹏举何文丹唐颖*（中国化妆品创新协同中心/北京市植物资源研究开发重点实验室/北京工商大学理学院化妆品系，北京100048）摘要: 化妆品安全性评价是对化妆品进行从原料选用到准投放市场产品的潜在不良反应进行定性和定量的毒理学评价。

基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算技术

第43卷㊀第6期2023年㊀11月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.43㊀No.6㊀㊀Nov.2023㊃剂量学基础㊃基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算技术赵㊀日1,2,刘兆行1,2,刘㊀娜1,王仙祥1,张㊀静1,2,梁润成1,2,刘㊀鑫1,2,令狐仁静1,戴雨玲1(1.中国辐射防护研究院,太原030006;2.核药研发转化与精准防护山西省重点实验室,太原030006)㊀摘㊀要:为提高人体辐射剂量计算精度,满足精准防护需求,建立了基于可变形面元模型的人体辐射剂量计算技术完整方法,包括人体数字面元模型的变形算法与面元模型高速蒙特卡罗计算方法㊂其中面元模型的变形采用刚体旋转矩阵㊁体积图拉普拉斯算子和近似刚体变换三种算法分别实现骨骼㊁软组织和内部器官的变形;模型高速蒙卡计算则基于Delaunay 四面体切割技术㊂基于此,进行可变形面元模型与不可变形体素模型剂量计算对比试验,结果表明,蹲姿底向照射时,面元模型比直立体素模型得到的有效剂量高51.2%,器官剂量高至98.6%;跪姿前向照射时,面元模型比直立体素模型得到的有效剂量高58.7%,器官剂量高至98.0%㊂重点突破了新一代剂量计算技术中的面元模型变形㊁高速蒙特卡罗计算等关键环节,为国内进一步发展高精度剂量计算提供了重要支撑,未来有望在精准防护应用中实现人员剂量的精准评价㊂关键词:辐射剂量;面元模型;可变形;四面体切割;精准防护中图分类号:TL72文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-10-12作者简介:赵日(1988 ),男,2010年毕业于清华大学核工程与核技术专业,2018年毕业于清华大学核工程与核技术专业,获博士学位,副研究员㊂E -mail:zhaor.abc@㊀㊀人体辐射剂量计算是指利用计算机蒙特卡罗(monte carlo,MC)模拟电离辐射在环境和人体中的输运过程从而得到人体各处所受剂量值的技术㊂该仿真计算无需在人体布设实体剂量测量设备,且可在现场辐射作业开展前或完成后进行预测性或回顾性虚拟计算,同时,能给出全身任意处(包括内部器官㊁眼晶体等)的剂量结果,剂量分布空间分辨率可达毫米甚至微米级,因此,与传统佩戴剂量计的剂量监测相比更便捷㊁灵活且精细,近年来越来越受重视,已成为预测性和回溯性职业照射人员剂量评价及健康防护的关键技术㊂人体辐射剂量计算中使用的人体数字模型是决定计算效果的关键㊂目前应用最广的是体素模型[1-3],使用体素(voxel)定义人体结构,类似于人体断层CT 图像下使用像素(pixel)描述2维图像㊂ICRP 116号报告给出的人体外照射剂量转换系数就是基于体素模型计算得到的㊂然而限于体素模型的内在构造机制,模型不能进行姿态调整,只能保持直立姿态,因此严格来说,当前基于体素模型的剂量计算只适用于直立人体静态剂量评价,无法考虑人体姿态对受照剂量的影响㊂这一缺陷在均匀且强度不大的辐射场下尚能被接受,但在事故㊁应急等场景的高度非均匀强场条件下则会带来显著的剂量计算偏差㊂例如美国的Han 等[4]报道,使用单一直立姿态人体模型进行事故剂量重建时,器官剂量最大低估达78%,有效剂量低估为19%;Yoem 等[5]研究显示,非均匀辐射场中,不同姿态下人体红骨髓㊁肺㊁胃㊁结肠㊁乳腺㊁性腺等器官的剂量差异显著,其中性腺差异最大,极端情况下相差可超过两个数量级㊂因此,实际应用中亟需一种能够精确计算受照人体在各种姿态下所受剂量的新技术㊂近期,ICRP 145号报告给出了一种全新的基于表面约束几何的参考人数字计算模型MRCPs (mesh-type reference computational phantoms),为更高精度的人体辐射剂量计算提供了可能㊂这种新㊃335㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期形式的模型被称为BREP (boundary representative phantom)模型㊁Mesh 模型或面元模型(本文使用面元模型代指)[6-7],如图1所示㊂得益于底层数学形式的灵活性,面元模型同时具备可姿态调整和高分辨率两方面优势,模型所有部分均可以进行自由移动㊁变形,极大的弥补了体素模型的缺陷,且模型空间分辨率没有下限,可保证组织器官轮廓的光滑性以及对微米级几何结构的精确描述,突破了体素模型毫米级分辨率下限和锯齿形轮廓的限制[8-10]㊂图1㊀人体数字面元模型示意Fig.1㊀illustration of mesh-type phantom目前,国外初步开展了基于面元模型的人体辐射剂量计算新技术研究㊂例如美国的Vazquez 