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題目 基于逆向工程的個(gè)性化假體設(shè)計(jì)綜述學(xué)生姓名學(xué)號(hào)所在院系 機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 摘要逆向工程在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是一門邊緣學(xué)科，涉及到機(jī)械工程、生物材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域，其應(yīng)用領(lǐng)域和深度也將隨著各學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展。本文就基于。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。反映了逆向工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)先進(jìn)性和特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：逆向工程醫(yī)學(xué)領(lǐng)域髖關(guān)節(jié)股骨假體第一章概述1.1逆向工程原理簡(jiǎn)介在機(jī)械領(lǐng)域中，逆向工程(reverseengineering)是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。密集的空間點(diǎn)資料，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)處理得到實(shí)物對(duì)象的數(shù)字模型和三維實(shí)體造型的過(guò)程［1］。一般可分為四個(gè)階段。零件原形的數(shù)字化通常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)⑵或激光掃描等測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量獲取。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。法、立體視覺測(cè)量法等來(lái)獲取原形的數(shù)字信息。從測(cè)量的數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征 當(dāng)零件原形數(shù)字化測(cè)量后形成一系。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。再適用?；趨^(qū)域的分割法是將具有相似幾何特征的空間點(diǎn)劃為同一區(qū)域，由于這種方法分割依據(jù)具有明確的幾何意義，因此是目前較為常用的分割方法。曲面擬合可以分為插值和逼近兩種方式。使用插值方法擬合曲面通過(guò)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，適合于測(cè)量設(shè)備精度高，數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)比較精確的場(chǎng)合；使用逼近的方法所擬合的曲面不一定通過(guò)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，適用于測(cè)量數(shù)據(jù)較多，測(cè)量數(shù)據(jù)含噪聲較高的情況。零件原形CAD模型的重建將分割擬合后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中做表面模型的曲面接合，并通過(guò)各表面片的求交與拼接可獲取零件原形表面的CAD模型。目前逆向工程中的建。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。計(jì)領(lǐng)域的成熟大型軟件，一來(lái)是因?yàn)槟嫦蚬こ唐鹪从跈C(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，二來(lái)是方便實(shí)物對(duì)象的下一步制造。新建CAD模型的檢驗(yàn)與修正采用根據(jù)獲得的CAD模型加工出樣品的方法來(lái)檢驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)，對(duì)不滿足要求者，重復(fù)以上過(guò)程，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。此過(guò)程中需要和現(xiàn)有的技術(shù)如快速成型技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)結(jié)合來(lái)加工樣品，以提高精度和速度。1.2逆向工程在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀在機(jī)械。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。用也引起了人們的關(guān)注⑶。本文敘述了逆向工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展。逆向工程在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀雖然由于醫(yī)學(xué)上對(duì)生物材料和醫(yī)學(xué)影像精度的要求較高和逆向工程在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用過(guò)程復(fù)雜，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。