應(yīng)用逆向工程技術(shù)構(gòu)建三維耳郭模型

[摘要]目的：應(yīng)用逆向工程技術(shù)和快速原形技術(shù)，構(gòu)建健側(cè)耳郭的三維數(shù)字化模型和制備與之完全對(duì)稱的對(duì)側(cè)耳郭樹脂實(shí)體模型。方法：制作10例單側(cè)小耳畸形患者的健側(cè)耳郭的石膏模型，應(yīng)用人體三維掃描系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行三維掃描，獲得耳郭的三維點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)，從而在計(jì)算機(jī)內(nèi)獲得健側(cè)耳郭和鏡象翻轉(zhuǎn)后的對(duì)策耳郭的三維數(shù)字化模型，應(yīng)用快速原形機(jī)制作耳郭樹脂實(shí)體模型。結(jié)果：獲得了高精度的耳郭三維數(shù)字化模型和對(duì)側(cè)耳郭的三維樹脂模型，形象逼真，表面光滑，平均測(cè)量誤差小于0.1mm。結(jié)論：應(yīng)用逆行工程技術(shù)快速準(zhǔn)確地構(gòu)建了三維耳郭模型，為耳郭支架的雕刻和耳郭贗復(fù)體制作提供了更加精確的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化的耳郭再造。

[關(guān)鍵詞]逆向工程；小耳畸形；三維重建；快速原形

[中圖分類號(hào)]R764.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008－6455(2007)05－0649－04

在人體體表器官中，耳郭的形態(tài)和結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，故耳郭再造手術(shù)一直是整形外科最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。耳郭支架的外形好壞、仿真程度，是決定耳郭再造成功與否的重要步驟。傳統(tǒng)的耳郭再造術(shù)是先按照患者健側(cè)耳郭形狀制作二維膠片模型，然后以此作為參照雕刻耳支架。但耳郭的彤態(tài)是由其三維姿態(tài)所決定的，單純按照二維模型雕刻出具有理想立體感和層次感的耳郭支架則難度較大。因此，制備用于患側(cè)的三維耳郭模型對(duì)于提高耳郭再造水平具有重要意義。 逆向工程(reverse engineering，RE)就是將實(shí)物變?yōu)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer－aideddesign，CAD)模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。其中高效、高精度地實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象表面的數(shù)據(jù)獲取，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。我們應(yīng)用結(jié)構(gòu)光方法的測(cè)量原理獲取患者健側(cè)耳郭的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)逆向工程軟件處理后得到與健側(cè)耳郭完全對(duì)稱的對(duì)側(cè)耳郭數(shù)字化三維模型，然后利用快速原形技術(shù)(rapid prototyping，RP)制備實(shí)體二維耳郭模型，用以指導(dǎo)手術(shù)中耳郭支架的雕刻。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 天遠(yuǎn)人體三維掃描系統(tǒng)(北京大遠(yuǎn)三維科技有限公司)。主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)量精度(mm)：0.02；傳感器(像素)：48000×2；采樣點(diǎn)距(mm)：0.5；掃描速度(s)：小丁2s；點(diǎn)面掃描范圍(mm²)：400×300。

1.1.2 計(jì)算機(jī)：PIV/3.4G/HT，內(nèi)存2.0G，雙RADEON9250顯示卡，1606硬盤，17^＂液晶顯示器，SONYDVD＋R16×光盤刻錄機(jī)。

1.1.3 軟件系統(tǒng)：3Dscan－SC(北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司)，Mimics(Materialise Inc，Belgium)，Geomagic Studio 8.0(Raindrop Geomagic Inc.USA)。

1.1.4 耳郭模型制作材料：翡翠Jeltrate印模材(登士柏牙科有限公司，天津)，超硬石膏粉(上苑石粉廠，北京)

1.2 測(cè)量對(duì)象：以我科10例單側(cè)小耳畸形患者健側(cè)耳郭為測(cè)量對(duì)象。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 用藻酸鹽印模材料制備患者健側(cè)耳郭印模(采用標(biāo)準(zhǔn)方法制備印模，調(diào)拌時(shí)間40s，取模時(shí)間imim)，自來(lái)水沖洗10s，甩干，立即以超硬石膏灌模，制備患者健側(cè)耳郭石膏模型。

1.3.2 耳郭模型二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取：將耳郭模型置于人體三維掃描系統(tǒng)前方約lm處，調(diào)整CCD攝像頭及光源的高度和模型之間的距離，使耳郭模型位于視場(chǎng)中心。系統(tǒng)將光柵條紋投射到被測(cè)物體表面，光柵條紋受被測(cè)物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，用數(shù)7圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來(lái)獲取被測(cè)物體表面的三維信息。根據(jù)需要對(duì)耳郭模型正面、側(cè)面、背面等多個(gè)角度進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，以aSC文件格式存盤。

