李忠海，孙天泽，张警，何西旺，宋学官

    随着大数据、云计算、人工智能及机器人等新兴技术的发展，医学模式面临又一次重大变革，工程医学最终进化到“智能医学”阶段。近年来，数字孪生(digital twins,DT)技术的应用日渐广泛，其在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域都有广阔的应用场景[1,2]。DT技术是以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等，其融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能和虚拟现实等一系列新型高级信息技术[3-5]。为每位患者提供量身定做的诊断及治疗是精准医学的愿景，DT 技术的出现使之成为一种可能[6]。本研究尝试从人体骨骼入手，通过DT技术构建腰椎骨骼系统，实时动态显示骨骼的动作状况和生物力学性能，忠实映射骨骼的姿态信息和健康信息，为骨骼健康监测提供宝贵的实验数据和参考案例，并对未来的挑战和机遇进行探讨。

    1 资料与方法

    1.1 静态物理实体模型的建立

    本研究选取1 名健康成年男性志愿者，28 岁，身高180 cm，体重72 kg，既往无外伤史、脊柱疾病史，拍摄腰椎正侧位、过伸过屈侧位、左右斜位X线片及进行CT扫描，以排除腰椎损伤、退变、畸形等疾病，对L1-L5节段行CT薄层扫描。扫描条件：120 kV，125 mA，层厚0.625 mm，层间距0 mm，自上而下行螺旋周围扫描。对原始数据进行插值、放大等处理，并以DICOM格式存储。利用Mimics(Materialise NV，Ann Arbor，MI)、3dMax(Materialise NV，Ann Arbor，MI)、CATIA V5(Dassault Systemes Inc，CGD，France)和Unity3D 软件进行混合建模设计。

    DT仿真建模需要保持模型与真实人体实际运动状况一致，同时保证一定的动画效果，需要对模型进行一定处理。将3dMax处理过的零件模型逐一导入Unity3D，一个虚拟模型由多个零件模型组成，这些子模型含众多变量，通过对这些变量进行修改，进而对整个虚拟模型的行为进行控制，模型的外形数据关系存储在Mesh结构中。腰椎有限元模型经过离散化后得到腰椎的三维点云数据，将这些数据经过筛选、约简、转化后，利用Unity3D 的Mesh 结构在Unity3D 开发平台中实现骨骼三维模型的重构。上述建模方法只是依据网格数据得到腰椎的三维模型，还需要添加虚拟材质 ......