《基于MAYA的三维可视化膝骨性关节炎经筋病灶点医学图像》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MAYA的三维可视化膝骨性关节炎经筋病灶点医学图像（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 基于MAYA的三维可视化膝骨性关节炎经筋病灶点医学图像 传统意义上的三维可视化技术是指运用计算机图形学和图像处理技术,将三维体数据转换为二维图像或图形模型,并在计算机上显示、处理及交互的理论、方法和技术1.随着计算机图形图像等技术的不断发展,以逐步被应用于医学领域,开创了数字医疗的新时代.医学图像三维重建及可视化技术是一种运用计算机图形学、图像处理、计算机视觉以及人机交互技术,将医学图像数据转换为图形或图像在电脑屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术.目前该技术是当前医学图像处理的研究热点,已经有许多的学者对 3D 标量数据场( 如: CT、MRI 等图像构成的标量体数据) 的三维
2、可视化进行研究.但是,由于 X - 射线计算机断层成像技术( Computed Tomography,缩写 CT) 和磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging,MRI) 成像会受采集断面精度影响与采集灰色图像的制约,从而限制了三维可视化图像的精度及仿真效果.此外,相对于西医学科,中医学科特有的穴位及经筋病灶点不能确切的通过 CT 和 MRI等常规手段采集出医学图像,很难建立出标准的三维可视化图像提供给临床医学及教学研究.医学图像的三维可视化可以通过世界顶级三维软件Maya 来实现.本研究根据膝骨性关节炎病灶点断面图像数据,通过 MAYA 数字化技术制作膝部经筋循行区域
3、、病灶点及经筋的三维可视化结构.利用计算机图像重建技术将一系列二维图像转换为三维数字模型,不但能精确、直观地显示膝骨关节复杂的内部三维结构和毗邻众多组织的空间位置关系,而且可在三维空间任意显示、测量、旋转、切割、重组、缩放.通过三维可视化数字模型,为中医学科诊断病情实现三维诊断分析、为中医学科临床治疗方法( 如灸法、针刀、长圆针等) 选择提供科学的依据.使膝骨关节病的研究向三维空间的定量研究发展,从解剖结构研究向三维解剖结构与生理功能同步研究发展,并将成为未来膝骨关节炎经筋病灶点损伤诊治的新的发展方向和生长点.1 膝骨性关节炎经筋病灶点触诊规律膝骨性关节炎( knee osteoarthrit
4、is,KOA) ,是一种以关节软骨退行性病变和继发性骨质增生为主要病理特征的慢性骨关节疾病,大多都属于经筋损伤而引起的疾病,中医在治疗经筋疾病方面有着非常大的优势.本研究前期随机筛选 516 例膝骨性关节炎患者的 765 个膝关节,经长期临床观察发现膝骨性关节炎的疼痛部位具有规律性的分布,并且与经脉、经筋的循行相关.通过对古典循膝部经筋理论的研究,结合现代临床生物力线的解剖学特点,采用触诊法总结出 KOA4 类经筋辨证分型中膝关节疼痛部位附近的结筋病灶点,并且沿生物力线,在经筋的远端附着点也找到了相应的疼痛反应点,即远端结筋病灶点2.足阳明经筋的常见结筋病灶点分布规律; 足太阳经筋的常见结筋病
5、灶点分布规律; 足少阳经筋型的常见结筋病灶点分布规律; 足三阴经筋型的常见结筋病灶点分布规律.2 基于 MAYA 的三维可视化具体实施流程人体膝骨关节医学图像三维可视化影像的制作主要是基于 Maya 为核心的计算机图形工作流.Maya 是美国 Au-todesk 公司出品的世界顶级三维动画软件,被广泛应用于电影特技、图形可视化、游戏设计及开发、网站资源开发等.Maya 是一个以高度可扩展性工作流为基础的强大工具,制作效率极高,渲染真实感极强,是电影级别的高端制作软件.Maya 可在 WindowsNT 与 SGIIRIX 操作系统上运行,借助 Maya 的各项功能,可以完成各种具有挑战性的制作
