基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.26.029

摘要/Abstract

摘要：

背景：髋骨解剖结构复杂，传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰，在髋骨的诊断中具有一定的局限性。通过基于逆向工程技术的数字化建模能全面、直观、精确地显示髋骨立体形态和各部位解剖结构的空间关系，在骨骼研究中有着广阔的应用前景。
目的：利用计算机辅助技术重建个性化的髋骨三维实体模型。
方法：使用手持式三维激光扫描仪对人体髋骨表面进行扫描，得到大量点云数据，综合使用工程软件Geomagic和计算机辅助软件CimatronE对点云进行处理并实现三维模型重建，使用快速成型机完成髋骨的3D打印，得到几何形状一致的髋骨实体模型。
结果与结论：通过基于逆向工程和快速成型技术的数字化建模方法，可得到具有良好几何相似性及生物力学特性的髋骨三维实体模型，可为人工仿生髋骨的数字化制造、虚拟装配、应力分析及模拟手术等提供精确的模型基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 植入物, 数字化骨科, 逆向工程, 计算机辅助技术, 髋骨, 三维模型, 快速成型技术, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Hip’s anatomy structure is complex, and the traditional two-dimensional imaging, such as X-ray film or CT scan, is susceptible to image overlap and other soft tissue. As a result, there are some limitations in the diagnosis of hip disease. The digital model is built based on reverse engineering and rapid prototyping. It is comprehensive, intuitive and accurate of the stereo configuration of the hip and the spatial relations of other parts’ anatomical structures. This study has a broad application prospect.
OBJECTIVE: To reconstruct the personalized three-dimensional entity model of the hip bone with computer aided technology.
METHODS: The human hips were scanned with a portable three-dimensional laser scanner, and then the point cloud data of the hips were gotten. The point cloud was processed and the three-dimensional model reconstruction was carried out by using the engineering software Geomagic and the computer aided software CimatronE. Three-dimensional print of hip was completed and the model was gotten, which was consistent with the geometry of hip bone, through the rapid prototyping machine.
RESULTS AND CONCLUSION: A model with good geometric similarity and biomechanical characteristics was built by digital modeling method based on reverse engineering and rapid prototyping. This way of digital modeling provided the basis for digital manufacturing of artificial hip, virtual assembly, stress analysis and surgical simulation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Computer-Aided Design, Biomechanics, Stress, Mechanical

中图分类号:

R318

唐通鸣，邓佳文，张政，黄明宇，倪红军. 基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(26): 4253-4257.

Tang Tong-ming, Deng Jia-wen, Zhang Zheng, Huang Ming-yu, Ni Hong-jun. Reconstruction of personalized three-dimensional entity model of hip bone based on reverse engineering and rapid prototyping technology [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(26): 4253-4257.

图/表（结果） 3

2.1 偏差分析 将构建的髋骨CAD模型与原始点云进行偏差分析，偏差分布如图4所示，具体偏差情况如表1所示，最大平均误差为0.250 9 mm。

由点云偏差分布图可知，髂骨翼等处的点云偏差较小且正法向偏差与负法向偏差分布均匀，有助于将整体误差控制在较小的范围内。点云偏差较大的地方主要集中在髂嵴处，该处曲率变化大且形状窄小，在扫描表面数据阶段所获得的点云数据稀疏，加上后续处理过程中的数据简化等一系列操作，致使在点阶段进入多边形阶段时，髂嵴处点云数据缺失。该处曲面是在Geomagic软件中进行曲面重构时，通过填孔命令，根据曲面边界处的曲率过渡情况最佳拟合而成，以实现与点云曲率的最优几何匹配。点云偏差是计算曲面和距离其最近点之间的距离，髂嵴处点云稀疏，该处的点云偏差并不能精确表示其与实物的误差水平^[11-13]。

通过CAD模型与原始点云的偏差分析可得，该曲面重构方法可以在很大程度上保证模型的准确性和完整性，从而生成高质量的模型。在模型重构过程中所使用的Geomagic Studio软件是目前全球首选的自动化逆向工程软件，在处理髋骨等复杂形状时，与传统处理方法相比，效率有很大提高。这种数字化建模方法既符合实际研究的需要，又可以缩短研究周期，有着很重要的实际工程意义。

