模型构建 应用逆向工程技术构建三维耳郭模型

　　[摘要]目的：应用逆向工程技术和快速原形技术，构建健侧耳郭的三维数字化模型和制备与之完全对称的对侧耳郭树脂实体模型。方法：制作10例单侧小耳畸形患者的健侧耳郭的石膏模型，应用人体三维扫描系统对其进行三维扫描，获得耳郭的三维点无数据，从而在计算机内获得健侧耳郭和镜象翻转后的对策耳郭的三维数字化模型，应用快速原形机制作耳郭树脂实体模型。结果：获得了高精度的耳郭三维数字化模型和对侧耳郭的三维树脂模型，形象逼真，表面光滑，平均测量误差小于0.1mm。结论：应用逆行工程技术快速准确地构建了三维耳郭模型，为耳郭支架的雕刻和耳郭赝复体制作提供了更加精确的指导，实现了个性化的耳郭再造。
　　[关键词]逆向工程；小耳畸形；三维重建；快速原形
　　[中图分类号]R764.7　[文献标识码]A　[文章编号]1008－6455(2007)05－0649－04
　　
　　在人体体表器官中，耳郭的形态和结构最为复杂，故耳郭再造手术一直是整形外科最富有挑战性的课题之一。耳郭支架的外形好坏、仿真程度，是决定耳郭再造成功与否的重要步骤。传统的耳郭再造术是先按照患者健侧耳郭形状制作二维胶片模型，然后以此作为参照雕刻耳支架。但耳郭的彤态是由其三维姿态所决定的，单纯按照二维模型雕刻出具有理想立体感和层次感的耳郭支架则难度较大。因此，制备用于患侧的三维耳郭模型对于提高耳郭再造水平具有重要意义。 逆向工程(reverse engineering，RE)就是将实物变为计算机辅助设计(computer－aideddesign，CAD)模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。其中高效、高精度地实现被测对象表面的数据获取，是逆向工程实现的基础。我们应用结构光方法的测量原理获取患者健侧耳郭的三维数据，经逆向工程软件处理后得到与健侧耳郭完全对称的对侧耳郭数字化三维模型，然后利用快速原形技术(rapid prototyping，RP)制备实体二维耳郭模型，用以指导手术中耳郭支架的雕刻。
　　
　　1　材料和方法
　　
　　1.1　材料
　　1.1.1　天远人体三维扫描系统(北京大远三维科技有限公司)。主要技术参数：测量精度(mm)：0.02；传感器(像素)：48000×2；采样点距(mm)：0.5；扫描速度(s)：小丁2s；点面扫描范围(mm2)：400×300。
　　1.1.2　计算机：PIV/3.4G/HT，内存2.0G，双RADEON9250显示卡，1606硬盘，17＂液晶显示器，SONYDVD＋R16×光盘刻录机。
　　1.1.3　软件系统：3Dscan－SC(北京天远三维科技有限公司)，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(上苑石粉厂，北京)
　　
　　1.2　测量对象：以我科10例单侧小耳畸形患者健侧耳郭为测量对象。
　　
　　1.3　实验方法
　　
　　1.3.1　用藻酸盐印模材料制备患者健侧耳郭印模(采用标准方法制备印模，调拌时间40s，取模时间imim)，自来水冲洗10s，甩干，立即以超硬石膏灌模，制备患者健侧耳郭石膏模型。
　　1.3.2　耳郭模型二维点云数据获取：将耳郭模型置于人体三维扫描系统前方约lm处，调整CCD摄像头及光源的高度和模型之间的距离，使耳郭模型位于视场中心。系统将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受被测物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，用数7图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。根据需要对耳郭模型正面、侧面、背面等多个角度进行三维点云数据采集，以aSC文件格式存盘。
　　1.3.3　数据预处理：在3Dscan－sc软件环境中，将获得的点云数据进行预处理，去除疵点，减少表面噪声，平滑数据，最终获得‘组比较真实的耳郭三维点云模型，并以.asc文件格式存盘。
　　1.3.4　建立耳郭曲面数字模型：将经预处理后的组点云数据导入Geomagic Studio 8.0逆向上稗软件，经拼接拟合，将该组数据进行配准到同一坐标系；将配准后的点云数据进一步过滤噪声、删除坏点后，融合构建成为三角面片组成的曲面；再将构成曲面进行补洞、平滑、细分、曲面拟合、曲面光顺等处理，构成完整的耳郭数字化曲面模型。将曲而模型通过镜像翻转的方法获得与健侧耳郭完全对称的三维数字模型，并将模型赋予一定的厚度(2mm)，以STL文件格式导山数据。
　　1.3.5　RP模型的产生：将STL格式耳郭三维数字模型文件输入快速原形机，利用液态光敏树脂的光聚合性能，用计算机控制的激光束将树脂逐层固化，最后叠加成一个与健侧耳郭完全对称的三维实体模型。
　　
　　2　结果
　　