6、工作.由于 Maya 是计算机图形工作流的主要核心,并兼具稳定性和可扩展性,提供强大的动画、建模、模拟、渲染、运动匹配技术及合成集成化工具.所以,在数字图形可视化和三维制作的计算机大型软件中,Maya 成为本研究首选的解决方案.将二维数据转化为三维数据是膝骨关节医学图像三维可视化的核心工作,主要涉及五大方面的工作内容: 前期总结膝骨性关节炎病灶点分布规律及数据、制定数据采集方案、数据采集、三维数据的制作以及渲染合成三维数据等.本项目三维可视化实施流程如图 1 所示.2. 1 分析三维可视化制作内容 运用计算机图形学和图像处理技术,制作人体膝骨关节医学图像三维可视化影像,涉及学科领域多,并且工作
7、流程复杂.因此在制作医学图像三维可视化影像前,首先应根据前期研究成果仔细分析所需制作的内容,将工作主要分解为以下四大部分: 标准人体.通过计算机三维制作软件 MAYA 及高级数字雕刻软件制作一个与真实等高的男性人体.膝骨关节系统.膝关节是人体关节软骨面积最大和滑膜最多的关节,其内部结构也最为复杂,作为负重关节,它的运动远非一个单纯铰链式运动.膝关节周围遍布肌肉、肌腱、韧带、筋膜等,其滑液囊的数量在人体关节中所占数量最多.此部分内容通过计算机三维制作软件 MAYA 及数字绘图软件来制作完成.经筋系统.从现代医学来看,经筋是软组织形态的高度概括,其主体包含肌肉、肌腱、腱鞘、筋膜、韧带、关节囊、滑膜
8、、滑囊、纤维管、脂肪垫等,是人体筋肉系统的总称3.此部分内容通过计算机三维制作软件 MAYA 及相关三维可视化软件来制作完成.结筋病灶点.依据前期研究总结的足阳明、足太阳、足少阳和足三阴经筋常见结筋病灶点分布规律,通过影视后期合成与编辑软件中为人体膝骨关节医学图像三维可视化影像添加经筋病灶点,并配以医疗研究说明字幕.2. 2 可视化模型( the Visualization Models) 三维数据的获取是通过分析临床观察发现膝骨性关节炎的疼痛部位的分布规律,对应 CT、MRI、组织切片等序列图像数据,建立三维模型设计底图.本研究建模采用基于几何造型的建模技术与基于数字图像的建模技术相结合的方
9、式.如插页图 2 所示,基于几何造型的建模技术是由专业人员通过使用大型三维制图软件 Maya,运用计算机图形学、艺术设计和解剖学相关知识,构建高精度的三维人体模型.基于数字图像的建模技术是使用专业单反数码相机对人体局部进行多角度拍摄,通过对数字图像自动重构,获取精确三维模型的方法.这两种方式相互结合,可以最大的提高三维模型的精确度、艺术性,提高制作效率,节约制作成本.使用 Maya 标准技术构建具有简单拓扑的基础模型,其三维文件常被保存为经过优化的 MB 格式,但 MB 文件格式通常无法兼容其他数字处理程序,影响三维可视化工作流程的实施.针对格式不兼容的问题,其解决方案是导出通用文件格式来保存
10、关于三维模型的信息.用于在建模程序之间传送几何信息的文件格式最常用的是 OBJ( Ob-ject) 和 DXF( Drawing Interchange Fomat) ,在本研究中使用OBJ 格式.导出的 OBJ 文件含有关于顶点的位置和法线、相关的图像映射以及物体面的几何信息,导出的文件将导入到高级数字雕刻软件中处理细节.2. 3 UV 映射器与高级数字雕刻 在为三维模型绘制高分辨率贴图前,给三维表面进行 UV 映射是十分必要的工作.一般而言,一张贴图是由一系列的像素组成的,每个像素基于贴图的水平值和垂直值对应一个贴图坐标.这些贴图坐标沿着 UV 坐标( U 为水平值,V 为垂直值) 被映射