等[11]利用人体面元模型和动作捕捉系统对一起严重临界事故进行了剂量重建研究㊂使用动作捕捉系统来对人体动作进行记录,然后对面元模型变形重现这些动作,结果显示,新方法得出的剂量值与躯体症状相关性更好㊂Yeom 等[12]计算了行走㊁坐㊁弯腰㊁跪㊁蹲共5种姿态在6种照射条件(即AP㊁PA㊁LLAT㊁RLAT㊁ROT㊁ISO)下的外照射㊀㊀㊀㊀㊀剂量转换系数㊂国内仅有少数相关报道,这些零星研究对面元模型的变形过程比较粗糙,无法保证变形的物理合理性和几何光滑性,同时仍需将变形后的面元模型体素化成体素模型才能开展计算,使得面元模型的优势无法体现[13-14]㊂为此,本文开展了系统性研究,构建了精细化的面元模型变形方法,实现了面元模型的直接高速MC 计算,为国内进一步开展㊁应用新一代高精度剂量计算技术奠定了基础㊂1㊀人体数字面元模型变形方法㊀㊀对面元模型进行变形是实现不同姿态人体剂量计算最关键的技术环节㊂但面元模型的数学结构高度复杂,且软组织(肌肉㊁皮肤㊁血管㊁淋巴组织)㊁内部器官的真实变形无法被实际观察,而目前已有的研究中的变形都太过粗糙,大多是依据关节的旋转而对软组织㊁器官进行直接旋转,与真实物理景象差别很大㊂所以鉴于骨骼㊁软组织㊁内部器官三部分的物理㊁几何特征的差异,分别进行变形,同时考虑到骨骼带动软组织㊁软组织带动器官变形的物理原理,因此按照骨骼㊁软组织㊁器官的顺序依次变形,且为降低变形过程的复杂度,假设变形是时序进行的,对一部分进行变形时,其余部分形状未开始改变㊂使用ICRP 145号报告给出的男性㊁女性参考人数字面元模型MRCP_AF 和MRCP_AM,依次建立模型的骨骼㊁软组织和内部器官形变方法㊂具体算法如下㊂(1)骨骼调整读取待旋转骨骼的整个网格点数据,确定骨骼关节中心,以该处为旋转中心,确定旋转方向和旋转角度,然后计算旋转矩阵,基于该矩阵计算骨骼中各网格顶点的坐标旋转变换㊂旋转时,任意点的坐标按式(1)三维空间中绕任意轴进行旋转的旋转矩阵进行变换:R =cos θ+u 2x (1-cos θ)u x u y (1-cos θ)-u z sin θu x u z (1-cos θ)+u y sin θu y u z (1-cos θ)+u z sin θcos θ+u 2y (1-cos θ)u y u z (1-cos θ)-u x sin θu z u x (1-cos θ)-u z sin θu z u x (1-cos θ)+u x sin θcos θ+u 2z (1-cos θ)éëêêêêùûúúúú(1)式中,R 为绕轴u ⇀旋转θ角的变换矩阵,u x ㊁u y ㊁u z 分别为向量u ⇀在x ㊁y ㊁z 坐标轴的分量㊂待旋转的关节部位主要有15个,即肩关节(2个)㊁肘关节(2个)㊁腕掌关节(2个)㊁髋关节(2个)㊁膝关节(2个)和踝关节(2个)㊁脊柱关节(简化为3个,颈关节㊁腰关节㊁骶关节)㊂变形效果如图2所示㊂㊃435㊃赵㊀日等:基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算技术㊀图2㊀本文实现的骨骼旋转、变形效果Fig.2㊀Bone rotation and deformationrealized in this paper(2)软组织变形接下来对各关节周围的软组织(肌肉㊁皮肤㊁血管)进行变形㊂采用体积图拉普拉斯算子法[15] (volumetric graph Laplacian,VGL)对每个关节周围区域的网格进行变形㊂VGL算法的最大优点是可以保持曲面内体积不变并避免曲面局部自交,另外其计算速度也较快㊂VGL算法的主要原理是:对于待变形网格M,构造一个填充网格内部的体图和一个覆盖网格外侧的体图,用来防止曲面内部体积的收缩和曲面的自交,然后通过类似泊松变形的传播方法将控制曲线的变换显式地传播到感兴趣区域,最后通过线性变分求解变形后网络坐标㊂算法的实施过程描述为求解式(2)目标函数的极值: minðn i=1 L M i v i-εi 2+αðm i=1 v i-u i 2+ (βðN i=1 L g i v i-δi 2)(2)式中,L M为网格M的离散Laplace算子;v i为形变后网格的顶点坐标;εi为形变后网格的Laplace坐标;u i为控制点坐标;g为M围成的体积图;δi(1ɤiɤT)为形变后体积图的Laplace坐标;n为网格顶点总数;m是控制点数目;T为体积图顶点总数;α㊁β均为约束强度调节参数㊂可见,目标函数分为三个部分,分别刻画对网格表面几何细节㊁用户指定约束和体图细节的保持程度㊂变形效果如图3所示㊂(3)内部器官变形最后,根据骨骼和软组织的变形来确定器官变形㊂变形采用的是近似刚体变化(as-rigid-as-possible,ARAP)算法,这是因为器官面元结构复杂㊁变形精细,与VGL相比ARAP[16]能更好地应用于较为复杂的网格,且能实现更加真实㊁自然的图3㊀实现的软组织变形效果Fig.3㊀Soft tissue deformation realized变形效果㊂设C至Cᶄ为刚体变化,则其变换过程中存在旋转矩阵R i如下:Pᶄi-Pᶄj=Ri(p i-p j),∀jɪN(i)(3)式中,p i㊁p