3DMAX在虚拟人穴位模型三维重建中的应用

摘 要： 经络学是中医理论的重要组成部分，但经络的物质基础尚无定论；现有虚拟人体技术反映了丰富的解剖学上的细节，但未能包括对经络和中医人体穴位的描述。针对这些问题，以中医针推理论为指导，以中国人体穴位真实标本素材为基础，用3DMAX技术建立了一个对于人体穴位定位及针刺方向描述的模型，描述了利用三维可视化方法建立的空间模型，以及组织成为层次型文本知识体系的解释模型，以反映详细的解剖学相关知识

关键词： 经络； 人体穴位； 仿真； 三维重构

中图分类号：TR 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2012）05-16-02

3DMAX in virtual human Acupoint Model3D reconstruction in application

Luo Qunfang, Lu Linxiao, Fang Hui, Ye Hanxiao

（Zhejiang Chinese Medicine University， Hangzhou， Zhejiang 310053， China）

Abstract： The meridian is an important part of Chinese medicine theory, but the material basis of the meridian is inconclusive; existing virtual human technology reflects the weath of anatomical detail, but fails to include a description of the body acupuncture points on the meridians and TCM. Chinese medicine needle to push the theory as a guide to humanacupuncture points of the real specimen material is based on a modeldescribed in the human body acupuncture point location and needling direction 3DMAX technology, describes the use of three-dimensionalvisualization methods to establish the space model. And the organization as a hierarchical text interpretation model of the knowledge system to reflect the detailed anatomical knowledge, and ultimately avisual model of electronic map display three-dimensional shape of thebody acupuncture points based on Chinese philosophy.

Key words： meridian； human acupuncture points； simulation； 3D reconstruction

0 引言

经络学是中医理论的重要组成部分。经络在临床上的应用主要表现为穴位治疗。临床针灸学的发展有赖于对人体穴位的正确体表定位和三维空间结构的精确描述和显示。但一方面，经络和穴位的物质基础尚无定论，有观点认为穴位与神经系统关系密切，也有观点指出人体穴位处毛细血管丰富、排列规则。另一方面， CT、MRI因分辨率原因均不足以给出神经和毛细血管的信息。因此，目前依据中国人体穴位真实标本图像资料，还不能给出神经和毛细血管的细微结构，以及中医人体穴位的丰富信息。传统的对于人体穴位的定位和形态学的数据是基于经典中医理念得出的，是我国古代医学家长期医疗实践的总结；针灸的疗效也已有定论，但针刺的不同深度和角度会导致不同的治疗结果，特别是对于那些危险人体穴位，正确施针，疗效奇佳，但运针过度可能引起致命伤害。中医的这些经验如何以可视化的方式直观、多层次地加以表达，是一个亟待解决的问题。

我们通过本课题研究，将基于中医理念获得的关于人体穴位的知识融入目前国际上开发较成熟的3DMAX技术，重建了三维可视化人体穴位模型，建立了结合人体穴位描述的中医虚拟人模型，使有关人体穴位知识的表达更直观，更有层次感，使针灸的进针理论可视化、动态化。虚拟人体穴位模型包含丰富的关于人体穴位的中医学知识和临床意义。这样建立的穴位描述，为穴位在结构及生理功能上的进一步研究建立了形态学三维显示基础。运用计算机仿真技术，将中国人的穴位组织结构客观仿真重建，特别是仿真穴位处的组织，使这些组织在屏幕上可以从任何角度被观察，显示针刺结构，以提高准确度和避免针刺意外，对临床医生有很好的指导作用，可进一步充实和验证穴位解剖结构法人立体构筑理论，服务中医针灸推拿等基础和临床学科。

1 虚拟人体穴位模型重建的理论基础

经络穴位理论的基础是阴阳五行、脏腑经络。有很多医生和学者正在研究经络穴位理论与现代医学之间的关系，但得到的结论通常是局部的。从医学影像学的角度，系统地整理中西医结合的现有成果，有助于研究人员进一步从医学影像上对经络穴位的本质加以探索。

