摘要：目的：研究基于结构光三维扫描技术制作牦牛内脏器官原位整体塑化标本的可视化三维模型方法。方法：利用生物塑化技术制作牦牛的内脏器官原位整体塑化标本，再利用结构光三维扫描技术构建出塑化后的牦牛内脏器官原位整体的彩色数字三维模型，然后构建基于互联网的webvr系统，实现虚拟数字标本的可视化展示等流程，完成牦牛内脏器官原位整体塑化标本的三维建模与可视化展示。结果：基于生物塑化技术和结构光三维扫描技术构建出来的可视化三维牦牛内脏器官原位整体塑化标本模型，能真实再现牦牛的全身各部位的肌肉层次结构和内脏的形态及位置毗邻关系，精度高、清晰度好，可以任意角度旋转和缩放，能更好地辅助教学、科研和科普等工作，为后续建立其他大型动物标本的三维数字化模型积累经验。

　　关键词：牦牛,生物塑化技术,结构光三维扫描技术,三维建模,可视化

　　Study on 3D Modeling and Visualization of in Situ Whole Plasticized Specimen of Yak Internal Organs

　　CHEN Chen1，ZOU Yuchen1，CHENG Mingliang2，FENG Peixun1，YUN Yuejin2

　　（1.Zhengzhou Health Vocational College，Zhengzhou He'nan 450122，China；2.He'nan Zhongbo Technology Co.，Ltd，Zhengzhou He'nan 450001，China）

　　Abstract：Objective To study the visualization method of 3D model of in situ whole plasticized yak internal organs based on 3D scanning technique of structured light．Methods The whole in situ plasticized yak internal organs were prepared by using bioplasticizing technology，and the color digital 3D model of the whole in situ plasticized yak internal organs was constructed by using 3D scanning technology of structured light，and then an Internet-based webvr system was constructed to realize the visual display of virtual digital specimens and other processes．The three-dimensional modeling and visualization of in situ plasticized specimens of yak internal organs were completed．Results Based on the bioplasticization technology and the 3D scanning technology of structured light，the visualized 3D whole plasticized specimen model of yak internal organs in situ could reproduce the muscle hierarchy of all parts of the yak body and the shape and location of the internal organs．It had high precision，good definition，and could be rotated and scaled at any Angle．It can better assist teaching，scientific research and popular science，and accumulate experience for the subsequent establishment of three-dimensional digital models of other large animal specimens.

　　Keywords：yak，Bioplasticizing technology，3D scanning technology of structured light，Three-dimensional modeling，visualization

　　0引言

　　牦牛是牛科牛属的哺乳动物，具有适应性强、耐寒、耐力强等特点，能在特殊严酷的生存环境中生活，其用途多样，既可以骑乘，又是作为奶制品、肉类的主要来源[1]。近几十年随着研究的深入，牦牛的价值和影响越来越大，作为青藏高原牧区的主要家畜，牦牛有着重要的研究价值。为能更好的研究牦牛的生物特征和结构特点，运用解剖技术和防腐手段制作标本进行研究对教学和科研都有极大的帮助，但同时也存在着一定的问题，如动物标本资源消耗、防腐保存条件、标本的后期维护等。为能更好的满足当前动物标本在教育、教学和科研过程中的作用，利用计算机技术、图像处理技术和解剖标本制作技术制作的数字化标本正逐步代替传统意义上的标本，三维数字化标本正朝着精准化、可视化的方向不断发展[2]。结构光三维扫描技术是20世纪90年代中期出现的一种高新的数字化技术，具有操作简单、成像结果稳定、精度高等特点，在文物保护、测绘工程、数字动漫、医学治疗等领域得到了广泛的应用[3]。近年，有研究利用结构光三维扫描技术和生物塑化技术获取动物标本的三维数据并构建高精确度的数字模型，取得了较好的效果。本研究采用结构光三维扫描技术对牦牛内脏器官原位整体解剖塑化标本进行数据采集，然后构建三维可视化模型，以期为为后续建立其他大型动物标本的三维数字化模型积累经验。

　　1材料与方法

　　1.1材料

　　体格强健，四肢短而强健，胸宽鬃长无外形无损伤的成年牦牛2匹，均由河南中博科技有限公司提供，试验动物来源合法、用途明确。

　　1.2试剂及器材

　　福尔马林溶液、生理盐水、丙酮、100%酒精、硅胶，常规手术器械、电锯、绳子、铁丝。

　　惠普Pro S3结构光3D扫描仪、索尼DSC-RX10M4数码相机、Amira 4.32三维重建软件；Photoshop 7.0图像处理软件；3-matic Research 11.0三维测量软件。

