三维造型在医学假体方面的技术应用

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1、三维造型在医学假体方面的技术应用【摘要】文章介绍了将三维造型应用于医学假体方面目的与意义，分析应用过程中所涉及到的关键技术，给出医学假体三维造型的技术线路及实现方法。　　【关键词】三维重建；曲面拟合；造型　　　　二十世纪七八十年代以来，计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术的发展与应用推动了制造业的飞速发展。1970年代末，CT/MRI/PET等医学成像技术开始出现并逐渐成熟，带来了传统医疗诊断方式的深刻变革。同时，CAD/CAM技术也逐渐从制造业推广到医疗卫生行业。　　1.目的与意义　　在现代外科医学中，采用人工假体来修复病损组织器官的案例日益

2、增多。CAD/CAM与快速成形技术相结合，可以在计算机上对任何复杂形状的模型进行修改并加工的优点为医学领域带来了无限生机[1]。它能有效地提高诊断和手术水平、缩短时间、节省费用。随着CAD/CAM/RP技术医学应用的增加，传统CAD/CAM软件不适合医学需要的缺点日益突出，由于组织器官的几何结构复杂性与临床医学的个性化要求，要保证假体与病人的病损部位精确匹配，医学专用CAD/CAM软件的市场需求不断扩大。三维造型在医学假体方面的应用会成为CAD/CAM发展领域的一个重要分支，它不仅能促进CAD/CAM医学应用的发展，而且也会推动CAD/CAM技术本身

3、的创新。　　2.关键技术　　由于基于NURBS曲面表示的传统CAD系统不太适合假体设计的需要，所以提出了基于细分曲面表示的假体CAD系统开发方案。基于细分曲面的医学假体三维造型系统中，主要有以下四个方面的关键性技术：　　2.1医学图像的三维重建技术　　从医学图像得到高质量的三维模型是假体CAD系统的基础，等值面抽取的MC算法早在1987年就已提出，之后不断有学者进行改进，现其已被广泛用于医学图像三维重建与科学可视化。目前，医学图像三维重建方法主要有面绘制和体绘制两种。　　2.2三角X格处理技术　　三维重建的结果为密集的小三角片，含有噪音、孔洞与劣质三

4、角形，不能直接用于细分曲面拟合，还需要作进一步的模型修整(Repair)、平滑、简化与优化等后处理。三角X格优化处理不仅是细分曲面拟合的需要，而且优化的X格模型也可直接用于造型设计、有限元力学分析与加工。通过研究CASCADE的交互技术，可以得出基于交互式优化的松弛迭代细分曲面拟合算法。　　2.3细分曲面拟合与造型技术　　从三角X格拟合出分片光滑的细分曲面控制X格是细分曲面造型技术的基础。细分曲面造型就是将细分曲面控制X格看作B样条曲面控制X格到任意拓扑类型的推广，同时将B样条曲面的求交、等距、裁剪等造型算法推广到细分曲面。　　2.4基于细分曲面表示

5、的实体造型与加工技术　　基于细分曲面表示的实体造型是将细分曲面用于CAD/CAM系统的前提，因为必须建立无歧义的实体模型才能进行加工。常用的实体造型方法包括CSG（ConstructiveSolidGeometry,CSG）与Brep（Bound　　aryRepresentation,Brep），CSG用基本几何体的布尔运算来生成复杂物体，在读入模型后通过布尔运算生成最终模型，是一种隐含的表示方法；Brep用边界明确定义三维物体的形状，称为直明(Explicit)的表示方法。Brep的优点是容易表示复杂自由曲面，并且可以用作不同软件之间的数据接口，便

6、于CAD/CAM系统集成，但同时它也丢失了设计过程信息，而这恰好是CSG方法的一个优点。基于细分曲面表示的实体造型首先需要建立基于细分曲面表示的实体模型数据结构。　　3.技术路线及实现方法　　3.1三维医学数据的采集　　三维医学数据采集包括断层图像扫描与三维光学扫描两种方法。断层图像通常称为医学图像，例如CT、MRI、PET、B超等图像，是按某种物理学原理从人体器官采样得到的单张或序列图像，序列图像是指对组织进行均匀间距采样并按顺序排列的一系列图像，也称为三维图像(3DImage)或体数据(Volume)。三维光学扫描现在已经可以安全快速地对面部等人

7、体表面数据进行扫描，可用于整形外科手术规划与植入体设计。　　3.2扫描数据的三维重建　　仅由二维断层图像难以清晰描述组织器官的实际三维形态，即使经验丰富的放射科医师也难以从二维图像上准确辨认复杂的组织异常情况。由于二维医学图像序列是从实际三维器官采样得到的数据，其中含有三维信息，所以二维医学图像序列称为三维医学图像或体数据。计算机技术的发展使得从体数据重建三维模型成为可能，这就是所谓的医学图像三维可视化（MedicalImageThree-dimensionalVisualization）技术。医学图像三维重建方法主要有两种：轮廓蒙皮法和等值面抽取法

8、(IsosurfaceExtraction)。轮廓蒙皮法首先从二维图像序列抽取边界轮廓，得到一系列二维轮廓曲