j为模型变形前一对顶点的坐标;Pᶄi㊁Pᶄj为该对顶点变形后的坐标;N(i)为顶点i的相邻顶点集合㊂ARAP变形算法的核心能量函数如式(4)所示,通过最小化该能量函数实现模型的尽可能刚性变形,此为形状匹配问题的加权实例㊂E(Ci,Cᶄi)=ðjɪN(i) w ij(pᶄi-pᶄj)-R i(p i-p j) 2(4)式中,C i和Cᶄi分别为变形前后模型顶点p i和pᶄi 对应的变形单元;点p j和pᶄj分别为点p i和pᶄi的1邻域顶点;R i为C i到Cᶄi的最优旋转矩阵;w ij为pi㊁p j所构成边e ij=(p i,p j)的权重㊂器官变形效果如图4所示㊂图4㊀本文实现的器官变形效果Fig.4㊀Organ deformation realized in this paper2㊀人体数字面元模型高速MC计算技术㊀㊀面元模型虽然能直接输入Geant4等MC计算程序,但计算速度极慢,一般单次模拟耗时为数十小时,无法满足实际应用需求,其根本原因是每一步的粒子输运均需将粒子位置与所有面元位置比较以确定输运步长㊂本文建立了一种基于四面体㊃535㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期剖分的计算技巧,大大提高了计算速度㊂具体来说,使用特定的四面体剖分算法将面元模型中由三角形面构成的几何空间分解为由无数单个四面体构成的网格,这样每步粒子输运只需将粒子位置与单个四面体进行位置比较,从而大大缩短计算时间㊂空间四面体剖分算法主要有Delaunay 算法[17]㊁八叉树(octree)以及AFT 算法等,而其中Delaunay 三角化方法算法计算效率较高且剖分单元质量好,因此本文使用Delaunay 算法来实现面元模型的四面体剖分㊂算法流程如图5(a)所示,四面体分割加速计算的原理如图5(b),面元模型四面体切割后的效果如图5(c)㊂(a)基于Delaunay 算法的四面体切割流程图;(b)四面体切割提高计算效率的原理;(c)四面体切割实际效果㊂图5㊀四面体切割原理及效果Fig.5㊀Principle and effect of tetrahedralization3㊀与不可变形体素模型剂量计算的比较为分析和验证可变形人体模型在剂量计算上的优势,本文基于上述建立的面元模型剂量计算方法并利用开源MC 程序Geant4计算了两种姿态人体在两种照射条件下的剂量,并与体素模型的计算结果进行了比较㊂计算条件如下:(1)人体模型数据来源:面元模型为MRCP(来源ICRP 145),体素模型为ARCP (adultreference computational phantom,来源ICRP 110),均选择其中的男性模型㊂(2)人体模型姿态:蹲姿和跪姿,如图6所示,其中面元模型采用了第2节所述方法进行姿态变形㊂(3)照射条件:661keV㊁1173keV㊁1332keV三种能量的伽马射线从正面和底面垂直均匀照射人体,三种射线数量比为1ʒ1ʒ1,以模拟作业环境中存在137Cs 和60Co 核素污染情况(两种核素活度比为1ʒ1),模拟时伽马射线面通量取3ˑ109/cm 2㊂(4)统计方法:计算了ICRP 116号报告给出器官权重因子的所有器官的当量剂量,以及眼晶体剂量和有效剂量㊂其他计算参数列于表1㊂计算结果如图7所示,具体结果列于表2㊂㊃635㊃赵㊀日等:基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算技术㊀图6㊀人体姿态与照射条件Fig.6㊀phantom posture and exposure conditions表1㊀面元、体素模型的若干参数比较㊀㊀从表2可见,前向照射条件下面元模型的有效剂量均低于体素模型结果,且器官剂量结果普遍显著低于后者㊂具体来说:蹲姿前向照射条件下,面元模型的有效剂量比体素模型低11.0%,器官剂量较体素模型结果最大差异达-33.2%,其中性腺低17.7%,红骨髓低23.0%;跪姿前向照射条件下,面元模型的有效剂量比体素模型低4.4%,器官剂量较体素模型结果最大差异达-20.1%,其中性腺低15.1%,红骨髓低9.3%㊂这是由于相比于直立姿态,蹲和跪时手臂㊁腿对前向入射的射线均有不同程度的遮挡,进而减少了人体胸腹部及性腺等的受照剂量,可见在这些条件下使用传㊃735㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期㊀㊀㊀㊀㊀图7㊀面元和体素模型在两种姿态、两种照射条件下计算结果的比较Fig.7㊀Comparison of results of mesh-type and voxel phantom undertwo postures and two irradiation conditions㊃835㊃赵㊀日等:基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算技术㊀表2㊀面元模型计算结果与体素模型结果的差异Tab.2㊀Difference of calculation results between mesh-type and voxel phantom