逆向工程在生物醫(yī)學工程的應用研究畢業(yè)論文

1、精品word文檔 值得下載 值得擁有PAGE PAGE 10目錄摘要(1)第一部分 概述（2）第二部分 逆向工程應用技術(2)逆向工程概述（3）快速成型技術（5）RE與RP的集成(6）逆向工程在生物醫(yī)學領域的數(shù)據采集和預處理(6）逆向工程的條件（7）第三部分 RE在生物醫(yī)學領域的工程應用（7）設計和制作可植入體 (7）外科手術規(guī)劃(8）生物醫(yī)學工程(8）第四部分 逆向工程在醫(yī)學領域的應用實例 -在口腔修復中的應用（10）第五部分 結論 （11）致謝 RE在生物醫(yī)學工程的應用研究摘要: 逆向工程技術是一種在工業(yè)制造中廣泛應用的一種新技術,在工程和醫(yī)學領域中都具有重要作用。首先本文對逆向工程和快速

2、成型進行了概述，其次介紹了基于逆向工程體系的工程實際應用，以及基于逆向工程技術的快速成型技術。詳細介紹了逆向工程在生物醫(yī)學領域的應用。并以口腔義齒修復為例，介紹了逆向工程在口腔修復體的實際應用. A Study and Application about Reverse Engineering in Biomedicine field Abstract ： As a new developing technology used widely in industry manufacturing ，reverse engineering has played an important role i

3、n industry and medicine field . First this passage introduces reverse engineering and rapid prototyping in brief 。 Second introduces the practical application of engineering which based on reverse engineering system . and rapid prototyping technology which based on reverse engineering technology . I

4、n this paper explain the application of reverse engineering in detail in the biomedicine filed 。 And take dental prosthesis for example ， describe application of reverse engineering to dental prosthesis.第一部分 概述工業(yè)中的許多領域，都需要創(chuàng)建以存在物體的計算機幾何模型，但往往又得不到現(xiàn)成的這類幾何模型，因此，就需要由實際形體來生成計算機幾何模型，這項工程就是逆向工程，也稱反求工程.逆向工程與

5、快速成型技術（Reverse Engineering and Rapid Prototyping technology ）,簡稱RE與RP。目前RE與RP 技術已經逐漸得到越來越廣泛的應用。國內外針對此方面的研究工作,一方面是繼續(xù)在已經成熟的自由曲線和曲面重構理論上繼續(xù)有所突破,另一方面就是在實際的測量、數(shù)據處理和重構CAD模型上逐漸集成和完善,包括逆向工程中的數(shù)據測量、數(shù)據處理、曲面重構以及快速成型的原理、分類、特點等，以及RE與RP的集成。本文中就詳細介紹了逆向工程在生物醫(yī)學領域的應用。以及基于逆向工程技術的快速成型制造技術技術。并以義齒修復為例介紹RE的實際應用。第二部分 逆向工程應用技

6、術2.1逆向工程概述在汽車、航空等工業(yè)領域中，復雜外形的設計，目前CAD軟件還很難滿足形狀設計的要求,仍然需要根據由粘土、木頭或纖維玻璃制成的手工模型，采用逆向工程的手段將實物模型轉化成CAD模型，實現(xiàn)數(shù)字化,從而建立起產品的數(shù)字化模型。這就是逆向工程的引出。產品需求概念設計CAD設計評估CAE工藝評估CAMCAD正向工程流程圖實物模型數(shù)字化點CAD設計評估CAE工藝評估CAMCAD(b） 逆向工程流程圖圖 1 正向工程與逆向工程流程比較圖逆向工程可以這樣簡單的定義為這么一個過程：在沒有工程圖紙的情況下，對實際物體模型進行測量，通過對測量信息的分析和處理來構造其CAD模型的過程，由實際模型反求

7、出設計模型來.逆向工程的由來是什么呢？簡而言之，傳統(tǒng)的正向設計與制造是從圖紙到零件產品,而反求工程的設計是叢零件或原型到二維圖紙或三維模型，再經過程制造到零件。這就是所謂“逆向”或“反求”的由來.兩者之間的比較入圖1所示。所謂逆向，指是相對傳統(tǒng)的從設計圖紙或模型加工出實際產品來的正向過程而言的。逆向工程與傳統(tǒng)的正向設計的根本區(qū)別在于：正向設計是由抽象的較高層次概念或獨立實現(xiàn)的設計過渡到設計的物理實現(xiàn)，從設計概念到CAD模型有一個明確的過程；而反向工程是基于一個可以獲得的實際模型來構造出它的設計概念,并且可以通過對重構模型特征參數(shù)的調整和修改來達到對實物模型的逼近或修改的目的，以滿足生產的要求。

