Virtuel menneskelig håndsimulering giver løfte om proteser

Uanset hvad vores hænder gør - når, at gribe eller manipulere objekter - det ser altid enkelt ud. Alligevel er dine hænder en af ​​de mest komplicerede, og vigtigt, dele af kroppen.

På trods af dette, lidt er forstået om kompleksiteten af ​​håndens underliggende anatomi og, som sådan, animation af menneskehænder har længe været betragtet som et af de mest udfordrende problemer inden for computergrafik.

Det er fordi det har været umuligt at fange håndens indre bevægelse i bevægelse – indtil nu.

Ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og en teknik inspireret af industrien for visuelle effekter, et hold af USC-forskere, bestående af to dataloger og en radiolog, har udviklet verdens mest realistiske model af den menneskelige hånds bevægeapparat i bevægelse.

Muskuloskeletale systemet omfatter muskler, knogler, sener og led. Gennembruddet har implikationer ikke kun for computergrafik, men også proteser, medicinsk uddannelse, robotik og virtual reality.

"Hånden er meget kompliceret, men forud for dette arbejde, ingen havde opbygget en præcis beregningsmodel for, hvordan anatomiske strukturer inde i hånden faktisk bevæger sig, som den er artikuleret, " sagde studie medforfatter Jernej Barbic, en Andrew og Erna Viterbi Early Career Chair og lektor i datalogi.

Design af bedre proteser

For at løse dette problem, Barbic, en computeranimation og fysisk baseret simuleringsekspert og hans ph.d. studerende, Bohan Wang, undersøgelsens hovedforfatter, gik sammen med George Matcuk, MD, lektor i klinisk radiologi ved Keck School of Medicine i USC. Resultatet:den mest præcise anatomisk baserede model af hånden i bevægelse.

"Dette er i øjeblikket den mest nøjagtige håndanimationsmodel til rådighed og den første til at kombinere laserscanning af håndens overfladefunktioner og til at inkorporere en underliggende knoglerigningsmodel baseret på MRI, " sagde Matcuk.

Ud over at skabe mere realistiske hænder til computerspil og CGI-film, hvor hænder ofte er udsat, dette system kan også bruges i proteser, at designe bedre fingre og håndproteser.

"Forståelse af bevægelsen af ​​indre håndanatomi åbner døren for biologisk inspirerede robothænder, der ser ud og opfører sig som rigtige hænder, " sagde Barbic.

"I en ikke så fjern fremtid, arbejdet kan bidrage til udviklingen af ​​anatomisk realistiske hænder og forbedrede håndproteser."

Studiet, med titlen Hand Modeling and Simulation using Stabilized Magnetic Resonance Imaging, blev præsenteret på ACM SIGGRAPH.

En langvarig udfordring

For at forbedre realismen, virtuelle hænder skal modelleres på samme måde som biologiske hænder, hvilket kræver opbygning af præcise anatomiske og kinematiske modeller af rigtige menneskehænder. Men vi ved stadig overraskende lidt om, hvordan knogler og muskler bevæger sig inde i hånden.

En af grundene er, at indtil nu, der har ikke været nogen metoder til systematisk at tilegne sig bevægelsen af ​​indre håndanatomi. Selvom MR-scannere kan give anatomiske detaljer, Der er en tidligere uløst praktisk udfordring:hånden skal holdes helt stille i scanneren i omkring 10 minutter.

"At holde hånden stille i en fast stilling i 10 minutter er praktisk talt umuligt, "sagde Barbic." En knytnæve er lettere at holde i ro, men prøv at halvlukke din hånd, og du vil opdage, at du begynder at ryste efter cirka et minut eller to. Du kan ikke holde den stille i 10 minutter. "

For at overvinde denne udfordring, forskerne udviklede en fremstillingsproces ved hjælp af lifecasting-materialer fra specialeffektindustrien til at stabilisere hånden under MRI-scanningsprocessen. Lifecasting indebærer at lave en form af den menneskelige form og derefter gengive den i forskellige medier, herunder plast eller silikone.

Barbic, der arbejdede på den Oscar-nominerede film The Hobbit:the Desolation of Smaug, landede på ideen efter at have set et billigt håndkloningsprodukt i en butik med visuelle effekter i Los Angeles, mens han arbejdede på et tidligere projekt. "Det var eureka-øjeblikket, " sagde Barbic, der længe har overvejet en løsning til at skabe mere realistiske virtuelle menneskehænder.

Først, holdet brugte livsstøbningsmaterialet til at skabe en plastikkopi af modellens hånd. Denne replika fanger ekstremt detaljerede funktioner, ned til individuelle porer og små linjer på håndens overflade, som derefter blev scannet ved hjælp af en laserscanner.

Derefter, Lifecasting-processen blev brugt igen, denne gang på plastikhånden, at skabe en negativ 3-D form af hånden ud af et gummilignende elastisk materiale. Formen stabiliserer hånden i den ønskede stilling. Formen blev skåret i to dele, og derefter placerede forsøgspersonen deres rigtige hånd i formen til MR-scanning.

Med assistance fra radiologiekspert Matcuk, praktiserende læge ved USC, hånden blev derefter scannet af MR-scanneren i 10 minutter. Denne procedure blev gentaget 12 gange, hver gang i en anden håndpose. To fag, en han og en hun, blev fanget på denne måde. Nu, for hver stilling, forskerne vidste præcis, hvor knoglerne var, muskler og sener blev placeret.

Efter at have diskuteret de anatomiske træk ved MR-scanningerne med Matcuk, Barbic og Wang går i gang med at bygge en datadrevet kinematisk model, der fanger komplekse virkelige rotationer og oversættelser af knogler i enhver stilling.

De tilføjede derefter bløddelssimulering, ved hjælp af finite element metoden (FEM) til at beregne bevægelsen af ​​håndens muskler, sener og fedtvævet, i overensstemmelse med knoglens bevægelse. denne model, kombineret med overfladedetaljer gjorde det muligt for dem at skabe en yderst realistisk bevægende hånd. Hånden kan animeres i enhver bevægelse, jævn bevægelse, som er meget forskellig fra de fangede positurer.

Fremadrettet

Holdet, som for nylig modtog en bevilling fra National Science Foundation til at tage deres arbejde til næste fase, planlægger at bygge et offentligt datasæt af multi-pose hånd MRI-scanninger, for 10 fag over de næste tre år. Dette vil være det første datasæt af sin art og vil gøre det muligt for forskere fra hele verden bedre at simulere, modellere og genskabe menneskehænder. Holdet planlægger også at integrere forskningen i uddannelse, at uddanne ph.d. studerende ved USC og for K-12 outreach-programmer.

"Når vi forfiner dette arbejde, Jeg tror, ​​at dette kunne være et fremragende undervisningsværktøj for mine studerende og andre læger, der har brug for en forståelse af håndens komplekse anatomi og biomekanik, " sagde Matcuk.

Holdet arbejder i øjeblikket på at tilføje bedre bevidsthed om muskler og sener i modellen og gøre den i realtid. Lige nu, det tager computeren cirka en time at oprette en minut-lang simulering. Barbic og Wang håber at gøre systemet hurtigere, uden at miste kvalitet.