前正處于將取得突破的臨界點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用前景⑷。目前國(guó)內(nèi)外的研究主要有三個(gè)方向：模仿逆向工程的一般過(guò)程，利用現(xiàn)有成熟技術(shù)如CAD軟件、快速成型、數(shù)控加工等來(lái)形成。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。步，通過(guò)此方法可積累經(jīng)驗(yàn)。目前此過(guò)程的關(guān)鍵是醫(yī)學(xué)斷層數(shù)據(jù)與UG等自帶的逆向工程軟件如Imageware的結(jié)合⑸。綜合性軟件的研究開發(fā)。綜合性軟件集成斷層影像數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分割擬合、3D重建等功能，可從斷層數(shù)據(jù)直接生成快速成型設(shè)備和數(shù)控設(shè)備可識(shí)別的數(shù)據(jù)，方便醫(yī)學(xué)應(yīng)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。的是Materialise公司的MIMICS軟件，其在逆向工程的醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域有一定的通用性，為醫(yī)院各科室的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究提供了一個(gè)平臺(tái)。專門針對(duì)某一應(yīng)用的專業(yè)性軟件的研究開發(fā)。這方面主要集中在3D影像重建應(yīng)用較成熟的領(lǐng)域如口腔科等。第二章個(gè)性化假體技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)基礎(chǔ)2.1個(gè)性化假體一般設(shè)計(jì)流程基于逆向工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，個(gè)性化假體的設(shè)計(jì)過(guò)程一般分為以下幾個(gè)部分:圖2.1個(gè)性化假體的設(shè)計(jì)過(guò)程（1） 由于圖像采集過(guò)程中，不同的應(yīng)用目的對(duì)圖像格式、數(shù)據(jù)類型等基本參數(shù)有不同需求。根據(jù)后繼研究工作的要求，對(duì)圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)圖像采集過(guò)程中由于系統(tǒng)誤差，環(huán)境因素等產(chǎn)生的不良影響進(jìn)行修正，為后面的研究計(jì)算工作提供良好的圖像數(shù)據(jù)。（2） 對(duì)比研究現(xiàn)在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域常用到的圖像分割技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果，并根據(jù)人體實(shí)體切片圖像數(shù)據(jù)自身的特點(diǎn)，選取對(duì)本課題圖像數(shù)據(jù)處理效果最佳的分割算法，目的是提取所需輪廓，為后面的三維重建提供圖像數(shù)據(jù)。（3） 研究三維重建原理，重點(diǎn)研究重建算法，以期找到更精確繪制算法，得到形狀更精確、表面。。。。。。。。。的三維重建數(shù)字模型⑹。選取滿足目前研究需要的工具軟件，進(jìn)行個(gè)性化假體三維重建實(shí)踐。（4） 研究根據(jù)重建的三維模型進(jìn)行快速實(shí)體制作的途徑。為了解決了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中三維模型。。。。。。。。。。。。。。。。的問題，對(duì)現(xiàn)今工程制造領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)一一快速原型技術(shù)在反求工程中的應(yīng)用做了工具應(yīng)用層面的研究。2.2個(gè)性化假體的技術(shù)方法（1）數(shù)字圖像的獲取方法從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度來(lái)看，數(shù)字圖像可以理解為對(duì)二維函數(shù)f（X,y）進(jìn)行采樣和量化（即離散處理）后得到的圖像，因此，通常用二維矩陣來(lái)表示一幅數(shù)字圖像⑺。數(shù)字圖像的獲取方法主要有以下三種途徑：一是將傳統(tǒng)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。字圖像。在實(shí)踐中，模擬圖像可通過(guò)電視攝像機(jī)、掃描儀、固態(tài)攝像機(jī)、圖像采集卡等設(shè)備來(lái)獲得。例如將一幅照片通過(guò)掃描儀輸入到計(jì)算機(jī)中，掃描的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是離散和數(shù)字化的過(guò)程。二是應(yīng)用各種光電轉(zhuǎn)換設(shè)備立刻得到數(shù)字圖像。直接數(shù)字圖像的獲取方法主要有：媒質(zhì)交換法、網(wǎng)絡(luò)互連法、CR法及DICOM法等。例如衛(wèi)星上搭載的掃帚式掃描儀和光機(jī)掃描儀可以直接獲取地表甚至地下物體的圖像并實(shí)時(shí)存入存儲(chǔ)器中，側(cè)視雷達(dá)也可以直接獲取數(shù)字圖像。