目前，中医针灸治疗手段主要依赖于医生的经验。如果能将人体三维医学影像内容作为另一种施治的参考，将有助于针灸临床医生避免针刺意外和提高针刺疗效，是一种理想而直观的中医电子解剖学手段。同时，医学影像图谱的应用，也有可能促进产生新的简便的辅助治疗方法，为中医针灸走向世界打下坚实的基础[1]。

作为世界医学领域的一朵奇葩，中医理论已经得到世界医学界的认可和推崇。如果在西医人体三维图谱逐渐发展、成熟的同时，建立以中医理论为基础的具有中国特色的人体三维医学影像图谱，进行推广和教育，将更有助于中医理论的普及和发展。针灸穴位三维虚拟人体模型正是基于先进的计算机仿真技术，以中医理论和经络穴位理论以及医生临床经验为指导而建立的。

2 针灸穴位在三维虚拟人体上的定位

在人体三维医学图像上进行穴位定位所遇到的最大难题是：一方面，在目前的影像手段中，没有一种手段可以像显示肌肉神经组织那样显示出真实的经络穴位结构，即人体经络穴位结构是不可观测的；另一方面，经典的穴位定位方法的某些部分使用的标志结构过于细小而在图像上不可分辨，比如毛发。因此在穴位定位过程中，我们要通过适当的途径，结合实际应用中的医学经验，解决上述问题。从描述方法来说，本次人体三维医学图像使用的是一套完全不同于经典中医针灸穴位定位方法的描述体系[2]。

2.1 头部穴位定位

人体三维医学图像的三维坐标系的方向是基于存储方式的，而坐标系的方向是基于图像内容的。习惯上，人体有前后左右上下之分，坐标系就根据图像中人体的前后左右上下确定。

这样，经典的穴位定位中使用的描述可以方便地在坐标系中得到对应。人为规定，人体左右方向为x方向，从右至左x坐标值递增；人体前后方向为y方向，从前至后y坐标递增；人体上下方向为z方向，从下至上z坐标递增。如图1所示。

图1 头部穴位定位1

人体头部的经穴共有64个，其中有63个位于体表，一个位于口腔内。位于体表的63个经穴，可以认为分布在三个区域：面部，头顶部和侧头部。从医学经验得出，位于面部的穴位横向定位一般采用横寸，纵向定位依照体表标志；位于头顶部的穴位横向定位采用横寸，纵向定位采用直寸[3]；位于侧头部的穴位采用体表标志定位。经典的中医针灸穴位定位方法中穴位定位的描述，是基于人体表面的二维描述方法。其描述一般是从某个体表标志出发，向某个方向移动多少距离。比如，足太阳膀胱经的五处穴位的定位描述为：在头部，当前发际正中直上1寸，旁开1.5寸。这种描述方法的好处在于：在穴位定位的时候，不必要考虑与定标无关的人体体表其他高低不平的形态。作为穴位定位标志的人体标志是每个人都有的，形态明确的，尽管随个体差异有所不同，但位置相对固定的那些体表形态或骨性标志是有规律可寻的。

同样，在人体三维医学图像上进行穴位定位，由于人体表面存在高低不平的各种形态，并不规则；同时，根据不同原始数据重建出来的三维图像中，表示人体表面的曲面也可能是各不相同的。因此，如果直接用三维坐标来穴位定位和描述穴位位置，既不方便，又不容易与经典中医针灸穴位定位中的描述联系起来，而且不容易解决人体图像的差异性[4]。为了解决以上问题，我们借鉴中医学的经验方法，采用二维坐标，将穴位位置在坐标系中描述出来，即标准化二维描述的穴位，重构三维定位方法。标准化二维描述的穴位重构三维定位方法对不同区域的穴位，根据其经典的中医针灸定位描述，采用相应的穴位定位模型在坐标系中进行描述，最后，将人体穴位显示到人体三维医学图像中，获得如图2所示的头部穴位标注效果。

