基于逆向工程技术的人体骨骼模型重建技术研究

基于逆向工程技术的人体骨骼模型重建技术研究 基于逆向工程技术的人体骨骼模型重建技 术研究 第26卷第11期 2009年11月 计算机应用与软件 ComputerApplicationsandSoftware V01.26No.11 Nov.2009 基于逆向工程技术的人体骨骼模型重建技术研究 黄艳华孙文磊姜宏 (新疆大学机械工程学院新疆乌鲁木齐830008) 摘要针对医学影像数据的三维模型重建对医学研究及临床应用的重要性及必要性,介绍了通过逆向工程技术进行人体骨骼 模型三维重建的多种方法与途径.以颅骨及股骨为实例,详细介绍了实施重建的过程,并用相应的重建结果证明了方法的正确性与 可行性. 关键词骨骼逆向工程三维重建医学影像 oNHUMANSKELEToNMoDELREC0NSTRUCTIONBASED oNREVERSEENGINEERINGTECHNoLoGY HuangYanhuaSunWenleiJiangHong (SchoolofMechanicalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830008,Xinjiang,China) AbstractForthe3Dreconstructionmodelofmedicalimagedatahasnecessityandimportance tomedicalresearchesandclinicalapplica? tions,avarietyofmethodsandapproachestoreconstructhamanskeletonusingreverseengine eringtechnologywereintroduced.ItdwelledoD thedifferentreconstructionprocesseswithoneskullandonefemurastheinstancesandtheout putshaveprovedthevalidityandfeasibilityof differentmeans. KeywordsSkeletonReverseengineering3DreconstructionMedicalimage 0引言 计算机技术的飞速发展促进了先进制造技术在制造业的巨 大进步,近年来随着生物材料技术和医学影像技术的发展,广泛 应用于机械制造领域的逆向工程技术在医学上的应用也得到了 人们的普遍关注,并获得了越来越广泛的应用. 医学图像的三维重建是目前医学图像处理的一个热点问 题J,也是快速成型技术应用于医学领域的前提条件.在外科 学领域,假体置换是缓解人体关节严重失效的常用方法之一. 人体骨骼模型重建对于个性化假体制作,生物力学分析,手术方 案模拟等方面有着重要的意义.因此,对医学图像三维重建技 术的研究,具有重要的学术意义和应用价值,而发展已经比较成 熟的逆向工程技术正在成为解决这一问题的优选方法. 1逆向工程技术在医学上的应用 逆向工程RE(ReverseEngineering)是将实物转换为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.其中模型重建部分是其关键技术之一,经过长期的研究, 现在已经形成了比较成熟的解决方法.目前逆向工程的医学应 用主要有以下几个方面: (1)设计和制作可植入假体 其制作过程一般是先将来源于CT的数据转换成STL数 据,然后利用RP技术制作缺损部位原型,再采用硬质石膏,硅 橡胶等材料和相关方法翻模,最后制作熔模,并利用熔模铸造技 术制作假体. (2)手术辅助 外科手术规划及复杂外科手术教学往往需要在三维模型上 进行演练以确保手术的成功.由于有了解剖模型,医生可以有 效地与病人沟通.此外,医生在手术之前也可利用模型进行手 术规划,这在很多复杂手术中显得非常重要.同时利用三维模 型进行手术演练教学也正成为一个重要的发展方向. (3)人体的力学分析研究 利用人体骨骼的三维模型进行力学分析研究也是当前的一 个方向,目的是建立人体的运动力学模型,这对人体仿生,运动 功能修复等都有深远意义. 2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. 鉴于其对医学图像处理的,也有很多人将其归类为逆向工 程软件.该软件对医学影像图形的处理较为成熟,功能也比较 完备. Geomagic是美国Raindrop公司推出的逆向工程软件,是成 熟的逆向工程软件之一,该软件是目前市面上对点云处理及三 维曲面构建功能最强大的软件,从点云处理到三维曲面重建的 收稿Et期:2008一O1—29.黄艳华,讲师,主研领域:CAD/CAM,逆 向工程. 第11期黄艳华等:基于逆向工程技术的人体骨骼模型重建技术研究169 时间通常只有同类产品的1/3.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是着名的逆向工程软件,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. 3人体骨骼重建 3.1重建 逆向工程技术中的关键技术之一是曲面重构技术j,目前 比较常用的曲面重构方法有以下三种:利用NURBS方法进行重 构,利用B.Spline方法进行重构和利用三角B6zier曲面模型方 法重构.人体骨骼的各种医学应用与研究均是以骨骼的三维模 型为基础的,分析人体骨骼的特点,发现其均为不规则的复杂曲 面模型.针对这一特点和多年逆向工程技术研究及逆向软件使 用的经验,根据不同的应用目的,本文提出以下重构方案,技术 路线如图1所示. 人体骨骼部位II骨骼标本 籼吼 I快速成型机l 不同材料l不同快速成型方法 人 工 骨 制 作 假 体 模 具 医 学 模 型 其 他 骨骼实体模型 等有 限元 分析 数 控 加 工 等 其 他 图1技术路线图 第一种方案是以快速成型应用为目的骨骼重建方案.需要重 建的骨骼部位,通过CT机扫描后,得到cT图像并以DICOM格式 存储,然后输入到Mimics软件中,通过图像分割将软组织与骨骼部 分进行分离,得到骨骼部分区域,生成STL模型后以STL格式输出 文件,如果有必要还要进行STL文件的修复工作.