课程报告参考模板

课程报告
题目基于逆向工程的个性化假体设计综述
学生姓名学号
所在院系机械工程学院
指导教师
摘要
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、医学工程和医学的不同领域，其应用领域和深度也将随着各学科的发展而发展。

本文就基于。

反映了逆向工程在医学领域的技术先进性和特点。

关键词：逆向工程医学领域髋关节股骨假体
第一章概述
1.1逆向工程原理简介
在机械领域中，逆向工程(reverse engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸。

密集的空间点资料，然后通过计算机技术处理得到实物对象的数字模型和三维实体造型的过程[1]。

般可分四阶段。

1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)[2]或激光扫描等测量装置来测量获取。

法、立体视觉测量法等来获取原形的数字信息。

2.从测量的数据中提取零件原形的几何特征当零件原形数字化测量后形成一系。

再适用。

基于区域的分割法是将具有相似几何特征的空间点划为同一区域，由于这种方法分割依据具有明确的几何意义，因此是目前较为常用的分割方法。

曲面拟合可以分为插值和逼近两种方式。

使用插值方法拟合曲面通过所有数据点，适合于测量设备精度高，数据点坐标比较精确的场合；使用逼近的方法所拟合的曲面不一定通过所有的数据点，适用于测量数据较，测量数据含噪声较高的情况。

3.零件原形CAD模型的重建将分割拟合后的三维数据在CAD系统中做表面模型的曲面接合，并通过各表面片的求交与拼接可获取零件原形表面的CAD模型。

目前逆向工程中的建。

计领域的成熟大型软件，一来是因为逆向工程起源于机械设计制造领域，二来是方便实物对象的下一步制造。

4.新建 CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标，对不满足要求者,重复以上过程，直至达到零件的设计要求。

此过程中需要和现有的技术如快速成型技术、数控加工技术结合来加工样品，以提高精度和速度。

1.2逆向工程在医学上应用的技术现状
在机械。

用也引起了人们的关注[3]。

本文叙述了逆向工程技术在医学上的应用原理、应用现状及未来的发展。

逆向工程在医学上应用的技术现状
虽然由于医学上对生物材料和医学影像精度的要求较高和逆向工程在医学上的应用过程复杂，。

前正处于将取得突破的临界点，具有很大的应用前景[4]。

目前国内外的研究主要有三个方向：
(1)模仿逆向工程的一般过程，利用现有成熟技术如CAD软件、快速成型、数控加工等来形成。

步，通过此方法可积累经验。

目前此过程的关键是医学断层数据与UG等自带的逆向工程软件如Imageware的结合[5]。

(2)综合性软件的研究开发。

综合性软件集成断层影像数据读取、数据分割拟合、3D重建等功能，可从断层数据直接生成快速成型设备和数控设备可识别的数据，方便医学应。

的是Materialise公司的MIMICS软件，其在逆向工程的医学应用领域有一定的通用性，为医院各科室的医学应用研究提供了一个平台。

(3)专门针对某一应用的专业性软件的研究开发。

这方面主要集中在3D影像重建应用较成熟的领域如口腔科等。

第二章个性化假体技术设计过程中的技术基础
2.1个性化假体一般设计流程
基于逆向工程在医学领域的应用，个性化假体的设计过程一般分为以下几个部分：
图2.1 个性化假体的设计过程
（1）由于图像采集过程中，不同的应用目的对图像格式、数据类型等基本参数有不同需求。

根据后继研究工作的要求，对图像数据集进行预处理，并对图像采集过程中由于系统误差，环境因素等产生的不良影响进行修正，为后面的研究计算工作提供良好的图像数据。

（2）对比研究现在科学应用领域常用到的图像分割技术，通过实验对比效果，并根据人体实体切片图像数据自身的特点，选取对本课题图像数据处理效果最佳的分割算法，目的是提取所需轮廓，为后面的三维重建提供图像数据。

（3）研究三维重建原理，重点研究重建算法，以期找到更精确绘制算法，得到形状更精确、表面。

的三维重建数字模型[6]。

选取满足目前研究需要的工具软件，进行个性化假体三维重建实践。

（4）研究根据重建的三维模型进行快速实体制作的途径。

为了解决了计算机辅助设计中三维模型。

的问题，对现今工程制造领域的先进制造技术――快速原型技术在反求工程中的应用做了工具应用层面的研究。

2.2个性化假体的技术方法
（1）数字图像的获取方法
从计算机科学的角度来看，数字图像可以理解为对二维函数 f ( x , y )进行采样和量化（即离散处理）后得到的图像，因此，通常用二维矩阵来表示一幅数字图像[7]。

