【生物力学】《人体骨肌系统生物力学》- 王成焘老师 - 第2章

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【生物力学】《人体骨肌系统生物力学》- 王成焘老师 - 第2章 - 人体几何学测量与仿真建模

人体测量学 (anthropometry) 是人类学的一个分支学科，旨在通过对人体整体和局部测量，探讨人体的类型、特征、变异和发展规律。人体几何仿真建模是通过数字化技术构建数字化的人体模型，数字化的人体模型能够精确地再现人体复杂的三维结构，其应用是人体测量学的新的研究方向。

2.1 概论

人体测量学一般包括骨骼测量 (osteometry) 和活体（或尸体）测量 (somatometry)。

人体测量学主要任务是通过测量数据，运用统计学方法，对人体特征进行数据分析。骨骼测量可以提供人类在系统发育和个体发育各个阶段的骨骼尺寸。对不同年龄群体或个体进行人体测量，绘出生长曲线和生长速率曲线，可以找出人体生长发育的规律，同时也可以了解骨骼在生长和衰老过程中的变化关系。对不同进化阶段的古人类化石进行测量和观察，可以找出人类进化的规律，帮助我们了解人类进化过程中不同时期的骨骼发展情况及他们之间的相互关系。对不同种族、不同人群进行人体测量和分析比较，可以找出他们之间的共同点与差异，找出人类体制特征变异的规律，这是面向不同地区市场医疗器械设计的重要依据。体型测量可以为服装系列产品的设计提供基础数据。另外，通过活体测量确定人体的各部位标准尺寸，如头面部标准系列和体型标准系列，成果在法医与刑事部门中都已获得重要应用。

人体尺寸有两类，即人体静态尺寸和人体动态尺寸。人体静态尺寸是结构尺寸，人体动态尺寸则是功能尺寸，包括人体在各种生活和工作姿态下测量得到的尺寸。与人体外形几何尺寸分类对应，人体尺寸测量分为静态人体尺寸测量和动态人体尺寸测量。

2.2 人体几何学测量

人体几何形态是人体结构和功能在各种生活和工作姿态下的外在实现。人体几何学测量数据被广泛应用于医疗器械、机器、家具、武器、车辆和飞机座舱、服装设计、房屋、课桌和太空舱等设计中。

2.2.1 人体外部几何形态

人体外部几何形态包括静态和准动态两类。

2.2.2 人体尺寸测量与统计处理

人体尺寸测量是通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用来研究人的形态特征，从而为各种安全设计、工业设计和工程设计提供人体测量数据。

2.2.3 中国人体尺寸标准统计测量数据

2.2.4 人体各部位比例及人体间尺寸换算

人体各部分尺寸在正常情况下有一定的比例关系。

2.2.5 人体活动范围测量

2.3 人体骨肌系统三维几何建模的数据来源

人体骨肌系统几何建模的解剖数据主要来自冷冻切片、CT、MRI 医学影像数据。

2.3.1 冷冻切片数字摄像

近年来出现了尸体冷冻切片获取技术，通过对志愿者尸体标本进行低温冷冻，然后采用精密数控机床将冷冻尸体标本进行逐层铣切，对每一新暴露的断层用高分辨率数码相机拍照存储，构成清晰的软、硬组织解剖学数据，最终形成全身的数字断层数据库，其缺点是冷冻后软组织有少量变形，是目前的改进方向。

2.3.2 CT 与 MRI 医学影像数据

自 19 世纪末，德国科学家伦琴发现 X 射线并将其用于医学检查以来，CT、MRI 等新的成像技术和设备的不断涌现使得能够采用无创的方式得到人体内部结构和器官的影像，从而能更真实客观地了解人体解剖与生理功能状况及病理变化。

CT 包含通用 CT、micro-CT、牙-CT 等类型，其中，通用 CT 设备已发展到 256 排，断层间距 0.32mm。然而，目前 CT、MRI 等设备存在一定的技术限制：CT 图像对硬组织的分辨较好，对软组织的分辨较差；而 MRI 图像对软组织的分辨较好，对硬组织的分辨较差。这些限制使得单一 CT 或 MRI 图像不能够完全表现人体骨肌系统建模所需要的解剖学数据，必须对同一对象用两种不同手段分别获取，分别进行处理，然后通过图像配准技术融合为完整骨肌系统三维模型。

2.4 基于冷冻切片数据的人体骨肌系统三维几何建模

2.4.1 骨骼的数据处理与三维建模方法

2.4.2 骨骼系统的三维几何仿真模型

2.4.3 肌肉的三维几何建模与配准

2.5 基于医学影像数据的人体骨肌系统三维几何建模

CT、MRI 医学影像数据是较为传统和常用的几何建模数据获取手段。

2.5.1 医学影像数据的获取

医学数字图像标准 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 是 ACR-NEMA (American College of Radiology-National Electrical Manufacturers Association) 为了统一各设备（包括 CT 图像、MRI 图像和超声波图像等）的接口标准。