基于逆向工程的組織器官數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)字化制造是當(dāng)代最受重視、最具吸引力的制造技術(shù)之一，基于逆向工程的方法來(lái)研究組織器官的制造開(kāi)拓了數(shù)字化制造的新領(lǐng)域，具有重要的意義。文章以數(shù)字化手段研究從醫(yī)學(xué)圖像/模型到組織器官的制造技術(shù)，解決制造過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。首先對(duì)國(guó)內(nèi)外組織器官三維重建及制造的主要方法作了概述和分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)組織器官數(shù)字化制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出醫(yī)學(xué)圖像三維重建的新算法，設(shè)計(jì)了針對(duì)組織器官的數(shù)字化制造原型系統(tǒng)，并首次直接對(duì)點(diǎn)群數(shù)據(jù)進(jìn)

2、行成形方向優(yōu)化，最后提出組織器官分塊制造的新方法。具體研究工作有以下幾個(gè)方面：研究了醫(yī)學(xué)圖像點(diǎn)運(yùn)算及增強(qiáng)的不同處理方法及處理效果，提出較好的平滑、濾波、銳化處理方法，為醫(yī)學(xué)圖像的進(jìn)一步處理打下了基礎(chǔ)；通過(guò)對(duì)各種算子邊緣檢測(cè)效果的研究，找出適合于醫(yī)學(xué)圖像邊緣檢測(cè)的最佳算子，解決了醫(yī)學(xué)圖像內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邊緣檢測(cè)問(wèn)題，完成了醫(yī)學(xué)圖像的邊緣輪廓提取與跟蹤，同時(shí)，進(jìn)行了種子填充、控制點(diǎn)的有向化保存、控制點(diǎn)的簡(jiǎn)化和系統(tǒng)標(biāo)定等研究，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)

3、學(xué)圖像點(diǎn)群數(shù)據(jù)的最佳提取。在采用面繪制法進(jìn)行圖像三維重建時(shí)，通常通過(guò)三角形網(wǎng)格形式實(shí)現(xiàn)。但由于組織器官中存在著大曲率大變形情況、分支情況、有洞輪廓等問(wèn)題，使得醫(yī)學(xué)圖像的三維重建具有特殊性。文章根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像的具體特點(diǎn)提出了改進(jìn)的最小對(duì)角線算法用以解決重建過(guò)程中的大曲率大變形問(wèn)題、虛擬點(diǎn)“橋梁”算法用以解決分支問(wèn)題、“過(guò)渡層”算法用以解決有洞輪廓重建問(wèn)題，點(diǎn)群數(shù)據(jù)的壓縮算法用以解決數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，這些算法很好地保證了醫(yī)學(xué)圖像重建的

4、正確性。在以上研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了醫(yī)學(xué)圖像三維重建原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)圖像的三維重建。在設(shè)計(jì)了三維可視化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能模塊的基礎(chǔ)上，建立整體光照模型，進(jìn)行光線跟蹤，研究光線與各種表面的求交算法，計(jì)算多種表面的法向量以獲取物體表面的各種屬性。為獲得更加真實(shí)感的圖形，進(jìn)行了隱藏面的消隱、表面顏色紋理映射、表面微觀形狀的擾動(dòng)映射、表面明暗光滑化處理等研究。并進(jìn)一步探討系統(tǒng)的三維場(chǎng)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究三維場(chǎng)景的繪制與交互，創(chuàng)

5、建顏色對(duì)話、材質(zhì)庫(kù)對(duì)話、材質(zhì)對(duì)話、光源對(duì)話，在此基礎(chǔ)上，研究在交互式三維場(chǎng)景中文件的導(dǎo)入、處理和存儲(chǔ)、剖分等功能的實(shí)現(xiàn)，建立了從醫(yī)學(xué)圖像到三維實(shí)體的可視化系統(tǒng)。組織器官制造時(shí)的成形方向直接影響其制造精度和成本。文章提出了一種新的直接對(duì)點(diǎn)群數(shù)據(jù)進(jìn)行成形方向優(yōu)化的方法。采用透射光原理，在生成實(shí)體點(diǎn)陣的基礎(chǔ)上，建立其頂端點(diǎn)曲面，以點(diǎn)陣網(wǎng)格數(shù)來(lái)表示支撐體積，解決了成形優(yōu)化過(guò)程中支撐體積難以快速實(shí)時(shí)計(jì)算的問(wèn)題。在分析了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和

6、優(yōu)化策略的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法進(jìn)行成形方向優(yōu)化，設(shè)計(jì)了選擇算子、雜交算子、變異算子、迭代終止條件和群體規(guī)模等，實(shí)施了具體的組織器官的成形方向優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：優(yōu)化取得了滿意的效果。由于組織器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使其成形比較困難，文章提出了分塊制造方法，圍繞分塊制造展開(kāi)研究，通過(guò)幾何分割、定位點(diǎn)選擇、定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件裝夾定位方式、工藝規(guī)劃及拼裝等完成組織器官的制造。同時(shí)研究了組織器官原型的熔融沉積成形，

7、采用成形方向優(yōu)化結(jié)果完成了組織器官的制造。然后對(duì)成形材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到其動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，并對(duì)生物相容性材料的性能及配比進(jìn)行了研究，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論。最后對(duì)幾種成形方法進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。本文認(rèn)為：在制造復(fù)雜組織器官原型時(shí)，采用分塊制造方法優(yōu)于現(xiàn)有的其它方法，分塊制造很好地解決了復(fù)雜器官的成形問(wèn)題。通過(guò)以上的研究，解決了組織器官制造過(guò)程中的三維重建及可視化、成形方向優(yōu)化、分塊制造幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了快速、精確地制