基于三维人体扫描的乳房体积计算

刘驰，卫斗妮，徐步高

(西安工程大学 服装与艺术设计学院，西安 710048)

1 引言

据调查，在美国的新发案例中，乳腺癌成为女性最常见的肿瘤，在国内如北京上海等大城市的乳腺癌的发病率也极高，接近于发达国家[1]。大多数乳腺癌患者为了延续生命，选择切除患病乳房，但切除乳房后随着而来的就是身体的不适与心理的煎熬。为了减轻乳腺癌患者切除乳房后的身体与心理压力，市场上出现了义乳及义乳文胸。义乳，又称人造乳房、假乳房，是做了乳房切除手术的乳腺癌患者为了弥补乳房缺失而设计的和乳房形状、重量相当的衍生品[2]。义乳可以有效弥补乳房切除术后的身体缺陷，使患者能像正常人一样生活。义乳文胸是佩戴义乳的重要载体[3]。

目前义乳从材质，形状，重量等方面正在逐步完善，在义乳的材质方面，大多采用医用硅胶，其手感柔软有弹性，不仅可以缓解外部对胸腔的压力，而且其温度可迅速的随体温的变化而变化，保证了其舒适性。义乳的形状主要分为三类：螺旋形义乳，适合腋下清扫严重的患者使用；水滴形义乳，适合锁骨部位清扫的患者使用；三角形义乳，适用范围较广，适用于各种类型的伤口。在乳房切除术后，大多会造成身体无法保持平衡，尤其只切除一侧乳房后，不平衡感更加强烈。为了缓解不平衡感，需要不同重量的义乳来维持身体平衡。市面上的义乳重量是由不同的义乳规格来决定，两者成正比关系，但在佩戴义乳后，由于义乳与乳房重量的差异，还是会加重肩部的压力。为了解决这一现状，本文收集了100位年轻女性的身体数据，并进行表面重构，采用乳房切除前后的体积差求出乳房的体积，为义乳体积的设计提供参考，并为术后乳房重建方面提供建议。

2 方法

目前乳房体积的测量方法主要有三种：公式计算法，手动测量法和3D扫描法。公式计算法是根据身高，体重，胸围差等数据可计算出乳房体积。乳房体积=1/3∏*乳房高度2 *(3*乳房半径—乳房高度)，该方法是基于平均值得出的统计公式，对个体的适用性较差[4]；手动测量法分为模具法和排水法，最常用的方法为排水法，是将要测量的乳房合适的浸没于装满水的容器中，通过测量被排出水的体积即为乳房的体积，该方法材料简单，成本低廉，但缺点是人为因素较多，也易产生误差[5]。3D扫描方法主要是通过仪器捕获3D建模的数据，然后运用数学原理，图像重建技术等，可准确实现乳房表面图像与数据重建，进而完成乳房体积的计算，具有较高的可操作性和可重复性[6]。3D扫描技术的诞生为乳房体积的测量提供了新的方法，在乳房的美容整形方面或乳腺癌术后乳房的重建都具有重要的意义[7]。

本文使用人体三维扫描仪，如图1所示，选取100名年龄在21～25岁之间，身高在158～168cm，体重在50～70kg的年轻女大学生作为测试对象。对100名不同身材的年轻女性进行人体扫描，所有被测者需脱去外衣，身穿文胸与底裤，将头发用浴帽固定，双臂微微张开，自然下垂，双脚分开，站在图中所示的圆台脚印处进行扫描。

图1 彩色三维人体扫描仪

得到100个人体数据后，通过胸部切除前后的体积差得到胸部的体积，分别对不同人体的左右胸的体积进行计算。首先计算全身的体积，由于扫描结果会有柱子或屋顶一些杂质，所以需要对扫描得到的人体进行净化，得到结果如图2所示。

图2净化后的人体

图3封闭的人体模型

图4 全身体积扫描结果

对人体进行三维表面重构，使其成为一个封闭的模型，并点击软件中的体积扫描计算体积，如图3所示，得到全身的体积，如图4所示。

图5 隐藏后半部尺寸结果示意图

其次需要重新载入人体数据，先隐藏人体后半部数据，如图5所示，然后调整合适角度，先对左侧乳房进行切除，然后重新显示人体后半部数据，如图6所示，

图6 乳房切除示意图

切除乳房后对人体表面进行表面重建，得到切除乳房后的人体模型，如图7所示。

图7 左乳切除后的人体封闭模型

并对左乳切除后的人体模型进行体积扫描，结果如图8所示。

图8 切除左乳体积扫描结果

切除乳房前后的体积差即为被切除的乳房体积。右乳体积计算方法和左乳相同，其中在乳房切除时选取的切除区域尤为关键，具体的切除区域如图9所示，对于乳房边界的定义，Lee等[8]曾提出乳房上侧点应在左右前腋点的连线上，基于此，通过人工找点的方法确定了乳房上侧点，乳房内侧点，乳房下侧点，乳房外侧点，分别如图中A，B，C，D点所示，特征点位置描述如表1所示。为保证测量结果的准确性，每侧乳房进行三次测量求取平均值作为最后的测量结果。