三是直接由二維離散數(shù)學(xué)函數(shù)生成數(shù)字圖像。無(wú)論哪種方式，最終得到的數(shù)字圖像都是一個(gè)二維矩。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。二維矩陣變?yōu)榱硪粋€(gè)二維矩陣的過(guò)程。因此，數(shù)字圖像處理是指對(duì)一個(gè)物體的數(shù)字表示，即對(duì)一個(gè)二維矩陣施加一系列的操作，以得到所期望的結(jié)果。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，圖像的獲取方法也不能簡(jiǎn)單的用某種方法來(lái)界定，往往在一個(gè)圖像采集設(shè)備中既包含了模擬圖像采集模塊，又包含了模數(shù)轉(zhuǎn)換的。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。最常見的就是生活中廣泛使用的數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀等。但在工程應(yīng)用中，由于對(duì)圖像精度要求比較高或是有特殊要求，采集設(shè)備也相應(yīng)變得比較復(fù)雜。（2） 圖像處理的主要內(nèi)容圖像處理的內(nèi)容非常豐富，根據(jù)應(yīng)用要求和目的的不同，圖像處理所研究的內(nèi)容重點(diǎn)是不一樣的。在處理過(guò)程中，不同的應(yīng)用目的對(duì)圖像格式、數(shù)據(jù)類型等基本參數(shù)有不同需求；而出于不。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。種相關(guān)的方法。（3） 三維重建技術(shù)⑻圖像三維重建的方法主要有兩大類：一類是三維面繪制；另一類是三維體繪制。體繪制更能反應(yīng)真實(shí)的人體結(jié)構(gòu)。由于體繪制算法運(yùn)算量太大，即使利用高性能的計(jì)算機(jī)，仍然無(wú)法滿足實(shí)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。的表面重建與基于體素（Voxe1）的等值面重建為主要方法。（4） 實(shí)體成型制備對(duì)于人體假體的制備技術(shù)，目前醫(yī)學(xué)上常用的制造工藝主要有三種:手工塑形、快速原型和多點(diǎn)成形⑼.其中,手工塑形是醫(yī)生根據(jù)病人缺損部位的大小和形狀手工塑形，在塑形過(guò)程中易出現(xiàn)皺。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。多點(diǎn)成形難以克服的缺陷，壓痕和起皺影響外形美觀，回彈會(huì)使修復(fù)體尺寸與骨窗尺寸不吻合，導(dǎo)致修復(fù)體塌陷或松動(dòng).邊緣翹曲會(huì)使修復(fù)體與缺損處不能良好貼合，影響修復(fù)質(zhì)量。

第三章個(gè)性化假體反求實(shí)例3.1髖關(guān)節(jié)股骨假體反求實(shí)例3.1.1髖關(guān)節(jié)股骨假體應(yīng)用意義關(guān)節(jié)置換手術(shù)給嚴(yán)重關(guān)節(jié)病變的患者帶來(lái)了革命性的治療.而人工關(guān)節(jié)的形狀以及與股骨上段髓腔匹配的程度。。。。。。。。。。。。接影響人工關(guān)節(jié)長(zhǎng)期穩(wěn)定性、活動(dòng)度及人工關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能的重要因素.良好的匹配可以起到早期穩(wěn)定的作用，更是長(zhǎng)期穩(wěn)定的基礎(chǔ)，假體柄與骨間大面積的接觸能使應(yīng)力均勻傳導(dǎo)，減少應(yīng)力集中，有利于生物固定的骨長(zhǎng)入，起到長(zhǎng)期穩(wěn)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。對(duì)患者骨骼的三維重建，為每一位患者進(jìn)行特。。。。。個(gè)理想的有效途徑.3.1.2CAD/RE個(gè)體化假體的技術(shù)方法使用CT獲得骨骼的計(jì)算機(jī)斷層圖像數(shù)據(jù)，保存為dicom格式；對(duì)CT進(jìn)行圖像處理，開發(fā)dicomtobmp軟件，將dicom格式轉(zhuǎn)化為bmp格式，以便做反求設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析；對(duì)bmp數(shù)據(jù)格式的骨骼圖像做矢量化處理，提取骨骼片層輪廓；骨骼三維反求重建，基于骨骼片層輪廓數(shù)據(jù)，實(shí)施三維反求重建，即重建骨骼三維模型；個(gè)體化假體建模，在三維骨骼模型的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)體化假體三維數(shù)字3.1.3基于CT圖像技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程CT圖像數(shù)據(jù)的獲取與處理健康男性志愿者一名，排除髖關(guān)節(jié)疾患，年齡30歲，身高175cm,體重65kg.志愿者仰臥于CT床中。。。。、、、、、、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。描從股骨頭上1cm,向下間隔3mm掃描至股骨中上段，層厚為3mm.CT圖像掃描后存為dicom格式，股骨dicom數(shù)據(jù)如圖：圖3.1CT定位圖和一組股骨斷面圖圖3.1CT定位圖和一組股骨斷面圖CT圖像處理：將dicom格式轉(zhuǎn)化為bmp格式CT數(shù)據(jù)的通用文件為dicom數(shù)據(jù)格式，在CT圖像處理方面美國(guó)通用、德國(guó)西門子、日本東芝的水平世界領(lǐng)先，已經(jīng)開發(fā)出具有三維重建功能的CT系統(tǒng)，但由于技術(shù)壟斷,