　　人体三维扫描系统获得健侧耳郭模型表面点云数据，Geomagic Studio 8.0逆向上程软件将点云数据拼接、重建了高精度的耳郭二三维数字化模型，与健侧耳郭大小形态完全一致，模型表向平滑，无噪声点，形象逼真。形成的三维图像可以在计算机屏幕上任意旋转，从各个角度上进行观察和三维测量，并能够进行局部修改、镜像或根据需要截取部分所需模型。快速原形机制作的镜像耳郭三维实体模型与健侧耳郭完全对称，能够清晰显现耳轮、对耳轮、三角窝、舟状窝等耳郭的精细结构。
　　耳郭三维数字模型经配准拼接完成后，每个点云模型约由120000点构成，曲面拟合后约由100000个三角片构成。该组10个耳郭点云模型精度平均值为0.2008mm，标准差为0.00999mm。
　　应用游标卡尺(哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，精度：0.02mm)手工测量患者健侧耳郭、石膏模型和三维树脂实体模型的耳长(即耳上点和耳下点之间的直线距离)，Geomagic软件测量耳郭三维数字模型的耳长(表1)。应用SPSSl3.0统计软件进行不同测量值的配对t检验，平均精度误差小于0.1mm，各种测量结果之间无显著性差异(表2)。
　　耳郭树脂实体模型经高温高压消毒后无变形，因此可以消毒后在手术台上直接指导耳郭支架的雕刻，克服了二维胶片模型的不足。此外，在部分应用白体肋软骨Medpore耳基复合耳支架进行耳郭再造的患者，可以截取耳郭三维数字模型进的耳轮部分，经CAD处理后制作耳轮的三维实体模型，联合完整的耳郭模型指导复合耳支架的制作。
　　
　　3　讨论
　　
　　3.1　耳郭三维数据化模型的构建：逆向工程首先通过测量扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利用成熟的CAD/CAM技术，快 速、准确的建立实体几何模型，在工程分析的基础上，数控加工制成产品。将工业中的逆向工程的思想引入到整形医学领域，对整形医学的发展将具有巨大的推动作用。例如，口腔模型的数字化，三维医疗定位诊断与治疗，面部整形和面部美容的评价和模拟，人体整形和整体美容的评价和模拟等。
　　高效、高精度地实现被测对象表面的数据获取，是逆向口程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步骤。随着三维光学传感技术和计算机技术的发展，尤其是高分辨率CCD摄像机的出现，使得计算机能借助各种视觉传感器获取物体的图像，由计算机直接对数字图像进行处理，从而恢复物体在三维环境中的姿态结构、几何尺寸以及相互位置等，极大地提高了测量的速度和效率，为快速建立物体的三维数字化模型和快速制作精准的三维实体模型提供了一种全新的技术手段。而且，基于结构光法的测量设备被认为是目前测量速度和精度最高的扫描测量系统。
　　
　　3.2　构建耳郭三维模型的意义：耳郭再造术一直是整形外科最具挑战的手术之一，其中耳郭支架的雕刻是手术成功的关键步骤和主要难点。由于耳郭的各种结构精细而复杂，术者除具备一定的审美观点和良好的雕刻水平以外，还必须准确地把握健侧耳郭的立体结构特征。传统的耳郭支架雕刻采用胶片取样方法，只能呈现二维平面结构，因而支架雕刻在很大程度上要依赖于术者的经验。因此，将耳郭的三维姿态信息数字化和制备精确的三维耳郭模型对于提高耳郭再造水平具有重要意义。此外，部分后天性耳缺损的患者由于受局部组织床、患者身体条件及修复技术等多种因素的限制无法进行耳郭再造手术，则需采用赝复体进行修复。逆向工程技术、快速原形技术以及CAD技术为赝复体的制作提供了‘种全新的方法。有望实现赝复体耳的形态仿真、色彩仿真、质感仿真以及功能仿真，达到了以假乱真的程度。
　　
　　3.2　数据测量的误差分析：对于逆向工程技术在耳郭再造中的应用，对精度的追求是测量技术的首要目标。影响测量精度的因素很多，如测量的原理误差、测量系统的精度以及测量过程中的随机因素等，都会对测量结果造成影响，从而产生测量误差。由于我们所采用的人体三维扫描系统是由工业下应用的三维扫描仪改装而来，其测量精度己经过验证，测量精度为0.06mm，完全能够满足临床上对精度的要求，可以基本上忽略测量系统的测量误差。
　　在物体的三维测量中，被测物体本身的材料、颜色、粗糙度、光学性质及表面形状，对光的反射和吸收程度有很大的差异。我们在测量时，首先制作患者健侧耳郭的石膏模型，从而大大减少了测量物体自身因素对测量精度的影响。
　　此外，由于耳郭结构的复杂性，三维图像获取中在不同的角度采集会有光学盲区的存在，因此常常需要对被测物体在多个角度采集图像，然后将几个三维图像进行配准、融合，形成完整的耳郭三维数字化模型。这就要求被测者保持在一定位置和姿势较长时间，患者很难完全配合，对于数据采集和数据拼接的精度影响也比较大。而应用制作的石膏模型进行数据采集则可以克服这些因素引起的误差。
　　
　　4　结论
　　
　　本项研究应用结构光三维测量方法快速、精确的构建了先天性小儿畸形患者健侧耳郭的三维数字化模型和与之完全对称的耳郭树脂实体模型，三维模型表面平滑、形象逼真，耳郭的精细结构能够清晰呈现，测量误差小于0.省略