2.2 快速成型 使用北京太尔时代科技有限公司生产的Up Plus 2 3D打印机实现髋骨模型的快速成型。该打印机是基于熔融挤压快速成型技术，其工艺过程是以PLA、ABS等热塑性材料为原料，通过具有加热功能的喷头熔化成液体，由计算机控制喷头沿零件的每一层截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向上升一个层厚的距离并进行下一层材料的建造。这样由下到上，逐层堆积，最终形成一个实体模型。该打印机简易、便携，成本较低，成型效率高，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。

将Cimatrone软件处理所得的髋骨stl文件导入3D打印机，进行打印，得到和髋骨完全一致的实体模型，如图5所示。该髋骨实体模型可以全面、直观、精确地显示其立体形态，并可以在重建人体其余部位之后进行装配，进一步了解骨骼解剖结构的空间关系，显著预防骨骼损伤、提高治疗技术。

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引言

在人体整个骨骼结构中，骨盆是重要的支柱之一。它是整个骨骼的中心，上到脊柱、下到两腿关节，都需要骨盆居中策应、调停。髋骨是骨盆中的关键部位，日常生活中不良的生活习惯、欠佳的产后恢复等导致髋骨变形，安全事故引发髋骨骨折，这些都严重影响到了人体健康[1]。髋骨解剖结构复杂，传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰，在髋骨的临床诊断中具有一定的局限性。

逆向工程技术是在现有实物的基础上，利用各种数字化设备对其进行扫描和测量，得到点云数据，再通过一系列现代设计方法与技术，反推出实物的各项数据，并对其进行重建或优化。快速成型技术是基于材料堆积法的一种高新制造技术，在通对实物进行逆向工程反推，获取其三维模型后，导入至快速成型机，经过成型机的切层等处理，最终逐层打印得出与原实物完全相似的个性化实体模型^[2]。

目前国内的逆向反求工程的发展处于引进国外先进技术的初级阶段，主要包括以下阶段：数字化测量、点云预处理、CAD模型重构、快速原型。面对国外先进的逆向反求产品，如英国3D-Scanner公司REPLICA激光快速扫描测量仪、以色列Cimatron公司的CimatronCAD/CAM系统等，国内的逆向反求产品在功能和自动化程度上有待提升。逆向工程技术不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进产品，更体现在逆向反求过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论上和思想上的创新[3-5]。

随着逆向工程技术和快速成型技术的发展及其在骨科治疗中的临床应用，通过计算机辅助技术建立骨骼的数字化模型，并通过快速成型技术得到三维实体模型，可以全面、直观、精确地显示骨骼立体形态和各部位解剖结构的空间关系，为个性化的诊断及治疗方案的制定提供了有效的模型基础，使骨骼损伤的预防和治疗技术得到了显著提高。

文章主要通过一系列现代设计方法与技术扫描髋骨标本，获取其点云数据并进行逆向建模，最终实现模型的重构。通过点云分析比较得知模型与原标本几乎完全相似，从而得出一种基于逆向工程和快速成型技术的髋骨模型重建方法。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

设计：髋关节假体模型重建。
时间及地点：于2014-11-21在南通大学启秀校区完成髋骨扫描。
对象：女性髋骨标本由南通大学医学院提供，年龄32岁。实验方案得到医院伦理委员会批准。
主要仪器：EXASCAN™ 手持激光扫描仪，三维软件，Up Plus 2 3D打印机。
方法：
扫描髋骨表面三维数据：对髋骨表面数据数字化是后续工作展开的基础。髋骨表面存在大量形状不规则的曲面，如图1A所示。故选用Creaform公司的EXASCANTM 手持激光扫描仪进行三维扫描，获取表面点云数据。扫描仪的扫描流程可简单概括为：贴标记点、扫描、输出点云^[6-8]。标记点位置的选择主要考虑以下两点：一是贴在曲率变化较大的部位，便于获取点云数据；二是贴在髋骨侧面，保证调整模型位置之前和之后标记点均在扫描范围内，便于进行精确的空间位置匹配，将2次扫描的点云自动拼合到一起，得到整体点云数据。扫描过程分为上表面和下表面两部分进行，在完成上表面测量后，翻转髋骨, 扫描标记点，完成自动匹配后继续扫描髋骨下表面，得到髋骨表面点云数据，并以STL格式输出，如图1B所示。