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], 就可得到用于不同目的的骨骼陕速成形原型件. 因为STL格式是以三角面片来示模型的,不是传统意义 上的CAD模型,不能对模型进行任意的修改,此外,第一种方案 生成的STL模型用于快速成型制作可以完成,但若用于有限元 分析,有时不能达到预期目的.在将骨骼模型用于假体设计及 有限元分析等方面时,可采用第二种方案,即通过CT图像在 Mimics中得到骨骼的STL模型后,以图形数据文件交换的一种 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,进行模型重构.在利用点云数据进行逆向 重构时又有两种方法可以选择:一是将IGES格式的骨骼点云数 据导人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 后进入UG软件,通过曲面缝合及加厚等功能生成骨骼实体模 型.另一种方法是将点云数据导入Imageware中,通过点构造 必要的特征线或者面,然后输入UG中,通过线构造面的命令进 行面的建模,或者利用构造实体的命令完成实体建模,最后得到 骨骼实体的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作选择. 一 般来讲,相同.的熟练程度,第二种方法会比第一种方法耗费时 间一些,但Imageware与UG相配合的逆向重构方法也比较常 用,且它们之间的接口比较直接,不会存在数据转换造成损失. 对于曲面比较复杂,不易采用第二种方法或采用第二种方法无 法构造时,可尝试采用第一种方法进行构造. 这一方案完成的骨骼模型,可以以IGES格式输出后,输入 Ansys进行有限元分析,也可为利用ADAMS动力学软件进行运 动与力学分析作参考.还有一个应用就是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)进行骨骼实 物模型的制作,为医学上的应用提供更广泛的用途. 以上两种方案都是基于CT图像来进行研究的.在实际研 究中还有一种情况,那就是需要研究的骨骼部位不适于通过CT 扫描得到,但现实有骨骼标本,在这种情况下,可以利用逆向工 程的数字化仪器(如ATOS数字化扫描仪),对标本进行扫描得 到点云数据,然后直接进入第二种方案的由点云进行逆向重构 部分,进行骨骼模型的重建. 3.2重建案例 在本项目的研究过程中,针对重建模型的不同应用目的,分 别应用上述两种方案进行了模型重建研究. 3.2.1人体颅骨重建及快速成型制作 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软件读人 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一区 域分割一边缘提取与处理一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].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2 b)所示,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 方便地扩展到其他剩余层,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,生成STL模型,如图2C)所示. 最后进行STL格式文件输出,以供快速成型机使用.本项 目研究所采用的快速成型机为西安交通大学研究生产的 SPS600固体激光快速成形机,成型材料为光固化树脂.在快速 , 17O计算机应用与软件2009生 成型机中输入成型文件后,进行相关的设置及处理,然后进行分 层及支撑结构设计,最后进行成型加工.最终得到的颅骨模型 如图2d)所示. _圈a)cT图像b)区域分割)STL模型d]快速成型件 图2颅骨逆向重构及快速成型制作过程 3.2.2人体股骨重建及有限元分析 从Mimics得到点云数据,通过IGES格式导入Geomagic软 件中.如图3a)所示是股骨局部区域放大后的结果.观察到该 股骨共有109628个点组成.点云调入Geomagic后,因为此处 的点云质量较好,不作过多处理,通过wrap命令得到三角片表 示的股骨.同时进入了Polgon阶段.进行基于三角片的曲面 模型处理,对三角片自相交,重叠,法向错误等问题进行处理,获 得比较规整的曲面模型.然后进入成形阶段,在对曲面分析的 基础上进行曲面片的合理划分,然后对划分好的曲面片进行网 格构造,在网格的基础上拟合成NURBS曲面(FitSurfaces).股 骨重建的主要技术难点是对股骨外表面及骨髓腔的重建.本文 主要采取了两部分分别建模,然后合并的方法.如图3b)所示 为建模过程中将股骨沿长度方向剖分后的情况. ?/b)股骨剖分后模型 d)股骨有限元分析结果 图3股骨逆向重构及有限元分析 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,通过缝合命令将所有曲面缝合成一个 实体,如图3c)所示.将完成的股骨实体模型从UG导出成IG- ES格式后,直接导入Ansys软件中进行有限元分析.对股骨进 行静态有限元分析,模拟正常双腿站立位时股骨上段的应力分 布状况,为该部位生物力学和病理状况研究提供参照,分析结果 如图3d)所示.可以通过更进一步的分析,为寻求假体的个体 化制作和假体加长,加粗等设计及其翻修中骨缺损起到指导作 用,为临床治疗与实验研究提供理论依据和参考. 4结束语 逆向工程在医学上的应用是一门边缘学科,涉及到机械工 程,生物材料科学和医学工程的不同领域,其应用领域和深度也 将随着各学科的发展而发展.本文所提到人体骨骼的重建方案 反映了目前医学图像重建技术的几个重要方面.医学上对生物 材料和医学影像重构精度的要求,以及处理过程的复杂,对操作 员的要求较高,是阻碍逆向工程在医学上的应用的几大因素. 但应该看到,现在的研究还是取得了较大进展,具有很好的应用 前景. 参考文献 [1]罗东礼,等.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与 应用,2005,19:219—221. 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