8、從數(shù)字化的點生成到CAD模型的創(chuàng)建是一個推理的過程 逆向工程通常從測量一個已存在的實際物體開始,這樣就能生成一個曲面或實體模型，以便能充分利用CAD/CAM技術的各種優(yōu)點.一旦重構出自由曲面和建立CAD模型后，就可以進行一系列后續(xù)操作，如零件設計、有限元分析、模型修改、誤差分析以及數(shù)控加工指令生成.逆向工程的三大組成逆向工程可分為三大模塊：坐標點測量、數(shù)據處理和曲面模型重建。(如圖 2、3、4所示。）物理模型數(shù)字模型點云數(shù)據應用逆向工程軟件基于計算機的設計模型數(shù)據采集預處理分析和曲面擬合創(chuàng)建CAD模型 圖2 逆向工程的基本階段圖3逆向工程的過程數(shù)據處理 特征識別三維實體重構濾波去噪濾波去噪構造

9、實體構造特征體三維實體重構CAD造型軟件圖4 逆向工程的關鍵幾何測量：通過合適的測量方法來獲得產品的三維形狀；數(shù)據處理:處理所獲得的三維數(shù)據，從而符合后續(xù)操作的要求；CAD建模:必須建立一個完整的CAD模型，從而能夠借以描述產品的全部相關數(shù)據。逆向工程的最關鍵之處是數(shù)據處理。數(shù)據處理其實是整個過程的關鍵。逆向工程的難點在于：對于數(shù)據處理過程中最能反映曲面特征特征點線面的智能提取,以及基于散亂數(shù)據點的曲面重構和曲面光順。這也是目前各種商品軟件所力求解決的問題所在。數(shù)據處理逆向工程的整個過程如圖 5所示.CMM三坐標測量儀接觸式光學掃描非接觸式激光掃描非接觸式點云數(shù)據數(shù)據處理與曲面建模機械設計計算

10、機輔助制造CAM快速原型仿型切削圖 5數(shù)據處理逆向工程的流程一般來說，產品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面,在工業(yè)領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容： （1）新零件的設計，主要用于產品的改型或彷形設計。 (2）已有零件的復制,再現(xiàn)原產品的設計意圖。 （3)損壞或磨損零件的還原. (4）數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產品的變形分析、焊接質量等,以及進行模型的比較。逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持,它已經成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之2。2快速成型技術快速成型制造技術,又叫快速原型制造技術，簡稱RP或RPM技術（Rapid Prototyping Manuf

11、acturing)，是20世紀90年代發(fā)展起來的一項多學科交叉的現(xiàn)代制造技術。它是指在計算機控制與管理下，根據零件CAD模型，采用材料精確堆積的方法制造原型或零件的技術,是一種基于離散堆積成型的方法.它集計算機技術、信息技術、物理化學技術、材料科學、逆向工程技術、數(shù)控技術與一體，快速制作成原型或零件，可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接地實現(xiàn)零件的單件生產。RP技術是在現(xiàn)代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上發(fā)展起來的.不同種類的RP系統(tǒng)雖然成型的具體原理和成型材料不盡一樣，但總的來說其原基本理都是一致的,即“分層制造，逐層疊加。

12、其基本工作過程如圖6所示.CAD模型實體模型STL文件SLI文件設備加工設備代碼格式轉換切片處理程序處理加工成型程序加載圖 6 快速成型的基本工作過程從經濟角度來說，RP技術可以大大地促進新產品的研究和開發(fā)過程，縮短新產品的開發(fā)周期，從而確使新產品上市時間提前，迅速占領市場，從而贏得激烈的市場競爭，獲得盡可能多的經濟利益和效益。從生產角度講，RP技術可以及時發(fā)現(xiàn)產品設計過程中的一些錯誤，及時修改和完善，避免大量損失，提高新產品投產的一次成功率。另外還可支持CE（ Current Engineering ) 并行工程的實施,從而可使新產品設計、樣品制造、市場定貨、生產準備等各項工作的同步進行得以

