数字化虚拟人

数字化虚拟人体穴位三维重建数据库的建立与应用穴位,数字化,三维,人体,数据库本帖最后由凤凰涅盘于2010-5-411:42编辑高学全,潘建明,刘建卫,陈泽霖,郭义(天津中医药大学,天津300193)摘要:数字化虚拟人技术的进步催生了一门新的学科———数字针灸学,数字针灸学利用三维数字化展示的虚拟人体,展现针灸学的奥妙。利用数据库技术、计算机技术和网络技术可以实现数字针灸的多方面应用。LAMP技术是当今网络数据库事实上的标准,将LAMP技术应用于数字针灸学是一种有益的尝试。关键词:数字化;虚拟人;数字针灸学;数据库;网络中图分类号:R224文献标识码:A文章编号:100022219(2009)06200392041数字化虚拟人体与数字针灸学数字化虚拟人体从真实人体采集数据,借助于医学影像手段或解剖顺序断面进行图像合成,它使得人体结构以三维数字化方式展现[1]。从虚拟解剖人、虚拟生理人、虚拟物理人、虚拟智能人不同层次上展示机体的各种功能、各种解剖结构[2],表现人体的生理、物理学特性,使解剖学发展从二维转向三维方向,通过计算机操作及internet连接实现人体整体的本地与远程精确模拟。通过虚拟人体模型,可以看到各个器官和系统在正常或疾病状态下怎样运动,它们怎样响应各种外加的力。医学是在不断吸收现代科技成果的过程中发展进步的,中医学更不例外,与解剖学紧密相关的针灸学科也应利用现代医学的成就来发展自己[3],将数字化虚拟人应用于针灸学领域,由此诞生一门新学科———数字针灸学,用数字方法来精确表达针灸学,展现针灸学奥妙,变革针灸学在机制、实验、临床方面的常规研究方式,使古老的针灸学焕发无穷魅力。经络腧穴学是中医理论的重要组成部分,临床针灸学的发展有赖于对腧穴的正确体表定位和形态结构的精确显示与描述。研究腧穴的形态结构是阐明经络功能和指导临床治疗的重要基础。腧穴的形态学研究源于1000多年前,宋代著名针灸学家王惟一研究创铸了针灸铜人孔穴模型。针灸铜人内置脏腑,外刻腧穴,孔深一分二厘,“旁注溪谷,井荥所会,孔穴所安,窍而达中,刻题于侧”,用作针灸教学和考试的教具,使观者显而易见,疑者焕然而冰释。铜人孔穴模型的研究和创铸,促进了对针灸腧穴形态认识的统一,对针灸学的发展产生了深远的影响。数字化虚拟人体研究是关于真实人体的数字化研究,借助于计算机的定量分析计算和精确模拟,将人体结构和功能信息数字化与可视化,以三维形式显示人体解剖结构的大小、形状、位置及器官间的相互空间关系,使人类在认识自身结构方面前进了一大步。在数字化虚拟人体的基础上实现穴位结构三维重建,将经络腧穴数据注入数字化虚拟人体模型,可通过对模型多层次、任意角度、任意切面的三维操作,观察腧穴相关的空间解剖结构及毗邻结构,对操作要求高的穴位给予提示,显示针刺要点,提高针刺的可靠性与安全性[4]。同时,建立详细的具有层次结构的、包含丰富中医学和现代解剖学的文本知识库体系,可为腧穴在结构和功能上的进一步研究提供形态学三维显示的数字化平台。2数字人体穴位三维重建2.1数据获取与南方医科大学解剖教研室合作,进行国家863课题中国数字人海量数据库子课题———“穴位结构的数字人计算机三维构建及针刺安全可视化研究”,根据相关协议具有对数字化虚拟中国人体切片数据集的使用权(见图1),并以中国人民解放军第三军医大学公开出版的中国数字化可视人体的数字人计划切片数据作补充。2.2数据处理2.2.1预处理:对原始图像执行直方图均衡与标准化操作,使图像间的亮度达到一致。theexpressionofNPYinthehippocampus.Electroacupuncturecouldtreatcerebralischemiainjurybyreg2ulatingtheexpressionofneuropeptidesinthehippocampus.Keywords:Cerebralischemia;Electroacupuncture;Calcitoningene2relatedpeptide;NeuropeptideY图1数字人原始图像2.2.2配准:基于多分辨率的最大互信息将图像进行配准,通过将配准后的两幅图像作差,可以检测配准的结果[5]。