Science &Technology Vision 科技视界
0前言
在20世纪80年代以来，以计算机技术为核心的数字化技术飞速发展，相应的促进了医学影像工程技术和逆向工程技术的发展，也为逆向工程技术应用于医学领域奠定了技术基础。90年代以后，逆向工程技术的医学应用逐步发展，得到了人们的普遍关注并获得了越来越广泛的应用。 逆向工程技术(Reverse Engineering，简称RE)是指将实物转换为CAD 模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称[1]。在本文中狭义的将其定义为从相关模型的数字信息的获取、数字信息的处理到CAD 模型形成这一过程中涉及的技术过程。 1软件介绍
Mimics 是Materialise 公司开发的交互式医学图像控制系统的简
称，是对医学CT 和MRI 图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D 模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析),RP(快速成型)格式，是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[2];Geomagic 是美国Raindrop 公司的推出的逆向工程软件，是成熟的逆向工程软件之一。利用Geomagic 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网 格，并可自动转换为NURBS 曲面。Imageware 是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模具及通用的机械行业。UG 是功能强大的三维设计软件，是当前世界上最先进的、紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM 高端软件。
2人体骨骼模型重建方案
在逆向工程中，实体的三维模型重建是整个过程中最关键、最复杂的环节。在实际应用中，通常根据不同的数据来源和应用目的，选用不同的方法，本文尝试提出以下两种方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。
2.1基于CT/MRI 图像的三维模型重构2.1.1重构方案
该方案是以感兴趣的人体骨骼的CT/MRI 图像为数据源的模型重建方案。技术路线如图1所示，首先对人体骨骼进行CT /核磁扫描，获取用于三维模型重建的CT /MRI 图像并以DICOM 格式存储，然后输入到Mimics 软件中。为了确保图像质量，先要对图像进行预处理，然后进行图像分割和边缘的提取与处理，将软组织与骨骼组织进行分离，得到所需组织区域。再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层。最后通过Calculate 3D 工具由mask 计算所需组织的三维模型。为了得到较好的模型效果，需要对所建好的模型进行后期处理，如光顺(Smoothing)、重新网格划分(Remesh)等。重构的三维模型，可以以STL 格式输出文件，然后将文件输入快速成型机，
采用不同的快速成型材料及不同的
快速成型方法[3]，得到用于不同目的的快速成形原型件。
图1技术路线图
因为STL 格式是以三角面片来表示模型的，不是传统意义上的
CAD 模型，不能对模型进行任意的修改。在将重构的组织模型用于假体设计及有限元分析等方面时，可以将得到的组织模型以图形数据文件交换的一种标准格式,IGES 格式，将模型输出，得到模型的点云数据。然后利用逆向工程原理，进行三维重构，得到所需组织的CAD 模型。2.1.2重建案例
使用CT 扫描机，采集了人体头部CT 数据，如图2a)所示。得到DIMCOM 格式的颅骨扫描后的数据，运用Mimics 软件读入计算机中，得到包括软组织和骨组织在内的各具灰度特性的不同区域。在Mimics 中进行颅骨重建主要通过数据预处理-区域分割-边缘提取与处理-区域增长这样的过程最终得到颅骨骨骼区域，最后将选定区域生成STL 模型。
CT 图像是灰度图像，每一点的灰度值反映了该处的密度[4]。骨骼的CT 值因人而异，一般范围为300-1500。通过人工干预，选择合适的分割阈值，将骨骼和软组织进行分割，如图2b)，然后进行边缘提取及处理，对不需要的区域进行删除。对于已经确定某一个层面的骨骼区域，通过区域生长功能可以
方便的扩展到其他剩余层。最终提取出骨骼部分区域。通过区域生长完成的三维轮廓由于影像的误差和分割的误差，通常仍旧会包含一些不需要的结构部位，必须通过编辑处理手段把它们删除。然后可经过反复验证达到完善。在确认无误的情况下，该三维模型可以以STL 文件格式输出，生成STL 模型，如同2c)所示。导入到快速成型设备中，用以制作快速成型件；或在输出模块中以IGES 文件或DXF 文件格式导出，用以进一步的计算机辅助设计或有限元分析，为从力学角度进一步研究做前期准备工作。 人体骨骼三维模型重建技术的研究
石永芳田军
(新疆医科大学医学工程技术学院，新疆乌鲁木齐830011)
【摘要】针对三维模型重建技术对医学研究及临床应用的重要性及必要性，根据不同的数据来源和应用目的介绍了人体骨骼模型三维重建的不同方法与途径，并以颅骨和磨牙模型为实例，详细介绍了三维重建过程，最后用相应的重建结果证明了方法的可行性与正确性。
【关键词】骨骼；逆向工程；三维重建；医学影像
Study on Human Body Skeleton Model Reconstruction
Shi Yong-fang Tian Jun
谢宇风(Medical Engineering Technology College,Xinjiang Medical University,Urumqi Xinjiang 830011,China )
【Abstract 】With the necessity and importance of reconstructing medical image model on the medical application and research,a variety of methods reconstructing human body Skeleton were introduced according to different original data and application purposes.The different reconstruction processes of human pelvic tissues,molar and incisor models are detailed.This proves the validity and feasibility of the different means.
