CN111008461B - 一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法、系统及模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法、系统及模型，设计方法包括：S100、将体素数字模型转换为灰度数字模型；S200、对灰度数字模型进行器官分离；S300、将分离的器官生成三角面元数字模型；S400、对三角面元数字模型进行修复；S500、对修复后的三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。本发明可应用于快速成型技术，从而替代传统物理模型浇铸方法，可缩短物理模型制作时间，提高物理模型制作精度，并且可实现物理模型的定制化，更加贴近核工业中辐射防护的需求。
Description
技术领域
本发明涉及辐射防护技术领域，具体涉及一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法及模型。
背景技术
仿真人体物理模型(Anthropomorphic Phantom)是一种更接近真实人体的躯体物理模型，能更为精确地模拟人体与辐射的相互作用，近些年得到了越来越多的应用，但受限于目前所采用的传统方法，其制作难度大、成本高，价格也较为昂贵。它是近年来辐射剂量学物理模型的研究重点。
目前，国际上物理模型制作方法普遍采用的是模具浇铸方法，该方法具有以下缺点：
1、模具浇注制作工艺复杂，周期长、成本高。
2、基于热固性基材的组织等效材料制作的质量控制难度大，成品率低，且材料韧性不够易产生裂纹。
3、浇注所用的模具一旦成型即不可再改变，只能制作一种物理模型。
4、含放射源器官模型的浇注制作难度极大，且均匀性也很难保证。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法及模型，该数字模型可用于快速成形技术，从而可以有效地克服现有仿真人体物理模型制作方法的诸多缺陷，更具实用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法，所述设计方法包括：
(1)将体素数字模型转换为灰度数字模型；
(2)对所述灰度数字模型进行器官分离；
(3)将分离的器官生成三角面元数字模型；
(4)对所述三角面元数字模型进行修复；
(5)对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
进一步，如上所述的设计方法，步骤(1)包括：
通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型。
进一步，如上所述的设计方法，步骤(2)包括：
通过阈值分割方法对所述灰度数字模型进行器官分离。
进一步，如上所述的设计方法，步骤(3)包括：
通过曲面生成方法将分离的器官生成三角面元数字模型。
进一步，如上所述的设计方法，步骤(4)包括：
当确定所述三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定所述三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复。
进一步，如上所述的设计方法，步骤(5)包括：
当确定所述三角面元数字模型已修复且面元数量小于所述体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
本发明提供一种用于辐射防护的人体数字模型设计系统，所述设计系统包括：
转换模块，用于将体素数字模型转换为灰度数字模型；
分离模块，用于对所述灰度数字模型进行器官分离；
生成模块，用于将分离的器官生成三角面元数字模型；
修复模块，用于对所述三角面元数字模型进行修复；
调整模块，用于对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
进一步，如上所述的设计系统，
所述转换模块具体用于通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型；
所述分离模块具体用于通过阈值分割方法对所述灰度数字模型进行器官分离；
所述生成模块具体用于通过曲面生成方法将分离的器官生成三角面元数字模型。
进一步，如上所述的设计系统，所述修复模块具体用于：
当确定所述三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定所述三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复；
所述调整模块具体用于：
当确定所述三角面元数字模型已修复且面元数量小于所述体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
本发明还提供由本发明所述的设计方法所设计的人体数字模型。
本发明的有益效果在于：本发明可应用于快速成型技术，从而替代传统物理模型浇铸方法，可缩短物理模型制作时间，提高物理模型制作精度，并且可实现物理模型的定制化，更加贴近核工业中辐射防护的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种用于辐射防护的人体数字模型设计系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的灰度头部数字模型图；
图4为本发明实施例中提供的大脑初步三角面元数字模型图；
图5为本发明实施例中提供的处理完成的大脑模型图；
图6-28示出仿真人体数字模型的各种器官，图6为皮肤，图7为骨架，图8为大脑，图9为大肠，图10为肾脏，图11为胃，图12为小肠，图13为心脏，图14为肺，图15为胰脏，图16为肝脏，图17为睾丸，图18为脊髓，图19为甲状腺，图20为膀胱，图21为脾脏，图22为腮腺，图23为舌下腺，图24为肾上腺，图25为肾脏，图26为食道，图27为下颌腺，图28为胸腺。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法，设计方法包括：
S100、将体素数字模型转换为灰度数字模型；
通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型。
S200、对灰度数字模型进行器官分离；
通过阈值分割方法对灰度数字模型进行器官分离。
具体地，可以使用转换模块中的阈值分割功能分离单一灰度值器官，分离某一段灰度值范围内所有器官，以及在xy，xz，yz方向上分层预览提取结果，更改预览界面中提取结果颜色。本发明所使用的转化模块为具有该阈值分割功能的编写的小程序。
S300、将分离的器官生成三角面元数字模型；
通过曲面生成方法将分离的器官生成三角面元数字模型。
具体地，可以使用分离模块中的曲面生成功能处理得到各器官组织的三角面元数字模型。本发明所使用的分离模块为具有该分离功能和生成功能的编写的小程序。
S400、对三角面元数字模型进行修复；
当确定三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复。
具体地，如果可用常规处理方法消除错误，则利用软件简化和纠错功能对模型进行优化；如果不可用常规处理方法消除错误，则先将模型转换为点云进行重建，通过封装模块将点云转为网格，再利用软件对其进行修复。