步骤一:首先基于图像灰度计算出处理对象与背景之间的阈值;步骤二:根据步骤一确定的处理对象与背景的阈值,使用种子填充法去掉参考图像和待配准图像中背景部分(见图2);步骤三:采用快速相关法对去除背景后的参考图像和待配准图像进行粗配准;步骤四:使用最大互信息法对参考图像和由步骤三得出的图像进行精细配准。2.2.3重采样:中国数字人原始切片数据分辨率为3024×2016,并且切片数目多,数据量大,普通PC难以处理,因此需要对原始数据利用Photoshop软件进行线性插值的方法进行重采样,降低数据的分辨率[6]。2.2.4后处理:原始图像的背景为蓝色明胶,首先利用基于颜色分量统计的方法去除原有的蓝色背景;然后利用高斯平滑消除图像中的噪声,得到高质量的图像。图2数字人配准后图像2.2.5可视化:经过上述处理已经得到可供面绘制或体绘制的数据,将上述数据导入3Ddoctor(v3.5),根据人体不同组织结构的边境描画出边界,用可视化算法重构出三维模型。见图3。图3数字人重建后图像(A:正面观;B:侧面观)2.3数据交互建立起数字人模型后,根据3Ddoctor输出的旋转图像截图,将图像导入Flash8存成元件,腧穴定位以最新2005年版国家标准穴位部位为准。建立一个描述性的针灸腧穴三维模型。它包括腧穴周围的骨骼、肌肉等的三维显示以及腧穴的体表定位和三维断层描述。该模型的优势在于三维显示清晰、对象关系详细、解剖知识丰富,基于鼠标的操作简单快捷等。同时,通过从不同横纵切面的旋转、平移等手段可以从不同角度观察对象,并且通过明确进针方向、位置的深浅来指导进针。见图4。制作的内容:准备制作全身腧穴的体表定位,冠状面、矢状面、水平面的进针部位及针刺到的人体结构,并对穴位下的危险结构用动态的方式提出警示。目前已经完成腹部及头部的腧穴三维构建及各种切面的动态图形制作。收藏分享注册会员2#凤凰涅盘发表于2010-5-411:36|只看该作者本帖最后由凤凰涅盘于2010-5-411:39编辑3应用LAMP技术建立虚拟人体穴位三维重建数据库LAMP是一种网络应用程序开发和开发环境。它的功能非常强大,使用却比较简单和容易。近几年来发展迅速,已经成为网络数据库应用的事实标准。3.1LAMP的含义L:Linux操作系统;A:ApacheWeb服务器;M:MySQL数据库;P:Perl,Python或者php编程语言。单个来说,上述每一项组件在其本身而言都是在它所代表的方面功能强大的组件。LAMP这个词的由来最早始于德国杂志“cptMagazine”,MichaelKunze在1990年最先把这些项目组合在一起创造了LAMP的缩写字。这些组件虽然并不是开始就设计为一起使用的,但是,这些开源软件都可以很方便地随时并免费获得。这就导致了这些组件经常在一起使用。在过去的几年里,这些组件的兼容性不断完善,在一起的应用情形变得非常普遍。为了改善不同组件之间的协作,已经创建了某些扩展功能,组成了一个强大的网络数据库应用系统平台。3.2LAMP的各个组件Linux操作系统的灵活性和可定制化的特点意味着Linux能够产生一种高度定制的平台,让Web应用软件在上面运行。支持范围广泛的不同的文件系统,还可以更大限度地个性化设计Linux内核以便提供最佳的性能。ApacheHTTPD是一种功能强大的Web服务平台,这个平台还能够与CGI配合工作,或者与可下载的模块结合在一起支持更有效率的Web应用服务。对于Web应用程序的支持来说,这些模块允图4数据交互模型(A:初始界面;B:水平面;C:冠状面;D:矢状面)许用户在ApacheHTTPD计划中嵌入一个LAMP(Perl、Python或者php)语言之一的翻译器以便提高ApacheHTTPD的功能,显著提高这些应用程序运行的速度,从而改善Web应用程序的响应能力。