1.3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理：在3Dscan－sc軟件環(huán)境中，將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除疵點(diǎn)，減少表面噪聲，平滑數(shù)據(jù)，最終獲得‘組比較真實(shí)的耳郭三維點(diǎn)云模型，并以.asc文件格式存盤。

1.3.4 建立耳郭曲面數(shù)字模型：將經(jīng)預(yù)處理后的組點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio 8.0逆向上稗軟件，經(jīng)拼接擬合，將該組數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系；將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步過濾噪聲、刪除壞點(diǎn)后，融合構(gòu)建成為三角面片組成的曲面；再將構(gòu)成曲面進(jìn)行補(bǔ)洞、平滑、細(xì)分、曲面擬合、曲面光順等處理，構(gòu)成完整的耳郭數(shù)字化曲面模型。將曲而模型通過鏡像翻轉(zhuǎn)的方法獲得與健側(cè)耳郭完全對(duì)稱的三維數(shù)字模型，并將模型賦予一定的厚度(2mm)，以STL文件格式導(dǎo)山數(shù)據(jù)。

1.3.5 RP模型的產(chǎn)生：將STL格式耳郭三維數(shù)字模型文件輸入快速原形機(jī)，利用液態(tài)光敏樹脂的光聚合性能，用計(jì)算機(jī)控制的激光束將樹脂逐層固化，最后疊加成一個(gè)與健側(cè)耳郭完全對(duì)稱的三維實(shí)體模型。

2 結(jié)果

人體三維掃描系統(tǒng)獲得健側(cè)耳郭模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Geomagic Studio 8.0逆向上程軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、重建了高精度的耳郭二三維數(shù)字化模型，與健側(cè)耳郭大小形態(tài)完全一致，模型表向平滑，無(wú)噪聲點(diǎn)，形象逼真。形成的三維圖像可以在計(jì)算機(jī)屏幕上任意旋轉(zhuǎn)，從各個(gè)角度上進(jìn)行觀察和三維測(cè)量，并能夠進(jìn)行局部修改、鏡像或根據(jù)需要截取部分所需模型?？焖僭螜C(jī)制作的鏡像耳郭三維實(shí)體模型與健側(cè)耳郭完全對(duì)稱，能夠清晰顯現(xiàn)耳輪、對(duì)耳輪、三角窩、舟狀窩等耳郭的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

耳郭三維數(shù)字模型經(jīng)配準(zhǔn)拼接完成后，每個(gè)點(diǎn)云模型約由120000點(diǎn)構(gòu)成，曲面擬合后約由100000個(gè)三角片構(gòu)成。該組10個(gè)耳郭點(diǎn)云模型精度平均值為0.2008mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.00999mm。

應(yīng)用游標(biāo)卡尺(哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司，精度：0.02mm)手工測(cè)量患者健側(cè)耳郭、石膏模型和三維樹脂實(shí)體模型的耳長(zhǎng)(即耳上點(diǎn)和耳下點(diǎn)之間的直線距離)，Geomagic軟件測(cè)量耳郭三維數(shù)字模型的耳長(zhǎng)(表1)。應(yīng)用SPSSl3.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行不同測(cè)量值的配對(duì)t檢驗(yàn)，平均精度誤差小于0.1mm，各種測(cè)量結(jié)果之間無(wú)顯著性差異(表2)。

耳郭樹脂實(shí)體模型經(jīng)高溫高壓消毒后無(wú)變形，因此可以消毒后在手術(shù)臺(tái)上直接指導(dǎo)耳郭支架的雕刻，克服了二維膠片模型的不足。此外，在部分應(yīng)用白體肋軟骨Medpore耳基復(fù)合耳支架進(jìn)行耳郭再造的患者，可以截取耳郭三維數(shù)字模型進(jìn)的耳輪部分，經(jīng)CAD處理后制作耳輪的三維實(shí)體模型，聯(lián)合完整的耳郭模型指導(dǎo)復(fù)合耳支架的制作。

3 討論

3.1 耳郭三維數(shù)據(jù)化模型的構(gòu)建：逆向工程首先通過測(cè)量掃描以及各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品實(shí)物信息，然后利用成熟的CAD/CAM技術(shù)，快速、準(zhǔn)確的建立實(shí)體幾何模型，在工程分析的基礎(chǔ)上，數(shù)控加工制成產(chǎn)品。將工業(yè)中的逆向工程的思想引入到整形醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)整形醫(yī)學(xué)的發(fā)展將具有巨大的推動(dòng)作用。例如，口腔模型的數(shù)字化，三維醫(yī)療定位診斷與治療，面部整形和面部美容的評(píng)價(jià)和模擬，人體整形和整體美容的評(píng)價(jià)和模擬等。