点云预处理：使用手持式激光扫描仪得到的髋骨点云数据量庞大，且包含大量杂点。使用Geomagic软件对点云数据进行预处理，主要包括删除杂点、降低噪声点、简化数据等。根据点云在视图中的显示，判别明显的杂点，并将这些杂点删除^[9]，有效去除点云中明显脱离点云群的杂点。使用菜单中的高斯滤波功能，在保证原有点云形状不变的情况下，删除其中的高频噪点。通过曲率采样的方式对点云数据进行采样简化，使其在保持表面形状不变的情况下，精简数据，提高后续过程的处理速度。
曲面重构：使用Geomagic软件根据点云数据重构曲面。曲面重构实质上就是一个基于点云的分布规律，根据特定算法拟合成面的过程，即利用空间三角面片来逼近还原CAD实体模型，采用NURBS曲面片拟合，直接创建NURBS曲面模型。其流程主要有多边形阶段和曲面阶段。
对预处理后的点云封装成三角形面片，进入点云处理的多边形阶段。删除模型表面由噪声点构成的三角形面片，提高模型表面的光滑度。由于数据基本点的稀疏，点云模型在进入多边形阶段后形成一定的表面空缺，形成不连续面，如破洞等。使用填孔命令，可完成空缺的探测并进行修补，在保证曲面原状的情况下，根据孔的边界曲率，形成新的三角形面片，使所有面片互相连接以形成封闭的图形^[10]。
完成多边形阶段各项处理之后进入曲面阶段，将所有的三角形面片拟合成整张曲面。通过移动面板等一系列操作，调整曲面片的分布状况，使其调整安排到统一的结构上，使得形状排列规则，有效控制曲面片网格的质量和数量。自动拟合曲面，得到NURBS曲面，如图2所示。将曲面导出为igs文件。

构建3D模型：使用Cimatrone软件对数据处理，得到CAD模型。首先在菜单栏选择[文件]/[输入]/[从其他格式文件]/[创建新的文件]，选择上述过程中处理所得的igs文件，输入Cimatrone软件中创建新的elt零件。然后，缝合所有曲面片，使其成为一张封闭的整面。由于Cimatrone软件与Geomagic软件的坐标系不同，需要对零件的坐标系进行调整，便于后续的处理。创建新的基准主平面，通过线性移动图素和旋转移动图素，将髋骨的位置调整到坐标系中合适的位置。最后，在基准面上草绘，创建封闭的矩形草图。使用菜单中拉伸实体功能，将矩形拉伸为能包含封闭曲面的长方体。使用实体修剪功能，以封闭曲面为参考，切除曲面外部的实体，同时删除参考面，得到所需的3D模型，如图3所示。将模型输出为STL格式的文件。

主要观察指标：全面、直观观察数字化骨骼模型的立体形态，并通过与髋关节实物的扫描数据相比较，判断所构3D模型是否实现原型的个性化定制。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

本次研究单侧髋骨，通过手持式激光扫描仪扫描得到表面的点云数据，联合应用Geomagic、Cimatrone软件进行逆向建模，建立了与单侧髋骨1∶1比例的CAD模型并进行3D打印，探索出基于逆向工程与快速成型技术的数字化建模方法。该方法与CT扫描数据相结合有助于构建具有良好几何相似性的三维模型，为进一步的骨骼研究及模拟手术治疗等提供了较为理想的生物力学模型^[14-18]。