S500、对修复后的三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
当确定三角面元数字模型已修复且面元数量小于体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
具体地，如果三角面元数字模型已经消除建模错误，面元数量小于原始模型即S100的体素数字模型的20％，则参照CRAM体素模型调整体积，使其误差小于1％。
如图2所示，一种用于辐射防护的人体数字模型设计系统，设计系统包括：
转换模块1，用于将体素数字模型转换为灰度数字模型；
分离模块2，用于对灰度数字模型进行器官分离；
生成模块3，用于将分离的器官生成三角面元数字模型；
修复模块4，用于对三角面元数字模型进行修复；
调整模块5，用于对修复后的三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
转换模块1具体用于通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型；
分离模块2具体用于通过阈值分割方法对灰度数字模型进行器官分离；
生成模块3具体用于通过曲面生成方法将分离的器官生成三角面元数字模型。
修复模块4具体用于：
当确定三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复；
调整模块5具体用于：
当确定三角面元数字模型已修复且面元数量小于体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
本发明还提供由上述设计方法所设计的人体数字模型。
该数字模型由37种模拟器官组成。该模型经体素数字模型转换得到，器官质量参照《辐射防护用参考人》标准对应参考值，偏差不大于1％。该数字模型由三角形面元拼接而成，经过三维设计软件进行处理，可用于快速成型。
上述37种器官包括皮肤，尺骨，桡骨，骶骨，腓骨，胫骨，肱骨，股骨，椎骨，胸骨，肋骨，颅骨，骨盆，肩胛骨，肋骨，锁骨，下颌骨，大肠，大脑，肺，肝，睾丸，脊髓，甲状腺，膀胱，脾脏，腮腺，舌下腺，肾上腺，肾脏，食道，胃，下颌腺，小肠，心，胸腺，胰腺。图6-28为通过本发明的设计方法构建的各器官的数字模型图。
体素数字模型为《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》文中的研究成果。
可用于快速成型指不需进行任何额外处理和操作，就可直接被快速成型设备读取，制造物理模型。
实施例一
通过本发明提供的一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法构建头部数字模型，包括以下步骤：
S1、将体素头部数字模型通过数字模型转换模块转换为利用灰度值表示的数字模型。图3为转换完成的灰度头部数字模型。
S2、将转换完毕的头部数字模型通过阈值分割模块对大脑进行器官分离。
阈值分割模块具体用于分离单一灰度值器官，分离某一段灰度值范围内所有器官，在xy，xz，yz方向上分层预览提取结果，更改预览界面中提取结果颜色。
S3、通过曲面生成模块，将分离的大脑生成初步的三角面元数字模型。图4为大脑初步三角面元数字模型。
S4、通过模型错误修复模块，将S3中生成的模型进行试探性修复：
若可通过模型错误修复模块修复，则对S3中生成的模型重复进行错误修复及三角面元简化操作，使其可用于快速成型技术；
若不可通过模型错误修复模块修复，则对S3中生成的模型通过点云模块将其转化为点云，然后通过封装模块将点云转为网格，生成三角面元模型，在对其通过模型错误修复模块修复，使其可用于快速成型技术。
S5、通过体积调整模块，将S4中生成的模型，参照《辐射防护用参考人》标准对应参考值进行调整，使其误差小于1％。图5为处理完成的大脑模型。最终结果与《辐射防护用参考人》标准参考值的对比如表1。
表1
本发明的辐射防护人体数字模型可应用于快速成型技术，从而替代传统物理模型浇铸方法，可缩短物理模型制作时间，提高物理模型制作精度，并且可实现物理模型的定制化，更加贴近核工业中辐射防护的需求。
该数字模型设计方法对于不同的体型，可选用合适的器官参考值，能大幅度减小不同体型数字模型设计难度，如成年女性、儿童、婴儿等。也能根据人口普查数据的变化，对模型参数进行及时更新。本方法适用于各种基于断层扫描、解剖照片和数据建立的体素模型。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种用于辐射防护的人体数字模型设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
(1)将体素数字模型转换为灰度数字模型；
(2)对所述灰度数字模型进行器官分离；
(3)将分离的器官通过曲面生成方法生成三角面元数字模型；
(4)对所述三角面元数字模型进行修复；
(5)对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型；
在步骤(4)中，当确定所述三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定所述三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)包括：
通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)包括：
通过阈值分割方法对所述灰度数字模型进行器官分离。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(5)包括：
当确定所述三角面元数字模型已修复且面元数量小于所述体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
5.一种用于辐射防护的人体数字模型设计系统，其特征在于，所述设计系统包括：
转换模块，用于将体素数字模型转换为灰度数字模型；
分离模块，用于对所述灰度数字模型进行器官分离；
生成模块，用于将分离的器官通过曲面生成方法生成三角面元数字模型；
修复模块，用于对所述三角面元数字模型进行修复；
调整模块，用于对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型；
在对所述三角面元数字模型进行修复时：
当确定所述三角面元数字模型可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型进行错误修复和三角面元简化处理；
当确定所述三角面元数字模型不可用常规处理方法消除错误时，对所述三角面元数字模型依次进行点云处理、网格处理和错误修复。
6.根据权利要求5所述的设计系统，其特征在于，
所述转换模块具体用于通过数字模型转换方法将体素数字模型转换为灰度数字模型；
所述分离模块具体用于通过阈值分割方法对所述灰度数字模型进行器官分离。
7.根据权利要求6所述的设计系统，其特征在于，
所述调整模块具体用于：
当确定所述三角面元数字模型已修复且面元数量小于所述体素数字模型的预设比例时，参照CRAM体素模型对修复后的所述三角面元数字模型的体积进行调整，得到最终的人体数字模型。
8.由权利要求1-4任一项所述的设计方法所设计的人体数字模型。
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