13、有可能實現(xiàn)。2.3 RE與RPM的集成RE&RP的整個過程描述如下:樣品測量系統(tǒng)逆向工程CAD快速成型CAM模具或成品首先，運用測量系統(tǒng)將樣件轉化為點云文件（ Points Cloud File ）,它能直接用于仿形切削,生成粗加工或精加工數(shù)控編程。也可通過曲面重構技術，轉化為CAD模型，若有必要再做適當修改，可以通過RPM快速成型制出成型樣品，或者直接通過CAM模塊制造出產品，推向市場.將快速成型與逆向工程相結合,通過Internet 傳遞數(shù)據，還可以實現(xiàn)“三維傳真、三維傳物的功能。更有甚者,通過Internet網，還可實現(xiàn)當?shù)鼗蚪乜焖僦圃欤↙ocal Rapid Manufacturin

14、g ），即當?shù)氐某尚椭行慕浭跈嗬脧木W上所獲得的產品數(shù)據，購買相應或兼容的成型材料，通過成型系統(tǒng)制造出最新零件或樣件來。利用RE與RP相結合的技術,還可以實現(xiàn)快速模具制造技術（RY)。間接利用快速原型制造技術的樣件應用與模具制造，還可降低模具制造成本,縮短制造周期，從而顯著提高生產效率。2.4逆向工程在生物醫(yī)學領域的數(shù)據采集與預處理 1 基于逆向工程的數(shù)據采集在醫(yī)學領域具有十分巨大的作用.通過測量工具對骨結構的掃描測量，可以獲得病人最原始的病癥，可以有針對性的對具體的病人采取各不相同的治療方案.通過對掃描所得的數(shù)據，經過修復還原軟件的修改，可以使設計后的結構與病人原來的結構達到比較滿意的吻合，

15、減少病人手術后的不適癥狀，并增加病人對治療的了解，與醫(yī)生達到比較好的配合治療,并且?guī)椭t(yī)生盡快了解病人的病變狀況，然后通過RP技術，制造出病人需替換下的結構，減少了手術時間，降低了病人的痛苦。 目前,逆向工程中最常用的三維數(shù)據獲取方法,是基于光學三決測量原理的光切三維輪廓測量方法和斷層掃描測量方法。其中，斷層掃描技術如工業(yè)CT去層圖象法能完整的獲得物體外表面和內腔的三維數(shù)據,是近年來逆向工程測量技術領域的研究熱點技術之一。由于其造價的低、測量精度高，因此在工程實際中具有較廣泛的應用前景。 2 數(shù)據預處理過程。 由于在生物醫(yī)學領域，所需測量的物體大多是具有較復雜的外形結構，測量儀所輸出的測量數(shù)據

16、很可能數(shù)據量很大，并帶有一些測量噪聲數(shù)據，因此需要對所測量的數(shù)據進行預狐貍.數(shù)據預處理就是要對原始數(shù)據進行過濾、篩選、去噪、平滑、編輯等操作，使數(shù)據滿足后續(xù)模型重建的要求.要剔除不相關的數(shù)據和異常數(shù)據，要對由于陰影或屏蔽作用而導致的沒有掃描到的部分進行數(shù)據補充。2.5 逆向工程的條件1. 逆向工程技術實施的硬件條件 在逆向工程技術設計時,需要從設計對象中提取三維數(shù)據信息。檢測設備的發(fā)展為產品三維信息的獲取提供了硬件條件.目前,國內廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產的三坐標測量機和三維掃描儀.逆向工程技術實施的軟件條件 目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、Delca

17、m、Cimatron、Catia以及Strim。具體應用的反向工程系統(tǒng)主要有以下幾個：Evans開發(fā)的針對機械零件識別的逆向工程系統(tǒng)；Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系統(tǒng)；H.H。Danzde CNC CMM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對逆向設計中的實際問題進行處理，極大地方便了設計人員.此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設計模塊.例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線）,也可以接受點云數(shù)據.其它的象UG軟件，隨著版本的提高,逆向工程模塊也逐漸豐富起來.這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件條件。 第三部分 RE在生物醫(yī)學領域的應用最早

18、采用RE技術的是航空、汽車和醫(yī)學等行業(yè).雖然醫(yī)學應用僅占10的RE市場但醫(yī)學卻對RE應用提出了更高的要求。RE已經運用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其他的醫(yī)療設備原型的制作.運用生理數(shù)據采用SLA、LOM、SLS、FDM等技術快速制作物理模型，對想不通過開刀就可以觀看病人骨骼結構的研究人員、種植體設計師和外科醫(yī)生等能夠提供非常有益的幫助。這些技術在很多專科如顱外科、神經外科、口腔外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛的應用，幫助外科醫(yī)生進行手術規(guī)劃.3。1 設計和制作可植入體RE/RP技術用于種植體設計已經有很長一段時間了，工程師利用CAD軟件可以很快地設計一個產品，而利用RE技術，通過數(shù)據掃描所