高效、高精度地實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象表面的數(shù)據(jù)獲取，是逆向口程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步驟。隨著三維光學(xué)傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是高分辨率CCD攝像機(jī)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)能借助各種視覺傳感器獲取物體的圖像，由計(jì)算機(jī)直接對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，從而恢復(fù)物體在三維環(huán)境中的姿態(tài)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸以及相互位置等，極大地提高了測(cè)量的速度和效率，為快速建立物體的三維數(shù)字化模型和快速制作精準(zhǔn)的三維實(shí)體模型提供了一種全新的技術(shù)手段。而且，基于結(jié)構(gòu)光法的測(cè)量設(shè)備被認(rèn)為是目前測(cè)量速度和精度最高的掃描測(cè)量系統(tǒng)。

3.2 構(gòu)建耳郭三維模型的意義：耳郭再造術(shù)一直是整形外科最具挑戰(zhàn)的手術(shù)之一，其中耳郭支架的雕刻是手術(shù)成功的關(guān)鍵步驟和主要難點(diǎn)。由于耳郭的各種結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜，術(shù)者除具備一定的審美觀點(diǎn)和良好的雕刻水平以外，還必須準(zhǔn)確地把握健側(cè)耳郭的立體結(jié)構(gòu)特征。傳統(tǒng)的耳郭支架雕刻采用膠片取樣方法，只能呈現(xiàn)二維平面結(jié)構(gòu)，因而支架雕刻在很大程度上要依賴于術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)。因此，將耳郭的三維姿態(tài)信息數(shù)字化和制備精確的三維耳郭模型對(duì)于提高耳郭再造水平具有重要意義。此外，部分后天性耳缺損的患者由于受局部組織床、患者身體條件及修復(fù)技術(shù)等多種因素的限制無(wú)法進(jìn)行耳郭再造手術(shù)，則需采用贗復(fù)體進(jìn)行修復(fù)。逆向工程技術(shù)、快速原形技術(shù)以及CAD技術(shù)為贗復(fù)體的制作提供了‘種全新的方法。有望實(shí)現(xiàn)贗復(fù)體耳的形態(tài)仿真、色彩仿真、質(zhì)感仿真以及功能仿真，達(dá)到了以假亂真的程度。

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差分析：對(duì)于逆向工程技術(shù)在耳郭再造中的應(yīng)用，對(duì)精度的追求是測(cè)量技術(shù)的首要目標(biāo)。影響測(cè)量精度的因素很多，如測(cè)量的原理誤差、測(cè)量系統(tǒng)的精度以及測(cè)量過程中的隨機(jī)因素等，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。由于我們所采用的人體三維掃描系統(tǒng)是由工業(yè)下應(yīng)用的三維掃描儀改裝而來(lái)，其測(cè)量精度己經(jīng)過驗(yàn)證，測(cè)量精度為0.06mm，完全能夠滿足臨床上對(duì)精度的要求，可以基本上忽略測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差。

在物體的三維測(cè)量中，被測(cè)物體本身的材料、顏色、粗糙度、光學(xué)性質(zhì)及表面形狀，對(duì)光的反射和吸收程度有很大的差異。我們?cè)跍y(cè)量時(shí)，首先制作患者健側(cè)耳郭的石膏模型，從而大大減少了測(cè)量物體自身因素對(duì)測(cè)量精度的影響。

此外，由于耳郭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，三維圖像獲取中在不同的角度采集會(huì)有光學(xué)盲區(qū)的存在，因此常常需要對(duì)被測(cè)物體在多個(gè)角度采集圖像，然后將幾個(gè)三維圖像進(jìn)行配準(zhǔn)、融合，形成完整的耳郭三維數(shù)字化模型。這就要求被測(cè)者保持在一定位置和姿勢(shì)較長(zhǎng)時(shí)間，患者很難完全配合，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)拼接的精度影響也比較大。而應(yīng)用制作的石膏模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則可以克服這些因素引起的誤差。

4 結(jié)論

本項(xiàng)研究應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法快速、精確的構(gòu)建了先天性小兒畸形患者健側(cè)耳郭的三維數(shù)字化模型和與之完全對(duì)稱的耳郭樹脂實(shí)體模型，三維模型表面平滑、形象逼真，耳郭的精細(xì)結(jié)構(gòu)能夠清晰呈現(xiàn)，測(cè)量誤差小于0.1mm，完全能夠滿足臨床上對(duì)測(cè)量精度的要求。這不僅可以用于指導(dǎo)手術(shù)者在耳郭再造手術(shù)中準(zhǔn)確雕刻耳郭支架，真正做到了耳郭個(gè)性化再造；另外還可以為耳郭贗復(fù)體的制作也提供了一種全新的方法，大大減少了制作工序，并可以達(dá)到了以假亂真的程度。

編輯 張惠娟

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20050023005)：體表組織器官修復(fù)重建的二維仿真基礎(chǔ)研究。

通訊作者：?jiǎn)倘?，教授，醫(yī)學(xué)博士，博士研究生導(dǎo)師；研究方向：乳房、面部組織器官的修復(fù)重建，巨大體表腫瘤與難治性創(chuàng)面的整形外科治療等。E－mail：qiaoqun925@hotmail.com