results统基于体素的剂量估算方法会高估实际剂量值㊂㊀㊀底向照射时则正好相反㊂此时面元模型的有效剂量显著高于体素模型结果,且器官剂量普遍大幅高于后者㊂蹲姿底向照射条件下,面元模型的有效剂量比体素模型高51.2%,器官剂量较体素模型结果最大差异达98.6%,其中性腺高63.1%,红骨髓高78.3%;跪姿底向照射条件下,面元模型的有效剂量比体素模型高58.7%,器官剂量较体素模型结果最大差异达98.0%,其中性腺高59.9%,红骨髓高75.9%㊂这是由于相比于直立姿态,蹲和跪时双腿叉开,使得有更多底向入射的射线直接照射人体胸腹部及性腺等,可见在这些条件下使用传统基于体素的剂量估算方法会大大低估实际剂量值㊂另外,面元模型的眼晶体剂量计算结果均高于体素模型,造成这样差异的主要原因是体素模型使用体素表示人体器官组织,在眼晶体等较精细器官的表示上较为粗糙,空间分辨率较差,而面元模型则能更好地表征精细结构,这一差异体现在剂量结果上㊂通过比较可见,目前基于体素模型的人体剂量计算技术难以表征人体姿态对受照剂量的影响,给出的有效剂量可低估超过50%,器官剂量低估可能接近100%,计算精度无法满足日益发展的精准防护概念的需求,而基于面元模型的剂量计算技术则可较好地解决不同人体姿态下的剂量计算问题,具备在事故剂量重建㊁应急监测等场景中付诸应用的潜力㊂4㊀结论当前基于体素模型的人体辐射剂量计算只能评价直立固定姿态下的人体剂量,无法评估人体姿态变化对受照剂量的影响,计算结果可能会有显著偏差,限制了其在精准防护实践中的应用㊂为解决可变人体姿态下剂量估算难题,发展新一代的人体辐射剂量计算技术,本文在国内率先建立了完整的人体数字面元模型变形算法和面元模型直接高速MC计算方法,其中面元模型变形采用刚体旋转矩阵㊁体积图拉普拉斯算子和近似刚体变换三种算法,分别实现了骨骼㊁软组织和内部器官的变形;面元模型直接高速MC计算则基于Delaunay四面体切割技术㊂上述算法㊁技术的构建为剂量精准计算的应用奠定了基础㊂基于此,本文比较了面元模型与体素模型的剂量计算结果,人体姿态为蹲㊁跪两种,射线从前向和底向照射㊂计算结果显示,前向照射条件下面元模型得到的有效剂量低于体素模型结果,器官剂量也普遍低于后者;而底向照射时正好相反,面元模型的结果均显著高于后者㊂该对比试验表明,目前基于体素模型的人体剂量计算技术在应用中可能带来较大偏差,有效剂量可能低估超过50%,器官剂量可能低估接近100%㊂综上所述,本文建立了完整的基于可变形面元模型的新一代人体辐射剂量计算方法,未来有望在核事故剂量重建㊁核电厂检修㊁核设施退役治理作业剂量预测及医学介入治疗医护人员精准防护等场景下实现人员剂量的精确评价㊂参考文献:[1]㊀Shi C Y,Xu X G.Development of a30-week-pregnant female tomographic model from computed tomography(CT)imagesfor Monte Carlo organ dose calculations[J].Medical Physics,2004,31(9):2491-2497.[2]㊀International Commission on Radiological Protection.Adult reference computational phantoms[R].ICRP Publication110,Oxford:Elsevier,2009.㊃935㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期[3]㊀刘立业.中国成年男性参考人体素模型及在剂量测量评价中的应用[D].北京:清华大学工程物理系,2010.[4]㊀HAN B,ZHANG J,NA Y H,et al.Modelling and monte carlo organ dose calculations for workers walking on groundcontaminated with Cs-137and Co-60gamma sources[J].Radiation protection dosimetry,2010,141(3):299-304.[5]㊀Yeom Y S,Han H,Choi C,et al.Posture-dependent dose coefficients of mesh-type ICRP reference computationalphantoms for photon external exposures[J].Physics in Medicine&Biology,2019,64(7).[6]㊀Segars W P.Development and application of the new dynamic Nurbs-based Cardiac-Torso(NCAT)phantom[D].University of North Carolina:Chapel Hill,NC,2001.[7]㊀Yeom Y S,Han M C,Kim C H,et al.Conversion of 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基于3D打印技术的人体组织工程产品的研制