價(jià)格均在10萬(wàn)美金以上，而且只能在影像專用系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，不能隨意安裝于普通計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)不能輸出，不能夠共享分析，使用受限制.因此要使用編程軟件將格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（3）CT骨骼bmp圖像矢量化，提取骨骼片層輪廓數(shù)據(jù)［11,］邊緣輪廓提取流程如圖:圖3.2圖3.2邊緣提取流程從像素圖提取矢量圖，即將輪廓線進(jìn)行矢量化如圖:CT原圖一-伯比圖愫一值化I引像填充去小業(yè)言即懊異彳其技矣虧用&CT原圖一-伯比圖愫一值化I引像填充去小業(yè)言即懊異彳其技矣虧用&F*催訕最提女邊界豆由蜀佚圖3.3輪廓線進(jìn)行矢量化（4）骨骼三維反求重建由于矢量化同時(shí)將股骨外輪廓邊緣和髓腔邊緣檢測(cè)出來(lái)了，而股骨的內(nèi)、外特征輪廓曲線dxf文件輸入三維CAD系統(tǒng)solidworks2004上，采用特征放樣建模，進(jìn)行股骨內(nèi)外輪廓的三維重建，它處理曲面的流程遵循點(diǎn)-曲線-曲面原則，最后建立股骨實(shí)體模型.因?yàn)?。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。個(gè)數(shù)一樣，因此還需編程實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外輪廓特征點(diǎn)二次規(guī)劃.方法大致敘述如下：因?yàn)楣晒禽喞拿娣e比較小，因此按照輪廓曲線等分的原理，在原輪廓的基礎(chǔ)上取18個(gè)等分點(diǎn)，由這18個(gè)點(diǎn)構(gòu)成樣條曲線成為新輪廓，代替原來(lái)的輪廓，誤差極小，新輪廓也存為dxf文件.股骨特征輪施去美節(jié)股骨特都輪都股骨三維更建

股骨特征輪施去美節(jié)股骨特都輪都股骨三維更建圖3.4髓腔及假體輪廓的三維重建（5）個(gè)體化假體建模在solidworks2004中，以此股骨髓腔輪廓為基礎(chǔ)，完成個(gè)體化假體三維模型設(shè)計(jì),如圖6所示.具體步驟如下：在原來(lái)股骨髓腔內(nèi)表面的基礎(chǔ)上，進(jìn)行切片輪廓重新規(guī)劃，每一切片輪廓為18個(gè)點(diǎn)為組成的樣條曲線，采用特征放樣建模，生成假體柄模型；生成假體三維實(shí)體模型，將假體遠(yuǎn)端拋光，減少應(yīng)力遮擋，在假體柄近端設(shè)計(jì)一個(gè)假體頸，遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)成圓頂狀，得到一個(gè)完整的股骨假體；偃體裝入股骨將個(gè)體化假體裝入股骨.偃體裝入股骨假體鈉模型 嘏體模型圖3.5個(gè)體化假體建模3.2多點(diǎn)成型技術(shù)3.2.1多點(diǎn)成形系統(tǒng)的基本工作流程多點(diǎn)成形是金屬板材三維曲面成形的新技術(shù)，其原理是將傳統(tǒng)的整體模具離散成一系列規(guī)則排列、高度可調(diào)的基本。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。體（或稱沖頭）［12］在傳統(tǒng)模具成形中，板材由。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。成形，而多點(diǎn)成形中則由基本體群（沖頭）構(gòu)成要求的包絡(luò)面（或成形曲面）來(lái)成形.多點(diǎn)成形系統(tǒng)主要由造型系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、多點(diǎn)成形主機(jī)三部分構(gòu)成（圖3.6所示）.造型系統(tǒng)從外部直接讀入零件的三維模型，在經(jīng)過(guò)成形工藝分析和計(jì)算后，調(diào)整零件的最佳成形位置,控制單元根據(jù)造型系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)各基本體的行程，形成確保板材成形的模具形面，體現(xiàn)了柔性特點(diǎn)，最后由成形機(jī)加載后成形出所需的零件產(chǎn)品.圖3.6圖3.6多點(diǎn)成形系統(tǒng)構(gòu)成3.2.2多點(diǎn)成形的技術(shù)先進(jìn)性和特點(diǎn)位置可調(diào)的基本體群及其形成的“可變模具”是多點(diǎn)成形技術(shù)的關(guān)鍵，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：實(shí)現(xiàn)無(wú)模成形，不需傳統(tǒng)模具，因而節(jié)省了大量的模具設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試的資金和時(shí)間，快捷規(guī)范的自動(dòng)成形工藝特別適合顱骨成形這類單件零件的生產(chǎn).基本體群的位置可根據(jù)成形面的形狀在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，甚至在成形過(guò)程中也可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整.因此板材的成