基于反求工程的動物腿骨三維實體重建與分析

付大鵬，樊海燕

（東北電力大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 132012）

0 引言

股骨頭是關(guān)節(jié)損傷和炎癥的多發(fā)部位。近幾年國內(nèi)外研究人員越來越專注這方面的研究。加拿大George等利用Bernstein基函數(shù)BBF曲線曲面擬合重建骨頭的三維模型；波蘭比亞的維斯托克技術(shù)大學(xué)利用CNC機床加工髖關(guān)節(jié)形成一套完整的制作系統(tǒng)[1]。國內(nèi)在這方面的研究也取得了一些成果，如上海交通大學(xué)對人的髖關(guān)節(jié)研究和反求工程在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究起步都比較早[2]。該實驗是以動物骨頭為例，為人工假體的個體化設(shè)計與快速制造提供了依據(jù)和技術(shù)支持。

1 點云的采集與處理

三維建模方法的選擇直接影響模型的精度和效率。獲取三維數(shù)據(jù)的方法可分為：接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩種。接觸式數(shù)據(jù)采集是根據(jù)采樣探頭在物體表面接觸時探針的針尖就會發(fā)生形變從而采集到探針的坐標(biāo)，逐點移動逐點采樣。這種方法速度慢、效率低。非接觸式數(shù)據(jù)采集主要根據(jù)光學(xué)原理進行數(shù)據(jù)的采集[3,4]。這種數(shù)據(jù)采樣的過程是連續(xù)的，對于復(fù)雜曲面也可以精確快速的讀取數(shù)據(jù)。

在反求工程中曲面數(shù)據(jù)采集應(yīng)用激光三角測距法居多，本實驗所用的是加拿大Creaform Inc公司制造的EXAscan手持式自定位三維激光掃描儀，所得點云數(shù)據(jù)如圖1所示。它的原理就是用激光源照射到物體表面反射或散射后，被光學(xué)檢測器接收，從而得到物體表面點的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)到40μm。圖1中共有離散點30093個。在數(shù)據(jù)采樣過程中由于受到人為、環(huán)境、模型材料等因素都會影響，使采集到的點云包含大量的噪聲點、冗余點和不規(guī)則的孔洞，應(yīng)用studio逆向修復(fù)軟件來除掉噪音點和污染點，同時根據(jù)三角網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系對孔洞進行點數(shù)據(jù)的填充，而且初步對整體股骨頭點云進行光順處理。

圖1 激光掃描儀所獲得的點云

處理后的點云點與點仍處于離散狀態(tài)，點與點直接的關(guān)系也十分雜亂，點云數(shù)據(jù)量大，如果直接用這些點云進行曲面重構(gòu)不但會影響重構(gòu)曲面的光順性而且計算機的處理時間會增加許多倍。點云光順處理的方法很多，曲率是反映復(fù)雜曲面的特征所以大多數(shù)采用每個點的曲率特性作為依據(jù)來進行優(yōu)化處理。所得點云如圖2所示圖中點間隔為0.2mm,共有離散點17531個。在光順處理時盡力保持股骨頭的形狀特征，股骨頭點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后可以看出點云很好的顯示出骨骼的形態(tài)特征。

圖2 studio處理后的點云

2 曲面的生成

Imageware是逆向工程中應(yīng)用最廣泛的軟件之一，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，選擇交互式點云截取方式將點云分割成一個個薄層，對每一層進行精簡。由于股骨頭表面有凹的部位又相對平滑在截取點云切片時有很大難度，而且交互式點云法截取的片層點云光順后導(dǎo)入pro/e中生成的曲面有嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象，如果修改曲線會造成曲面失真。根據(jù)股骨頭的形體特征采用環(huán)狀截取點云截面如圖3所示，按此 方法截取的點云切片，不僅能全面的反映出葉片的型面特征，還可以保證重構(gòu)的動物骨頭模型的質(zhì)量和精度。本文用第二種方法進行截取，應(yīng)用Imageware軟件截取一組點云切片，直接在Imageware中構(gòu)造曲線和曲面，我選擇的放樣方式而且選擇手動方式逐個的選取每條曲線。由于環(huán)狀截取點云時環(huán)形的軸線不同生成的曲面不同，軸線選取不當(dāng)會使得生成的曲面很扭曲，通過反復(fù)的修改軸線位置最后生成得光滑的骨頭曲面。如圖4所示。

3 曲面的偏差分析

圖3 Imageware環(huán)狀截取點云

圖4 生成的股骨頭曲面

由于原點云數(shù)據(jù)和擬合的曲面之間距離有偏差，Imageware可以把生成的曲面和擬合前的點云數(shù)據(jù)進行比較來分析重構(gòu)的幾何精度偏差情況如圖5所示，工作區(qū)中彩色色碼法顯示

每個點的偏差，顯示的顏色分布大多數(shù)為紫色，左側(cè)的紫色偏差值顯示為0到0.04mm之間，還有極少部分的粉色偏差值為0.05到0.1mm之間。這些偏差值能為設(shè)計員提供偏差指標(biāo)，進而可以知道實測模型與重建的模型的偏差，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整曲面模型最終達(dá)到減小偏差的目的。由偏差圖可知該模型曲面重建的幾何精度很高。具重新生成的股骨頭實體模型可以應(yīng)用于實際要求。

4 結(jié)論

圖5 偏差分析

本文所應(yīng)用的逆向工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是一門邊緣學(xué)科，涉及到機械工程、生物材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)工程中各個不同領(lǐng)域[5]。本文所提到的復(fù)雜曲面骨頭重建方案反映了目前醫(yī)學(xué)骨頭重建技術(shù)的幾個方面，這對人體的骨骼重構(gòu)技術(shù)具有很高的現(xiàn)實意義。

[1] 潘田佳, 羅陽, 張向娟, 等. 基于逆向工程的人體頜骨個體化三維實體重建研究[J]. 計算機應(yīng)用技術(shù), 2008,35(8): 30-33.

[2] Werner A, Lechniak 2, Skalski k, et al. Design and manufacture of anatomical hip joint endoprostheses using CAD/CAM systems [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 107: 181-186.

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[4] 李江雄. 復(fù)雜曲面反求工程CAD建模技術(shù)研究[D]. 1998.

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