19、得的結構數(shù)據再利用RP設備的快速性允許設計師在很短的時間內多次驗證并修改其設計，這樣就在設計過程中節(jié)約了時間和成本。運用RP/RE技術，設計師可以根據特定病人的CT或MRI數(shù)據而不是標準的解剖學幾何數(shù)據來設計并制作種植體。如圖7所示。這樣就可以極大地減少了種植體設計的出錯空間，并且這種適合每個病人解剖結構的種植體確實能設計一個更好的手術,節(jié)省對病人的麻醉時間,還能減少整個手術的費用基于RP/RE制造的植入體具有相當準確的適配度,其優(yōu)點在于能夠提高美觀度，縮短手術時間，減少手術后并發(fā)癥等。來源于CT的數(shù)據轉換成STL數(shù)據。利用RP技術制作缺損部位原型。采用硬質石膏、硅橡膠等材料和相關方法翻模。制

20、作熔模并進行熔模鑄造制作假體。圖7從CT數(shù)據到骨骼3D數(shù)值模型3.2 外科手術規(guī)劃復雜外科手術往往需要在三維模型上進行演練以確保手術的成功。逆向工程技術可以滿足這種要求.由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效的與病人溝通，借助與病人自己的解剖模型，醫(yī)生可以指出關鍵的區(qū)域，從而增加病人的理解。模型增加了病人對治療的理解,這比晦澀的二維X光復雜外科手術往往需要在三維模型上進行演練以確保手術的成功.逆向工程技術可滿足這種要求。由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效地與病人溝通，借助于病人自己的解剖模型，醫(yī)生可以指照片要好理解的多。模型也能讓醫(yī)生對病人以前的手術經歷一目了然。此外,模型還能讓醫(yī)生在手術之前對著模型進行

21、手術規(guī)劃,如圖5所示。僅時間節(jié)省這一項就使得模型制作在很多復雜手術中顯得非常重要和必要。3.3 生物工程逆向工程技術在生物工程中的應用剛剛起步，但也取得了令人可喜的成果.針對骨骼的具體結構，進行CAD造型,然后利用內部細微結構仿生建模技術進行分層制造，常溫下用生物可降解材料邊分層制造邊加入生物活性因子及種子細胞。用快速成型技術制成的細胞載體框架結構來創(chuàng)造一種微環(huán)境，以利于細胞的粘附、增殖和功能發(fā)揮，以次達到組織生物工程骨骼的并行生長，加速材料模板的降解和成骨過程。此外，有關文獻還報道了一種結合表面活性劑和顆粒模板的軟平板印刷的方法，來形成有功能的納米結構，其研究以達到了分子水平.歸納起來，目前

22、RP/RE模型的醫(yī)學應用如圖6-14所示。2725 3315 2 48 64其他原因插入手術前作模擬插入手術中作定向幫助手術取得病人的同意為截骨手術制作模板改進手術計劃制作一個種植體數(shù)量/例020406080圖 7 醫(yī)學中應用RP/RE模型的原因醫(yī)學應用的每一個RP模型都需要原型設備和材料的特殊搭配才能產生預期的效果，某種情況可能需要半透明的硬塑料,而另外一種情況可能需要軟的生物兼容材料.有時需要消毒材料，有時卻并不需要.USP V1級材料是通過安全測試并能消毒的材料.目前只有少數(shù)幾種RP材料符合這一要求,SLA有一種,SLS有兩種，LOM有幾種。另一類可植入材料雖然目前仍然很弱，但將來該類材

23、料有望能夠得到快速增長.3DP與SLS等RP技術在這方面具有較大的優(yōu)越性。從醫(yī)學圖象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最適合用半透明材料做,有的最適合有不透明的材料制作以便更好的觀察表面.在大多數(shù)的情況下,這些模型是在手術之前使用的，特定情況下需要把模型消毒用于手術時的參考.隨著生物材料知識的發(fā)展，逆向工程在醫(yī)學領域的臨床應用將不斷增長，從骨再生植入到器官置換，應用范圍非常廣。目前正在研制的人工骨制作是RE技術非常有前景的一個應用領域,目前有兩種制造骨骼植入體的方法.一種方法是采用選擇性沉積磷酸鈣粉末的工藝來制作多孔的種植體。動物實驗表明，這些多孔種植體在新骨生長性能方面表現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