MySQL关系数据库管理系统是另一个简单而功能强大的应用程序实例。同Linux和Apache一样,不需要通过任何复杂的设置或者优化过程就可以安装一个MySQL服务器并且开始使用它。在默认设置中,MySQL是一种功能强大的关系数据库,这让使用标准SQL开发企业级应用变得更加容易。“LAMPstack”中所有的这三种语言Perl、Py2thon或者php的主要是“解释运行的”语言。由于解释运行而不是编译,这些语言能够很快部署或者很容易使用。当这3种语言结合在一起的时候,它们每一种语言都能够为编写所有种类的应用程序提供一个功能强大而简单的环境。3.3LAMP功能大于其各个组件之和在Linux平台上运行的Apache服务器是建立一个简单的Web服务器的简便方法。但是,Apache服务器提供的信息是“静态的”。增加互动或者动态组件需要使用编程语言,如Perl或者php。然而,对于虚拟人体穴位三维重建数据库来说,需要的是一种建立由数据库中的信息组成的系统应用软件的方法。这正是“LAMPstack”突出的优势。3.4LAMPstack在建立虚拟人体穴位三维重建数据库中优势3.4.1灵活性:使用“LAMPstack”既没有技术上的限制也没有许可证的限制,这样就可以灵活地构建和部署应用程序。3.4.2个性化:由于LAMP组件是开源软件,它们已经建立了大量的额外组件和提供额外功能的模块。这种开源软件的方法、个性化设置组件和功能以便满足虚拟人体穴位三维重建数据库的需求。3.4.3容易开发:能够使用LAMP技术仅用几行代码就可以编写一个功能强大的应用程序。这种代码通常是非常简洁的,甚至非程序员也能够修改或者扩展这个应用程序。3.4.4容易应用:由于没有许可证问题和不需要编译应用程序,在新的主机上应用一个应用软件就像拷贝一个应用软件那样容易。大多数主机服务都把基于LAMP的环境作为标准。LAMP基本上是4种开源软件技术的组合。这些技术结合在一起产生了一个功能强大的应用服务平台。LAMP通常被看作是优秀的一种开源软件解决方案。其开源软件的性质使应用程序的开发和应用更自由和更方便是虚拟人体穴位三维重建数据库建设选取LAMP技术的充分理由。4数据库结构的设计与建立4.1数字化虚拟人体穴位三维重建数据库的设计4.1.1设计目标:运用数据库技术对进行三维重建的全身腧穴的信息进行整合,融合三维动画穴位各层次结构、二维平面解剖结构、针刺的三维模拟以及腧穴的其他信息,并可以对数据库的各种数据进行增加、删除、修改、查询和检索等数据库操作,因而可以不断更新数据库内容。4.1.2数据类型:将腧穴的全部信息设定为数字字符型和备注型数据,并按其特征分为基本数据和扩展数据两大类:基本数据:序号、腧穴名称、腧穴代号、所属经络、定位、解剖结构、操作方法、针刺深度、是否为特定穴、古代文献、现代文献等;扩展数据:三维重建动画、平面解剖结构、针刺模拟演示动画、大体定位图片等。4.1.3设计方法:应用LAMP技术,选用MySQL建立数据库。通过MySQL2Front_Setup软件远程操作该系统,建立与维护数据库和数据表,增强安全性与可靠性。4.2数字化虚拟人体穴位三维重建数据库的实现4.2.1字段设计:根据数据类型确定字段:序号、腧穴名称、腧穴代号、所属经络、定位、解剖结构、操作方法、针刺深度、是否为特定穴、古代文献、现代文献、三维重建动画、平面解剖结构、针刺模拟演示动画、大体定位图片。4.2.2创建数据库表:利用上述软件登录数据库服务器,建立数字化虚拟人体穴位三维重建数据库各个功能数据表,建立相应字段,定义相关属性。4.2.3数据库界面及功能:采用LAMP技术开发系统使用界面,提供数据库维护与使用的双重功能。4.2.4操作方法:可以在授权的情况下,通过In2ternet利用浏览器在全世界范围内使用本数据库,并提供多语种服务,为针灸学的海外传播与合作研究提供交互平台。5数据库综