　　1.3方法

　　1.3.1活体测量

　　测量牦牛各个部位的长度，详细记录牦牛的体长、体宽、体高、尾长、头长、面宽、耳长、颈长、颈围、躯干长、肩高、足长、前后肢左右间距和胸围，为能更好的展示出牦牛生活状态时的形体结构，对牦牛的精细和特殊部位还应该进行补充测量。

　　1.3.2标本处死

　　牦牛的体型较大，活体标本选择静脉注射麻醉法进行处死。

　　1.3.3解剖

　　畜体取右卧位平放于解剖台上，用砖头、木棒等垫于畜体下保持向右上方倾斜。找到动脉血管用生理盐水循环灌流冲洗，待静脉血管中持续流出无色透明的生理盐水后，用70%酒精溶液再进行循环灌流。沿畜体腹侧正中线，自下颌开始，沿颈部直至尾部做一纵切线，在四肢内侧，与正中线成直角切开皮肤，于腕关节做环状切口，之后沿上述各切线逐渐剥离全身皮肤，眼部在眼眶周围做环切，头部于口角后方做环状切口，切断一侧耳壳，使单侧耳与皮肤连同取下，待完整剥皮后，纵切腹腔取出胸腹部的脏器，去除畜体上的脂肪和筋膜，暴露浅层的肌肉。

　　1.3.4固定

　　在头部、颈部、四肢和臀部等部位使用20%的福尔马林溶液补充注射固定，然后将畜体移入20%的福尔马林溶液中保存6个月待用。

　　1.3.5脱水脱脂

　　将固定好的畜体置于5倍于畜体体重的50%丙酮溶液中，置换畜体组织内的水分和脂肪，2周后将畜体移入70%的丙酮溶液中继续脱水，之后按照80%、90%、95%逐级梯度脱水脱脂，时间均为2周，最后在100%的丙酮溶液中脱水脱脂2次，每次5～7 d，整个脱水过程温度控制在-25℃。

　　1.3.6真空渗透

　　将脱水脱脂后的畜体放入真空压力仓中，逐渐减压抽真空，让液态硅胶能充分渗透到畜体内部并置换出标本组织中的丙酮，整个过程大概持续2个月。

　　1.3.7修复造型、固化

　　经过上述流程，畜体内充满了液态硅胶，由于历经了脱水脱脂和真空渗透2个步骤，畜体会产生一定程度的皱缩变形，根据畜体活体时的体貌特征独特姿态和神韵，用钢筋铁丝和纱布进行造型修复，然后移入40～55℃的固化箱中，液态硅胶彻底固化后去除标本表面多余的胶，并对破损的地方进行补胶修补。

　　1.3.8牦牛的内脏器官原位整体生物塑化标本的三维重建

　　将牦牛内脏器官原位整体生物塑化标本放置在结构光三维扫描仪托物架上，为获取更多的信息采集数据，在扫描仪顶部和对面底部两侧分别安置摄像头，设置将ProS3 3D扫描参数：对比度为0.3～0.4，解析度为1.0～2.0 mm，投影光栅为4096×6096，扫描获得的三维数据，用Amira 4.32软件进行去噪、重采样、配准、纹理修、复、三维渲染后，就可得到彩色的数字三维模型。

　　2结果

　　利用结构光三维扫描技术和生物塑化技术制作的牦牛内脏器官原位整体塑化三维数字化模型栩栩如生，将牦牛的神情和姿态都很好的塑造出来，不仅立体感强，展现了牦牛的强壮彪悍，还形态逼真的展示出牦牛内脏器官的位置、形态和毗邻关系，该三维数字化模型可以在电脑、手机等移动终端随时随地的观看，也可以不同角度任意缩小放大，图像具有清晰、逼真的特点，见图1。

　　3讨论

　　随着信息技术的飞速发展，用于三维建模的技术方法越来越多。2016年，黄海龙等[4]利用CT扫描和Mimics15.0软件构建了猪肺支气管树的三维可视化模型，这为解剖学和后期的虚拟手术教学提供了形态学参考。2018年，魏恒[5]通过利用显微计算机断层扫描技术对牦牛腹盆腔血管网进行了三维模型重建，重建出来的牦牛腹盆腔血管树三维立体图像，能清晰地展示牦牛血管树的分支走行，这为小型动物微小血管网数字化三维模型的建立和解剖结构的研究提供了新方法和新思路。2019年，康倍宁等[6]利用三维扫描仪和Geomagic软件构建了犬的胸腔器官三维模型，其结果表明，构建出来的三维模型能真实准确地显示器官的解剖结构。2021年，郑二来等[7]利用64排128层CT进行薄层扫描构筑小型猪心冠状动脉铸型模型及其三维立体模型，其所构建的三维模型立体感强，可以任意角度的进行旋转和分割。纵观已有的研究，目前国内外对于三维重建多采用获得完整的图像数据集进行构建，而对于物体表面的纹理色彩数据和微观结构的数据的采集和可视化的研究相对较少。随着三维扫描技术计算机技术的不断发展和优化，结构光三维扫描技术作为一项重要的技术手段首先在文物保护领域得到了应用，利用结构光三维扫描技术获得的三维数字模型，无论在色彩纹理、精度质感等方面都具有其它三维构建技术所无可比拟的优势[8]。2020年俞芳等[9]应用于结构光扫描了成人手部软组织建立了三维模型，构建出来的三维手部模型具有外形逼真、皮纹细腻准确性好的特点。同年2020年付佳旗等[10]利用结构光三维扫描测量损伤瘢痕的长度和面积应用于法医学鉴定，通过对比发现测量结果准确可靠，运用结构光三维扫描技术具有独特的优势。2021年，王洪雅等[11]利用结构光构建人体发声器官的三维模型，能真实再现人体胸腔、腹腔内脏器官的形态和结构。出于对牦牛物种的保护和研究，制作成标本进行保存和研究无疑是极大的资源财富，但传统标本对保存环境要求极其严格，容易出现虫蛀、变形、脱色、皮毛磨损等问题，不利用标本的长期保存和研究。