24、經過一定的時間，這些多孔種植體將變成動物骨架的一部分。這些多孔種植體在相對密度為50%時，強度要比原先降低到70Mpa。因而它們的用途局限在不承載的部分，如面部和顱骨部分。第二種工藝是用SLS準備碳素模具，熔融的磷酸鈣在1100的融化溫度下澆注到模具中。這樣得到的全密度玻璃態(tài)部件可以通過退火得到半結晶的合成物,抗壓強度超過170Mpa。這些可用于承載種植體如牙齒、骨頭螺釘和脊椎骨。一些RE設備制造商的長期目標是將RE機器放到臨床設備中,例如X射線部門的一臺RE機器可在幾個小時內向外科醫(yī)生提供非常有效的物理理解模型，這樣可讓外科醫(yī)生在很短的時間內作出精確的手術計劃。實現(xiàn)這一點的障礙之一是醫(yī)院缺少

25、熟練的操作人員,除此之外,設備成本、組織機構的增加、材料成本等因素都限制了RE設備直接應用于醫(yī)院這一構想。第四部分 逆向工程在醫(yī)學領域的應用實例 在義齒修復中的應用逆向工程在義齒修復中的應用 在工業(yè)產品的設計中，為了使產品更為美觀或實現(xiàn)某些特殊的性能要求，要將泥制或木制的模型反求集合模型，這種方法即為逆向工程。近年來這種設計理念在醫(yī)學領域得到了深入的應用，其中義齒修復就是一個典型的例子在實踐中,人們?yōu)榱俗非蟾油昝赖牧x齒，以修補、補償由于牙齒缺失而帶來的功能、美觀上的損失，從而創(chuàng)造出了各種各樣的義齒設計、加工方法。但由于傳統(tǒng)的工藝只是講求“形近”，而沒有“量化的概念.因此即使面對同一顆所要修復

26、的牙齒，最終設計的義齒的形狀也將千差萬別。這種傳統(tǒng)的牙齒修復過程不僅認為的干涉因素過多，而且整個過程費時費力、精度難以確保、返修率高;將逆向工程技術借鑒到義齒的修復中來,不僅提高了效率，而且大大改善了義齒的精度,縮短了設計周期，減輕了病人的痛苦. 傳統(tǒng)的義齒修復是用人工制作的修復體恢復缺損牙的形狀、外觀、功能.傳統(tǒng)的義齒制造過程是： 1 牙體預備 醫(yī)生根據病人牙齒的損壞程度，把患牙修成能與待設計的牙齒能密切配合的預備體。 2 制造工作模型 預備體修完后，用局部托盤取預備后的患牙印模，再經處理灌入人造石膏，制成工作模。 3 制造蠟模 4制作鑄模 5 鑄造 6鑄件的清理與磨光應用逆向工程的義齒制造

27、過程：利用逆向工程設計制造義齒的過程與傳統(tǒng)方法形成了鮮明的對比。它用量的概念來反映質的問題，將圖形學、圖象處理、數(shù)控加工等多學科融合在一起，探求口腔修復的數(shù)量規(guī)律，為更全面的層次上來認識用逆向工程技術來修復義齒，圖 8給出了這一過程的簡圖。本文義齒設計是采用激光線結構掃描法，實現(xiàn)了工作模型的數(shù)字化.這種測量法是基于三角測量原理的主動式結構光編碼測量技術,通過將一激光線結構光投影到三維實體上,利用CCD攝取物體表面上的二維變形線圖象，即可解出相應的三維坐標。圖9的上半部分是單顆牙的三維數(shù)據的不同視點渲染表示.下半部分是三角面片的表示和1毫米間隔的線段表示。圖10是合成后，編輯前的數(shù)據圖象，局部有漏洞。圖11是經過編輯后的數(shù)據圖象。完整的三維數(shù)據模型。圖12是牙齒模型的Z方向的刨層線。由于人對義齒的尺寸變化非常敏感，通常要將預備體反求曲面與點云的誤差控制在0。05mm以內，以符合生理規(guī)律。因此要求高精度而不強調光順等美學因素；否則容易松動，易滯留食物殘渣，腐蝕牙齒.因此必須對所得的數(shù)據進行去噪、曲面反求、求取標準牙、修改標準牙、檢測加工等。第五部分 結束語醫(yī)學與科學技術的進步，特別是計算機的廣泛應用，使傳統(tǒng)的牙齒修復方法無論