基于3D打印技术的人体组织工程产品的研制随着3D打印技术的不断发展，越来越多的领域开始使用3D打印技术，其中人体组织工程产品的研制也开始逐渐引起人们的关注。

3D打印技术在人体组织工程产品研制中具有很大潜力，可以实现快速、精准的生产，为医疗行业带来了前所未有的变革。

一、3D打印技术在人体组织工程产品中的应用在人体组织工程产品研制中，3D打印技术已经得到很好的应用。

通过3D打印技术，可以快速、精准地制造人体组织工程产品，如晶体、假肢、手术模型等。

对于传统的手工制作方式，3D打印技术的一大优势在于可以大大节省时间，并且制作出的产品更加精细。

另外，3D打印技术还可以制造人体组织的生物打印体，这是目前最前沿、最先进的研究领域之一。

生物打印体可以帮助医生更好地进行手术模拟、手术预展和手术规划，进一步提高了医疗效率和准确性。

二、制作3D打印的生物打印体的流程要制作出3D打印的生物打印体，需要进行多个步骤。

首先，需要获取到关于该生物对象的高质量的CT或MRI扫描图像。

随后，需要使用计算机软件对图像进行分割，并将其转换为三维模型。

接下来，将这个三维模型上传到3D打印机中，进行打印。

在进行这个过程的时候，需要考虑很多因素，例如3D打印机所使用的打印材料、打印参数、打印时间和成本等。

此外，还需要选择最适合人体组织工程产品的打印材料，例如石膏、生物聚合物和人造骨等。

这些材料需要满足耐受性、生物相容性、耐久性和生物相似性等各种要求。

最后，制作好的生物打印体需要经过严格的检测，确保其符合人体生理结构要求。

这些检测通常包括模型的形状、大小、结构和机械性能等方面，以便确定生物打印体是否符合医疗应用要求。

如果不符合要求，则需要进行后续的修改和矫正操作。

三、未来的展望尽管3D打印技术在人体组织工程产品研制领域的应用已经初步展现了出色的潜力，但是仍然需要更多的研究和创新，以便拓展这种技术的应用范围和实用性。

未来，我们可以期待3D打印技术能够能够更广泛地应用到医学领域，为医疗行业带来更多前所未有的改变和进步。