肽链内切酶【Key words 】Human body skeleton;Reverse engineering;3D reconstruction;Medical image
※基金项目：新疆医科大学2013年科研创新基金项目“基于逆向工程的人体骨骼模型重建技术研究”(XJC2013230)。
作者简介：石永芳(1978—)，女，工学硕士，副教授，主要研究方向为CAD/CAM 、计算机应用。
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界(上接第35页)力，绘制速度对残余应力的影响曲线，如图3所示。可见：速度大，残层深度大。超过80m/s 时，最大压应力不在最表面且有深的强化层。
3分析与结论
综上所述：对于弹丸直径为Φ1mm，喷射角度为90°，选60m/s~80m/s 的速度可以获得较好的综合效果。
该文在强化研磨加工方法基础上阐述了强化研磨加工时的最优喷射速度，该研究进一步完善了强化研磨加工技术。此外，文中对喷射速度的分析方法为接下来的其它影响机理(如喷射角度、喷射距离)的研究提供了很好的借鉴，对促进强化研磨加工技术的发展有深远的意义。
参考文献[1]刘晓初，陈志斌，何铨鹏，等.强化研磨加工的仿真及试验[J].轴承,2014(07).
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[7]谢碧洪，刘晓初，梁忠伟.轴承强化研磨加工时间对沟道表面残余压应力的影响[J].机电工程技术,2014(03).
[责任编辑：侯天宇]
a)CT 图像
b)区域分割c)STL 模型
图2颅骨逆向重构过程
2.2基于人体骨骼标本、模型的三维模型重构2.2.1重构方案
在实际研究中，有些人体组织不适于通过CT/MRI 扫描得到，但现实有组织标本或模型，这时可以利用逆向工程的数字化仪器，对标本或模型进行扫描，得到点云数据，然后利用点云数据进行逆向重构。
重构时可以有两种方法选择：一是将IGES 格式的点云数据导入Geomagic 软件中，利用该软件的相应功能来完成从点云数据到多边型模型和网格模型的构造，最后自动转换为NURBS 曲面模型。生成曲面模型后，仍然以IGES 格式将模型导出，然后导入UG 软件，通过曲面缝合、加厚等功能生成实体模型。
图3技术路线图
另一种方法是将点云数据导入Imageware 中，通过点云构造必要的特征曲线或曲面，然后导入UG 中，通过线构造面的相关命令进行曲面建模，再利用构造实体的命令完成实体建模，最后得到实体的CAD 模型。
在这两种方法之中，选择哪一种方法可视要构造模型的特点及使
用者对软件的掌握程度来做选择。这一方案完成的实体模型，可以以IGES 格式输出后，输入Ansys 中进行有限元分析，也可为利用ADAMS 动力学软件进行运动与力学分析，还可在此模型的基础上进
行假体设计，当然也可以将模型输出成STL 格式，进行快速成型制作，还可以利用其他加工方法(如数控加工)进行实物模型的制作。2.2.2重建案例[5]
针对人体组织标本、模型的三维模型重构方案，以人体的下颌第一磨牙模型作为模拟对象，对其进行三维模型重建研究。
折叠式笔记本电脑使用ATOS 光学扫描系统将磨牙的模型进行扫描，获得原始点云数据。通过ATOS 扫描软件对点云进行去除噪声点、对齐、三角化、补洞、光顺等数据预处理，然后以IGES 格式导入Geomagic 软件中。在Geomagic 中，先对点云进行进一步优化处理：如去除杂点、光顺、优化点云的横向点距、纵向点距等。然后通过wrap 命令得到三角片表示的磨牙，如图4a)所示。同时进入Polgon 阶段，进行基于三角片的曲面模型处理，通过对三角片的自相交、重叠、法向错误等问题进行处理后获得比较规整的曲面模型，然后进入成形阶段(Shape Phase)，在对曲面分析的基础上进行曲面片的合理划分，对划分好的曲面片进行网格构造(Construct Grid)，在网格的基础上拟合成NURBS 曲面(Fit Surfaces)，如图4b)所示。在Geomagic 中得到NURBS 曲面模型后，将文件以IGES 格式导出，然后导入UG 中，通过曲面缝合，得到三维实体，如图4c)所示。可以对其各部位进行更进一步的分析研究，为进行牙体的生物力学研究和修复体优化设计提供生物力学基础，以提供临床与实验研究的理论依据和参考。
a )磨牙点云
b )曲面模型
c )三维实体模型
图4磨牙的逆向重构过程
3结束语
根据不同的数据来源和应用目的，本文尝试提出了两种不同方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。完整地回顾了重构的整个过程：从CT/MRI 图像到STL 模型，从点云数据的预处理到三维实体模型的生成。但是在不同的实际情况下，要求不同，需要实现的细节也不同，因此应根据实际情况的不同要求，采用合适的处理方法。
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引向器
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[责任编辑：汤静]
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