图2 头部穴位定位2

2.2 躯干部穴位定位模型

由于躯干部穴位定位方法的思想和操作过程与头部穴位定位方法相似，我们较简略地叙述一下这个过程。躯干部三维坐标系的定义如下。

坐标系的方向是基于图像内容的。人为规定，人体左右方向为x方向，从右至左x坐标值递增；人体前后方向为y方向，从前至后y坐标递增；人体上下方向为z方向，从下至上z坐标递增。特别，对于躯干部图像，规定原点位于脐中央。躯干部坐标系yz平面的确定：在人体躯干部图像中，同样可以找到许多具有对称性质的切面，通过解方程式，我们可以得到躯干部人体数据的中轴面，将其作为躯干部坐标系的yz平面。躯干部坐标系的z轴和xz平面采用以下的方法确定。

⑴ 以脐中央点H和两个I、J共三个点确定平面HIJ。

⑵ 平面HIJ与已经确定的yz平面的交线定义为z轴。

⑶ 过z轴作yz平面的垂直平面，确定xz平面。

根据人体穴位在躯干部的分布，可以将人体躯干部分为两个区域：躯干前面的胸腹部和躯干后面的背部。与之相对应的，在躯干部选择两个特定的投影平面进行二维描述。

⑴ δ平面用于胸腹部穴位的定位，为一长方形平面，对应人体胸腹部上至胸骨上窝，下至耻骨联合，左右至腋窝的人体表面区域的投影。

⑵ ε平面用于背部穴位的定位，也为一长方形平面，对应人体背部上至第七颈椎棘突，下至尾骨，左右至腋窝的人体表面区域的投影。由于人体胸腹部和背部都相对比较平坦，且可以认为是相互平行的，传统中医穴位位置的描述中的定位可以直接作为投影平面上的坐标，因此，对这两个投影平面的标定，本文没有进一步设计模型进行研究，只采用⑶、⑷步骤进行操作。

⑶ 将xz平面作为δ平面，根据脐中央点H和两个I、J三个点对δ平面进行标定，参考传统中医穴位位置的描述确定胸腹部穴位在投影平面上的坐标。

⑷ 将 xz 平面作为ε平面，根据脊椎棘突和肩胛骨内缘对ε平面进行标定，参考传统中医穴位位置的描述确定背部穴位在投影平面上的坐标[5]。

根据上述方法，我们对人体躯干部部分穴位进行了定位，并三维显示，显示效果如图3所示。

图3

4 结束语

本文对有中医特色的人体三维医学影像学进行了研究，对人体穴位在三维图像上的定位，针对肌肉的三维分割，建立虚拟人模型，实现中医针灸三维影像浏览等多个方面进行了深入的探讨，初步实现了中医针灸穴位三维医学影像重建。

现代医学影像学在研究内容上充实了传统中医学。随着现代医学影像学的发展，产生了各种各样的医学成像手段，在人体解剖图像上不能被区分的“穴位”组织，可以通过一定的影像学手段找到一些蛛丝马迹。这一切，对于研究和论证传统中医学的解剖组织基础、生理机制都有非常大的帮助。现代医学影像学结合多媒体技术的发展，将给传统中医学知识的传播和发展带来新的契机。

参考文献：

[1] 余安胜. 针灸穴位三维仿真解剖基础研究[J].上海大学学报(自然科

学版),2004.(zl).201~205

[2] 庄天戈. 基于中医理念的穴位融合的三维可视人[J].中国基础科学,

2004.1:131~205

[3] 郑雷.结合中医针灸的三维医学影像学研究[J].上海交通大学学报,

2004.4:121~245

[4] 林斌.中国针炙虚拟穴位人的三维重建研究[D].华南师范大学学报,

2004.8:131~224

[5] 秦斌杰,陈旭.医学图像三维可视化[J].航天医学与医学工程,

2001.6:171~280