数字图像的获取方法主要有以下三种途径：
一是将传统。

字图像。

在实践中，模拟图像可通过电视摄像机、扫描仪、固态摄像机、图像采集卡等设备来获得。

例如将
一幅照片通过扫描仪输入到计算机中，扫描的过程实质上就是离散和数字化的过程。

二是应用各种光电转换设备立刻得到数字图像。

直接数字图像的获取方法主要有：媒质交换法、网络互连法、CR法及DICOM法等。

例如卫星上搭载的扫帚式扫描仪和光机扫描仪可以直接获取地表甚至地下物体的图像并实时存入存储器中，侧视雷达也可以直接获取数字图像。

三是直接由二维离散数学函数生成数字图像。

无论哪种方式，最终得到的数字图像都是一个二维矩。

二维矩阵变为另一个二维矩阵的过程。

因此，数字图像处理是指对一个物体的数字表示，即对一个二维矩阵施加一系列的操作，以得到所期望的结果。

随着现代信息技术的发展，数字图像在更多的领域得到应用，图像的获取方法也不能简单的用某种方法来界定，往往在一个图像采集设备中既包含了模拟图像采集模块，又包含了模数转换的。

最常见的就是生活中广泛使用的数码照相机、扫描仪等。

但在工程应用中，由于对图像精度要求比较高或是有特殊要求，采集设备也相应变得比较复杂。

（2）图像处理的主要内容
图像处理的内容非常丰富，根据应用要求和目的的不同，图像处理所研究的内容重点是不一样的。

在处理过程中，不同的应用目的对图像格式、数据类型等基本参数有不同需求；而出于不。

种相关的方法。

（3）三维重建技术[8]
图像三维重建的方法主要有两大类：一类是三维面绘制；另一类是三维体绘制。

体绘制更能反应真实的人体结构。

由于体绘制算法运算量太大，即使利用高性能的计算机，仍然无法满足实。

的表面重建与基于体素(Voxe1)的等值面重建为主要方法。

（4）实体成型制备
对于人体假体的制备技术,目前医学上常用的制造工艺主要有三种:手工塑形、快速原型和多点成形[9]. 其中,手工塑形是医生根据病人缺损部位的大小和形状手工塑形,在塑形过程中易出现皱。

多点成形难以克服的缺陷,压痕和起皱影响外形美观,回弹会使修复体尺寸与骨窗尺寸不吻合,导致修复体塌陷或松动. 边缘翘曲会使修复体与缺损处不能良好贴合,影响修复质量。

第三章个性化假体反求实例
3.1髋关节股骨假体反求实例
3.1.1髋关节股骨假体应用意义
关节置换手术给严重关节病变的患者带来了革命性的治疗. 而人工关节的形状以及与股骨上段髓腔匹配的程度。

接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要因素. 良好的匹配可以起到早期稳定的作用, 更是长期稳定的基础, 假体柄与骨间大面积的接触能使应力均匀传导, 减少应力集中, 有利于生物固定的骨长入, 起到长期稳。

对患者骨骼的三维重建, 为每一位患者进行特。

个理想的有效途径.
3.1.2 CAD/ RE 个体化假体的技术方法
(1)使用CT 获得骨骼的计算机断层图像数据,保存为dicom 格式;
(2)对CT 进行图像处理, 开发dicom to bmp软件, 将dicom 格式转化为bmp 格式, 以便做反求设计与数据分析;
(3)对bmp 数据格式的骨骼图像做矢量化处理, 提取骨骼片层轮廓;
(4)骨骼三维反求重建, 基于骨骼片层轮廓数据, 实施三维反求重建, 即重建骨骼三维模型;
(5)个体化假体建模, 在三维骨骼模型的基础上, 采用计算机辅助技术设计个体化假体三维数字
3.1.3基于CT图像技术的设计过程
（1）CT 图像数据的获取与处理
健康男性志愿者一名, 排除髋关节疾患, 年龄30 岁, 身高175 cm, 体重65 kg. 志愿者仰卧于CT床中。

、、、、、、。

描从股骨头上1 cm, 向下间隔3 mm 扫描至股骨中上段, 层厚为3 mm. CT 图像扫描后存为dicom 格式, 股骨dicom数据如图：
图3.1 CT 定位图和一组股骨断面图
（2）CT 图像处理: 将dicom 格式转化为bmp 格式
CT 数据的通用文件为dicom 数据格式, 在CT图像处理方面美国通用、德国西门子、日本东芝的水平世界领先, 已经开发出具有三维重建功能的CT系统, 但由于技术垄断,
价格均在10 万美金以上,而且只能在影像专用系统上实现, 不能随意安装于普通计算机, 数据不能输出, 不能够共享分析, 使用受限制.因此要使用编程软件将格式进行转换。