11、从 0 1范围内.这个过程叫做 UV 映射,坐标被称为 UV 坐标.UV 映射是三维表面着色过程的一个重要部分,使用 UV 坐标定义图像贴图是一种非常精确的方法,将被映射的图像的特定像素与三维多边形结构中的特定顶点进行匹配,有效的避免了贴图在三维表面的拉伸变形.由于本研究中的三维模型多为高精度多边形,UV 点的数量极大,导致映射编辑工作量大.为了提高工作效率,采用了由美国 Headus公司出品的一款 UV 映射专用软件 UVLayout.它基于物理算法,与传统 UV 映射方式相比较,可以快速、便捷的展开三维物体的 UV,贴图非常准确的放置到三维表面中,并且与 MAYA 可进行无缝式操作连接.为
12、了制作照片级别的三维人体,需要通过塑造人体肌肉结构与皮肤的细节来增加视觉真实感.本研究使用由 pixo-logic 公司出品的专业三维数字雕刻建模软件 ZBrush 与Maya 的建模流程相结合,制作复杂高分辨率模型.通过ZBrush 的雕刻笔刷塑造逼真的人体组织结构造型和肌肉肌理,塑造出皱纹等微小的皮肤细节.由于导入 Zbrush 的OBJ 模型已经含有正确的 UV 映射信息,所以可以在ZBrush 中将模型的复杂细节烘焙解算,并导出高分辨率纹理贴图和精确的法线贴图.烘焙的纹理贴图和法线贴图可以被所有的大型三维软件 Maya、Max 等识别和应用,此工作流程将最复杂最耗费精力的角色建模和贴图
13、工作变为便捷高效.2. 4 高分辨率纹理贴图绘制,使用 SSS 材质 制作高分辨率纹理贴图主要基于对以下四类图像的整合.其一,以CT、MRI 等医学图像数据为设计底图.其二,通过 ZBrush将模型的复杂细节烘焙解算导出高分辨率纹理贴图和精确的法线贴图.其三,使用专业单反数码相机对人体局部进行多角度拍摄,通过数字绘图软件整理、拼接获取精确的摄影图像.其四,使用激光扫描仪扫描局部肌肉组织或已有图片资料.通过数字绘图软件提供的各种类型的笔刷和笔触、各种颜色和密度的颜料,处理、修补以上四类数据图像,创建统一的、真实的二维高分辨率贴图.为了以后精确渲染,要非常注意贴图的细节,图像贴图选用 2048 2
14、048 像素.本三维可视化研究的材质使用 MentalRay 提供的次表面散射材质.在计算机图形学中,SSS 是次表面散射材质( Subsurface Scattering) 的英文缩写,是一种解决半透明物体材质渲染问题的方法,这个方法的核心就是构造了一个适当的双向表面散射反射率分布功能( Bidirectional surfacescattering reflectance distribution function,缩写 BSSRDF) ,一个描述光线如何被物体反射的函数.这种技术能够处理所有的皮肤和相似的表面材质,把它们变成散射光可以通过的材质4.如图 3 所示,人物体表皮肤可分为表皮层
15、( epi-dermis) 和真皮层( dermis) 两层,我们所看到的真实皮肤效果是进入皮肤的光线因皮肤组织的不同,产生不同的散射半径和散射强度.通过次表面散射材质,快速生成具有层次感且真实的半透明皮肤、脂肪和肌肉所特有的视觉效果.2. 5 全面的检查数据质量 制作完成三维模型与纹理数据后,要进行全面的数据质量检查,对项目中的错误进行及时修改.其检查内容主要包括以下三方面: 数据的完整性.肌肉和骨骼模型数据应符合本项目根据膝骨关节医学图像三维可视化制作提出的内容及各项技术指标,并符合医疗解剖学标准的要求,无遗漏.各类信息要素的几何表现应准确,数据的命名、分层与组织不能有重复或遗漏.确保三维
16、模型、UV 数据与贴图数据相对应、无遗漏.数据逻辑的一致性.三维模型的面状要素应闭合,拓扑结构是否正确,检查三维模型的法线是否统一.三维模型的线状要素的接点匹配应准确,裂边的线段要及时发现并缝合.三维模型的点状要素应具有唯一性.三维模型的 UV 要素应均匀、无叠压,布局要合理统一.贴图数据命名、格式、分辨率和艺术风格要具有一致性.数据的精确性.确保三维模型能精确的再现实际人体解剖关系.确保贴图数据的准确无误,清晰完整,对有接缝的贴图做无缝化处理.2. 6 灯光与摄像机动画 本项目光照系统,主要使用两种方式制作.首先,使用传统添加虚拟灯光的方式,通过调节灯光属性及物体阻光度参数,控制三维角色模型光照强度、颜色与特殊视觉效果.但创建高度真实的图像
