基于反求工程的动物腿骨三维实体重建与分析

付大鹏，樊海燕

（东北电力大学 机械工程学院，吉林 132012）

0 引言

股骨头是关节损伤和炎症的多发部位。近几年国内外研究人员越来越专注这方面的研究。加拿大George等利用Bernstein基函数BBF曲线曲面拟合重建骨头的三维模型；波兰比亚的维斯托克技术大学利用CNC机床加工髋关节形成一套完整的制作系统[1]。国内在这方面的研究也取得了一些成果，如上海交通大学对人的髋关节研究和反求工程在医学上的应用研究起步都比较早[2]。该实验是以动物骨头为例，为人工假体的个体化设计与快速制造提供了依据和技术支持。

1 点云的采集与处理

三维建模方法的选择直接影响模型的精度和效率。获取三维数据的方法可分为：接触式数据采集和非接触式数据采集两种。接触式数据采集是根据采样探头在物体表面接触时探针的针尖就会发生形变从而采集到探针的坐标，逐点移动逐点采样。这种方法速度慢、效率低。非接触式数据采集主要根据光学原理进行数据的采集[3,4]。这种数据采样的过程是连续的，对于复杂曲面也可以精确快速的读取数据。

在反求工程中曲面数据采集应用激光三角测距法居多，本实验所用的是加拿大Creaform Inc公司制造的EXAscan手持式自定位三维激光扫描仪，所得点云数据如图1所示。它的原理就是用激光源照射到物体表面反射或散射后，被光学检测器接收，从而得到物体表面点的三维坐标，精度可达到40μm。图1中共有离散点30093个。在数据采样过程中由于受到人为、环境、模型材料等因素都会影响，使采集到的点云包含大量的噪声点、冗余点和不规则的孔洞，应用studio逆向修复软件来除掉噪音点和污染点，同时根据三角网格的拓扑关系对孔洞进行点数据的填充，而且初步对整体股骨头点云进行光顺处理。

图1 激光扫描仪所获得的点云

处理后的点云点与点仍处于离散状态，点与点直接的关系也十分杂乱，点云数据量大，如果直接用这些点云进行曲面重构不但会影响重构曲面的光顺性而且计算机的处理时间会增加许多倍。点云光顺处理的方法很多，曲率是反映复杂曲面的特征所以大多数采用每个点的曲率特性作为依据来进行优化处理。所得点云如图2所示图中点间隔为0.2mm,共有离散点17531个。在光顺处理时尽力保持股骨头的形状特征，股骨头点云数据优化处理后可以看出点云很好的显示出骨骼的形态特征。

图2 studio处理后的点云

2 曲面的生成

Imageware是逆向工程中应用最广泛的软件之一，具有强大的数据处理功能，选择交互式点云截取方式将点云分割成一个个薄层，对每一层进行精简。由于股骨头表面有凹的部位又相对平滑在截取点云切片时有很大难度，而且交互式点云法截取的片层点云光顺后导入pro/e中生成的曲面有严重的扭曲现象，如果修改曲线会造成曲面失真。根据股骨头的形体特征采用环状截取点云截面如图3所示，按此 方法截取的点云切片，不仅能全面的反映出叶片的型面特征，还可以保证重构的动物骨头模型的质量和精度。本文用第二种方法进行截取，应用Imageware软件截取一组点云切片，直接在Imageware中构造曲线和曲面，我选择的放样方式而且选择手动方式逐个的选取每条曲线。由于环状截取点云时环形的轴线不同生成的曲面不同，轴线选取不当会使得生成的曲面很扭曲，通过反复的修改轴线位置最后生成得光滑的骨头曲面。如图4所示。

3 曲面的偏差分析

图3 Imageware环状截取点云

图4 生成的股骨头曲面

由于原点云数据和拟合的曲面之间距离有偏差，Imageware可以把生成的曲面和拟合前的点云数据进行比较来分析重构的几何精度偏差情况如图5所示，工作区中彩色色码法显示

每个点的偏差，显示的颜色分布大多数为紫色，左侧的紫色偏差值显示为0到0.04mm之间，还有极少部分的粉色偏差值为0.05到0.1mm之间。这些偏差值能为设计员提供偏差指标，进而可以知道实测模型与重建的模型的偏差，可以适当的调整曲面模型最终达到减小偏差的目的。由偏差图可知该模型曲面重建的几何精度很高。具重新生成的股骨头实体模型可以应用于实际要求。

4 结论

图5 偏差分析

本文所应用的逆向工程在医学领域是一门边缘学科，涉及到机械工程、生物材料科学和医学工程中各个不同领域[5]。本文所提到的复杂曲面骨头重建方案反映了目前医学骨头重建技术的几个方面，这对人体的骨骼重构技术具有很高的现实意义。

[1] 潘田佳, 罗阳, 张向娟, 等. 基于逆向工程的人体颌骨个体化三维实体重建研究[J]. 计算机应用技术, 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. 复杂曲面反求工程CAD建模技术研究[D]. 1998.

[5] 向国玲. 浅谈逆向工程技术[J]. 科技创新导报. 2011(15).