表1 特征点位置描述

图9乳房切除区域示意图

3 结果

将测量计算所得的左右胸体积导入分析软件，选择分析下的配对样本T检验，得到如下表2和表3 所示结果。

表2 成对样本相关系数

表3 成对样本检验

从表2可以看出左右胸体积的相关Sig<0.05,说明两者之间具有显著相关性。从表3 可以看出左右胸体积成对样本检验中的Sig<0.05，说明两者之间具有显著差异。

根据数据分析结果，进一步计算不同罩杯下的乳房体积变化。目前国内内衣行业普遍认同上下胸围差在10 cm左右的女性应穿着A罩杯，上下胸围差在12.5 cm左右的女性应穿着B罩杯，以此类推，档差为2.5 cm，根据上下胸围差，把被测量者的胸围分为不同的罩杯尺寸，并对不同罩杯所对应的左右乳房体积的最大值，最小值及极值差进行计算，得到结果，如表4所示。

表4 不同罩杯下所对应的左右胸体积值(单位：L)

从表4中可以看出，随着罩杯的增大，左右胸的体积也随着增大，两者呈正相关关系，也进一步说明乳房的体积可以用来表示乳房的大小。

图10 不同罩杯下的左右胸平均值体积对比

将不同罩杯下的左右胸平均值做折线图发现(见图10)，人体的左右胸体积并不完全一致，左胸的体积一般比右胸的体积大，两者的差值范围在0～0.04L，随着年龄的增长，女性两侧乳房会逐渐趋向对称，但一般不会完全对称，这与平时的睡姿，运动，饮食及激素等方面息息相关。所以对于义乳的设计，应该根据患者平时的生活习惯，睡眠习惯，饮食习惯，设计不同尺寸的义乳，使患者拥有在乳房切除前的平衡感，并非千篇一律的使左右胸重量保持一致来维持平衡感。同时切除乳房的大小和切口采用不同形状和体积的义乳，并且根据不同的乳房大小，选用不同体积的义乳，建议A罩杯女性佩戴义乳体积在0.17～0.22L，B罩杯女性佩戴义乳体积在0.26L左右，C罩杯女性佩戴义乳体积在0.31～0.32L，D罩杯女性佩戴义乳体积在0.49～0.53L。并搭配合适号型的义乳文胸，控制义乳的晃动，减轻肩部的压力，尽量使人体保持平衡。

4 讨论

通过对正常女性的乳房体积分析，从而推断出乳房缺失人群应佩戴义乳的体积范围。由于乳腺癌人群的年轻化，所以本次选取的实验对象较具有一定的代表性，并得出乳房体积在一定程度上可以表示乳房大小的结论，乳房大小不仅与乳房形状，乳房质量等有关，也与乳房体积息息相关。实验得出被测人群的左胸平均值大于右胸，其中也有部分被测者右胸体积大于左胸，就平均值而言，绝大大部分被测者的左胸体积大于右胸，这与被测试者的选取与该类人群的生活习惯具有一定关系。

乳房体积因人而异，本文基于100位被测者的乳房体积，为不同罩杯的乳房缺失女性应选取的义乳体积范围提供参考，为义乳体积及重量的设计提供建议。在后续的研究中，考虑到乳房缺失人群的伤口的大小、位置、形状等，应结合乳房体积，采用三维人体建模技术，对该类人群进行量身定制，为他们设计出既贴合伤口的，又符合身体平衡习惯的专用义乳。并结合不同的场合，如运动，温泉，晚会等，选取不同材料制作义乳，满足乳房缺失人群的生活需要。

5 结论与展望

通过对100位年轻女性进行三维人体扫描，获取其身体数据，并采用体积差的方法，得出了不同罩杯下左右胸部的体积，为义乳的体积设计提供了建议。主要结论如下:

(1)乳房体积随着罩杯的增大而增大，乳房体积可用来表示乳房的大小。

(2)在年轻女性中，多数女性的左胸体积一般大于右胸，两者差值范围在0～0.04L。

(3)不同的乳房大小，应选用不同体积的义乳，建议A罩杯女性佩戴义乳体积在0.17～0.22L，B罩杯女性佩戴义乳体积在0.26L左右，C罩杯女性佩戴义乳体积在0.31～0.32L，D罩杯女性佩戴义乳体积在0.49～0.53L。并搭配合适号型的义乳文胸，控制义乳的晃动，减轻肩部的压力，尽量使人体保持平衡。

本文目前只得出了女性在不同罩杯下的应佩戴义乳体积，而现今的市面上的义乳大多使用硅胶材质，其密度与人体密度存在显著差异，希望后续能研究出接近人体脂肪的材料作为义乳的制作材料，从而使重量保持一致。