3.1 根据假体模拟治疗，提高手术精准度 通常情况下医生根据传统CT二维扫描查看患者的骨骼结构，容易受到影像重叠及其余组织的干扰，导致细微骨折、结构紊乱等疾病的漏诊，产生一定的局限性，影响术前诊断及分型。进行手术时医生凭借自身的经验和技术，可如果有一丝偏差，都将造成巨大的损伤。

基于逆向工程和快速成型技术，得到以1∶1比例打印的髋骨模型，全面、直观、精确地显示出骨盆的立体形态以及各部位解剖结构的空间关系，有利于向患者解释和交流病情。医生可以仔细的观察与操练模型，进行模拟手术，在术前制定最佳计划，有效提高医生手术的精准度，降低手术的风险性^[19-24]。

如今患者的维权意识普遍提高，导致实习医生难以有机会进行临床实践。基于快速成型技术打印人体模型，进行教学，让实习医生基于模型进行诊断并模拟手术，理论结合实践，有助于锻炼其基本技能和实际操作能力，培养其逻辑思维以及分析和解决问题的能力，很大程度上提高教学效果。

3.2 结合CT数据，进行数字化建模 近年来医学影像学发展迅速，各种成像设备功能也愈发强大，很大程度上提高了原始数据的准确性，从而建立更加精确的三维模型，显著减少了与原型的差距^[25-29]。

将数字化建模方法应用于临床医学，将临床骨科与逆向工程和快速成型技术相结合，即通过一系列现代技术方法和手段对CT数据进行分析处理，获取其三维模型数据，最后通过快速成型机进行打印，可以获取和患者CT数据相匹配的实体模型。这在很大程度上减少了医生查看普通CT数据时的干扰因素，并可以更加直观的获取患者的病理特征。同时，基于CT数据建立数字化模型为个性化诊断和治疗提供了基础，特别是在临床骨创伤及修复重建的案例中，可以为骨折及骨畸形的治疗提供前瞻性手术及整复效果的评估。

3.3 构建三维模型，便于进行骨骼密度及受力分析 沃尔夫定律指的是：骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。也就是说骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。髋骨假体在术后的生长过程中会不断的分解并再生长。若假体与周边骨骼的材料性能差异过大，导致分界面两端的受力不均匀，负载差异越大越容易在运动时导致界面松动甚至假体损坏^[30-32]。

在决定骨骼置换之前，不仅要确保假体形状与周围组织达到紧密贴合的程度，还需对患者骨骼进行密度分析，并通过假体的CAD模型进行虚拟装配，模拟正常的人体活动，并测试其运动过程中的受力状况，从而判断该假体是否适合患者使用并通过优化达到最佳效果，以实现其最优的生物力学性能，这对术后疗效有着至关重要的意义^[33-34]。尤其是骨质疏松的患者，在进行髋骨置换手术之前，需要根据其骨骼密度选择合适的假体材料，以防在假体使用时，与股骨之间产生较大的压力，导致髋骨假体陷入骨质较疏松的股骨中，形成二次伤害。

3.4 制造假体，进行人工关节置换 随着数字化骨科技术的发展，医学上对于髋骨假体的要求不断提高。传统骨骼置换手术中通常使用批量生产的组合式半髋骨假体，与每个患者骨盆的匹配度存在差异，比较容易在运动中产生松动和不适感，所以患者假体的匹配精度对手术效果及术后恢复有着重要的直接影响。

通过逆向工程技术，根据患者的骨骼特征，建立与患者骨盆等组织相匹配的个性化髋骨三维模型，基于快速成型技术，使用特定材料打印髋骨假体，进行骨骼置换，实现患者置换手术的私人订制。有效的缩短手术进行时间，提高手术的精准度，降低手术中产生的创伤和出血量，提高临床手术的安全性和高效性。髋骨假体与患者骨盆等组织的高匹配度，加大了髋骨与股骨之间的接触面积，减少了行走和运动中二者之间产生的负荷，降低了假体的磨损，提高其使用寿命；同时缓解了患者术后的疼痛，便于恢复，以尽快回归健康的生活和运动，提高患者的生活质量。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程