（3）CT 骨骼bmp 图像矢量化, 提取骨骼片层轮廓数据[11]，边缘轮廓提取流程如图：
图3.2 边缘提取流程
从像素图提取矢量图, 即将轮廓线进行矢量化如图：
图3.3 轮廓线进行矢量化
（4）骨骼三维反求重建
由于矢量化同时将股骨外轮廓边缘和髓腔边缘检测出来了, 而股骨的内、外特征轮廓曲线dxf 文件输入三维CAD 系统solidworks2004 上, 采用特征放样建模, 进行股骨内外轮廓的三维重建, 它处理曲面的流程遵循点- 曲线- 曲面原则, 最后建立股骨实体模型.因为。

个数一样, 因此还需编程实现内、外轮廓特征点二次规划. 方法大致叙述如下: 因为股骨轮廓的面积比较小, 因此按照轮廓曲线等分的原理,在原轮廓的基础上取18 个等分点, 由这18 个点构成样条曲线成为新轮廓, 代替原来的轮廓, 误差极小, 新轮廓也存为dxf 文件.
图3.4 髓腔及假体轮廓的三维重建
（5）个体化假体建模
在solidworks2004 中, 以此股骨髓腔轮廓为基础, 完成个体化假体三维模型设计, 如图6 所示.具体步骤如下:
1.在原来股骨髓腔内表面的基础上, 进行切片轮廓重新规划, 每一切片轮廓为18 个点为组成的样条曲线, 采用特征放样建模, 生成假体柄模型;
2.生成假体三维实体模型, 将假体远端抛光,减少应力遮挡, 在假体柄近端设计一个假体颈, 远端设计成圆顶状, 得到一个完整的股骨假体;
3.将个体化假体装入股骨.
图3.5 个体化假体建模
3.2多点成型技术
3.2.1 多点成形系统的基本工作流程
多点成形是金属板材三维曲面成形的新技术,其原理是将传统的整体模具离散成一
系列规则排列、高度可调的基本。

体(或称冲头)[12]. 在传统模具成形中,板材由。

成形,而多点成形中则由基本体群(冲头) 构成要求的包络面(或成形曲面) 来成形.
多点成形系统主要由造型系统、计算机控制系统、多点成形主机三部分构成(图3.6所示) .造型系统从外部直接读入零件的三维模型,在经过成形工艺分析和计算后,调整零件的最佳成形位置,控制单元根据造型系统传递的数据调节各基本体的行程,形成确保板材成形的模具形面,体现了柔性特点,最后由成形机加载后成形出所需的零件产品.
图3.6 多点成形系统构成
3.2.2 多点成形的技术先进性和特点
位置可调的基本体群及其形成的“可变模具”是多点成形技术的关键,优点主要表现为:
(1) 实现无模成形,不需传统模具,因而节省了大量的模具设计、制造及调试的资金和时间,快捷规范的自动成形工艺特别适合颅骨成形这类单件零件的生产.
(2) 基本体群的位置可根据成形面的形状在现场调节,甚至在成形过程中也可随时进行调整. 因此板材的成形路径是可以改变的,这是传统的整体模具无法实现的功能. 结合数值模拟技术,设计适当的成形路径,可消除板材成形产生的回弹缺陷,减小残余应力.
参考文献
[1] 王霄：《逆向工程技术及其应用》，化学工业出版社，2004.9.
[2] 张国雄著.三坐标测量机.天津:天津大学出版社，1999.
[3] 陈绍魁.逆向工程一一技术创新的现代化手段[J].机械研究与应用，2004，17(6):55-57
[4] 金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社，2003
[5] 李春玲，路长厚.应用Imageware软件进行逆向工程时几个间题处理[J].制造技术与机床，2005，(2):79-81
[6]钟刚，曲线曲面重建方法研究[D]，杭州，浙江大学，2002
[7] 章毓晋. 图像处理和分析[M]. 北京：清华大学出版社. 1999 年.
[8] 冯雷，自由曲面重构原型系统的开发和研究[D]，西安交通大学，2001.5
[9] 关天民，单丽君. 钛板颅骨修复假体的设计[J].大连：大连交通大学学报，2009(5).
[10]姜涛. 定制式人工全髋假体设计制造及临床应用[J] . 生物医学工程学杂志, 2005, 22( 2) : 392- 395.
[11] 张翔, 刘媚洁, 陈立伟. 基于数学形态学的边缘提取方法[J].电子科技大学学报, 2002, 31( 5) :490- 493.
[12] 傅昌海,孙坚钧,傅俊成. 钛金属板I 期修补开放性颅脑伤所致颅骨缺损的探讨[J ] . 浙江临床医学,2000 ,2 (6) :367。