基于反求工程的動(dòng)物腿骨三維實(shí)體重建與分析

付大鵬，樊海燕

（東北電力大學(xué) 機(jī)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(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越專(zhuān)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(jī)床加工髖關(guān)節(jié)形成一套完整的制作系統(tǒng)[1]。國(guó)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(duì)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(shí)驗(yàn)是以動(dòng)物骨頭為例，為人工假體的個(gè)體化設(shè)計(jì)與快速制造提供了依據(jù)和技術(shù)支持。

1 點(diǎn)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(shí)探針的針尖就會(huì)發(fā)生形變從而采集到探針的坐標(biāo)，逐點(diǎn)移動(dòng)逐點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集[3,4]。這種數(shù)據(jù)采樣的過(guò)程是連續(xù)的，對(duì)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(cè)距法居多，本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(cè)器接收，從而得到物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)到40μm。圖1中共有離散點(diǎn)30093個(gè)。在數(shù)據(jù)采樣過(guò)程中由于受到人為、環(huán)境、模型材料等因素都會(huì)影響，使采集到的點(diǎn)云包含大量的噪聲點(diǎn)、冗余點(diǎn)和不規(guī)則的孔洞，應(yīng)用studio逆向修復(fù)軟件來(lái)除掉噪音點(diǎn)和污染點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)三角網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系對(duì)孔洞進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的填充，而且初步對(duì)整體股骨頭點(diǎn)云進(jìn)行光順處理。

圖1 激光掃描儀所獲得的點(diǎn)云

處理后的點(diǎn)云點(diǎn)與點(diǎn)仍處于離散狀態(tài)，點(diǎn)與點(diǎn)直接的關(guān)系也十分雜亂，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，如果直接用這些點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)不但會(huì)影響重構(gòu)曲面的光順性而且計(jì)算機(jī)的處理時(shí)間會(huì)增加許多倍。點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的曲率特性作為依據(jù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化處理。所得點(diǎn)云如圖2所示圖中點(diǎn)間隔為0.2mm,共有離散點(diǎn)17531個(gè)。在光順處理時(shí)盡力保持股骨頭的形狀特征，股骨頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理后可以看出點(diǎn)云很好的顯示出骨骼的形態(tài)特征。

圖2 studio處理后的點(diǎn)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，選擇交互式點(diǎn)云截取方式將點(diǎn)云分割成一個(gè)個(gè)薄層，對(duì)每一層進(jìn)行精簡(jiǎn)。由于股骨頭表面有凹的部位又相對(duì)平滑在截取點(diǎn)云切片時(shí)有很大難度，而且交互式點(diǎn)云法截取的片層點(diǎn)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(huì)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(diǎn)云截面如圖3所示，按此 方法截取的點(diǎn)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(dòng)物骨頭模型的質(zhì)量和精度。本文用第二種方法進(jìn)行截取，應(yīng)用Imageware軟件截取一組點(diǎn)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(dòng)方式逐個(gè)的選取每條曲線。由于環(huán)狀截取點(diǎn)云時(shí)環(huán)形的軸線不同生成的曲面不同，軸線選取不當(dāng)會(huì)使得生成的曲面很扭曲，通過(guò)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(diǎn)云

圖4 生成的股骨頭曲面

由于原點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)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(gè)點(diǎn)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(jì)員提供偏差指標(biāo)，進(jìn)而可以知道實(shí)測(cè)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(shí)體模型可以應(yīng)用于實(shí)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(mén)邊緣學(xué)科，涉及到機(jī)械工程、生物材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)工程中各個(gè)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(gè)方面，這對(duì)人體的骨骼重構(gòu)技術(shù)具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 潘田佳, 羅陽(yáng), 張向娟, 等. 基于逆向工程的人體頜骨個(gè)體化三維實(shí)體重建研究[J]. 計(jì)算機(jī)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.

[3] Leif Kobbelt and Mario Botsch. A Survey of Point-Based Techniques in Computer Graphics [J]. Comptuers&Graphics. 2004, 28(6): 801-814.

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

[5] 向國(guó)玲. 淺談逆向工程技術(shù)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2011(15).