　　本研究尝试利用结构光三维扫描设备和生物塑化技术制作对牦牛塑化内脏器官原位整体标本的三维可视化模型，重构出来的模型能直观显示动物的肌肉、内脏、血管的走形和位置毗邻，观看者可以通过手机、计算机等移动终端，随时随地、清晰、逼真、观察不同层次的塑化牦牛肌肉和内脏，这种优势是传统标本所无法比拟的。通过研究证实该方法具有稳定、精确、非接触、扫描快速、数据易于存取且便于日后分析等优势。采用该技术能更好的替代传统浸制标本和皮毛标本，在后期维护上不需要投入太多的人力和物力。其次，虚拟场景还能免去标本场馆建设和标本保存液器购置等大宗开支。本研究虽然获得了较为理想的试验结果，但在试验中也发现了一些问题，由于牦牛体型较大，在制作塑化标本时应适当拉长脱水时间，将肌肉骨骼内的脂肪和水分置换完全，造型时需要在四肢打入支架，起到内部支撑的作用。在使用结构光三维扫描时需要定制转盘，将标本放置于转盘上进行拍照，另外需要多加几个数码相机进行拍照，避免在图像信息采集时出现盲区或部分图像缺陷，在后期图像数据处理时还应该根据实际情况建模补全。

　　综上所述，基于结构光三维扫描技术和生物塑化技术制作的牦牛内脏器官原位整体塑化标本，有效地结合了计算机技术和生物学技术，体现了当今学科交叉应用的特点，该技术可以直观显示虚拟和现实牦牛内脏器官原位整体生物塑化标本的的三维状态，能有效地辅助专业教学、科研及科普，为后续建立其它动物的三维数字模型奠定了基础和研究资料，具有一定的前沿性、科学性和交叉性。

参考文献

　　[1]张强，俄广鑫，平措占堆，等．中国牦牛资源开发利用研究进展[J]．动物营养学报，2023，35（12）：7 492-7 518.

　　[2]陈先卓．数字人阴茎及其支持结构断面解剖和三维可视化研究[D]．重庆：第三军医大学，2017.

　　[3]吴育华，张玉敏．文化遗产三维数字化保护应用规范化研究[J].遗产与保护研究，2016，2（1）：1-5.

　　[4]黄海龙，符伟平，龚达聪．猪肺支气管树三维可视化模型的构建及意义[J]．局部手术学杂志，2016，15（1）：8-10.

　　[5]魏恒．家兔腹盆腔血管网Micro-CT数字化三维模型的构建[D].合肥：安徽医科大学，2018.

　　[6]康倍宁，陈丽娜，李方正．基于3D打印的犬胸腔解剖模型制造[J]．黑龙江畜牧兽医，2019，19（2）：146-149.

　　[7]郑二来，陈金锋，陈进军，等．基于包埋技术的小型猪心冠状动脉铸型三维建模及价值应用[J]．中国比较医学杂志，2021，31（7）：44-48.

　　[8]塔拉，李少兵，李丽雅．内蒙古博物院馆藏文物三维数据采集及成果应用初探[J]．中国博物馆，2012，1：32-35.

　　[9]俞芳，程志全，唐举玉，等．基于结构光扫描手部软组织三维模型的准确性研究[J]．中国临床解剖学杂志，2020，38（6）：657-660.

　　[10]付佳旗，阳紫倩，刘子龙，等．结构光三维扫描技术测量损伤瘢痕的法医学应用[J]．法医学杂志，2020，36（3）：311-315.

　　[11]王洪雅，冯培勋，程明亮，等．人体发音器官数字化三维模型构建及可视化研究[J]．解剖学研究，2021，43（2）：188-190.