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山 东大学硕士学位论文 基于c t 图像处理与快速成型技术的义耳制作工艺 与配色技术研究 摘要 全耳廓缺损在临床上是一种常见病。耳廓缺失不仅影响美观，而且也影响 听力。全耳廓缺损的修复方法一般有2 种：手术和义耳。耳朵外形结构精细复 杂，手术再造耳不能完全显示出耳朵的精细结构，且存在手术危险、费用高昂、 周期长的缺点。颌面修复领域义耳赝复体形态制作一直沿用传统落后的临床观 摩、现场手工雕刻蜡型的方法，制作的义耳形态远不能满足患者希望修复后的 容貌高度的和谐、仿真的要求。 2 0 世纪8 0 年代，快速成型技术迅速发展并商业化。快速成型技术可以根 据三维c a d 模型快速制作形状非常复杂、精度很高的原型，同时，c t 图像处 理与三维重建技术的发展，可以方便地获得具有复杂外形的人体器官精确的三 维数据模型，两者的结合为解决义耳修复外形精度方面存在的难题提供了最佳 方法。同时，针对赝复体存在的颜色难以准确匹配的问题，本文对义耳制作的 外形精度和色彩的处理两方面内容进行了较为深入的研究与探讨。 本文首先研究基于c t 图像处理与快速成型技术的义耳赝复体修复工艺。 以医学螺旋c t 数据为基础，应用c t 图像处理与三维重构软件m i m i c s 获得正 常耳廓模型的三维数据，并输出为s t l 格式文件，然后在s t l 文件编辑软件 m a g i c s 中光顺义耳表面，提高义耳表面质量，镜像处理获得义耳模型，布尔运 算获得义耳模具模型，分别在l o m 和s l a 快速成型系统上制作义耳原型及可 以直接用于浇注成型的义耳模具，制作的义耳原型及模具精度较高，表面质量 较好。义耳模具型腔表面经过烫蜡( 或肥皂水) 处理后，在真空中浇注硅橡胶 成型，通过控制浇注成型过程中真空度、脱泡时间、浇注时间、固化温度和固 化时间等关键工艺参数，获得外形仿真程度很高的赝复体，在义耳的外形精度 研究方面得到了满意的结果。 赝复体的颜色应该在整体上能够与颌面部组织相协调，这就需要肤色的精 摘要 i e ! j ! | e e ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! 目自! ! ! e | e ! ! ! j ! 目! ! 皇! ! ! ! ! 量 确匹配和复制，然而这项工作通常是由医技人员根据患者肤色或肤色记录按照 经验进行，操作者颜色辨别能力的差异和修复材料固化后颜色的变化一直影响 着赝复体颜色的准确性。本文以色度学为基础，以科学的试验方法为指导，借 助先进的色度测量仪器色差计对赝复体的配色进行研究，探讨肤色值、颜料配 比值、赝复体的颜色色度值及色差之间的数学关系，寻找并给出一种相对精确， 不受人为因素影响的配色方法，为计算机配色提供了有益的指导。 本文对于义耳成型工艺的研究，为快速成型技术在医学领域的应用开辟了 一条新路，将会同时促进快速成型技术和医学修复学的发展。另外，本文关于 赝复体配色技术的研究，可以为临床颌面赝复体的配色提供非常有益的指导和 借鉴，为赝复体颜色的精确匹配探索一种新的方法。 关键词：义耳快速成型配色技术c t 图像处理三维重建硅橡胶 山 东大学硕 士 学位论文 t h e s t u d y o ff a b r i c a t i n gp r o c e s sa n dc o l o rm a t c h i n g t e c h n o l o g yo f a u r i c u l a rp r o s t h e s e sb a s e do nc t i m a g e sp r o c e s s i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n g a b s t r a c t i nc l i n i c ，t h ew h o l ea u r i c u l a rd e f e c t si sau s u a l l y i l l n e s s v i s a g ea n da u d i t i o na r e a f f e c t e db yt h ew h o l ea u r i c u l a rd e f e c t s s u r g e r ya n da u r i c u l a rp r o s t h e s e sa r et w o w a y so fr e p a i ro ft h ew h o l ea u r i c u l a rd e f e c t s t h ee a rb ys u r g e r yc a nn o ts h o wt h e f i n es t r u c t u r eo fo n en o r m a le a r , a n ds u r g e r yi sd a n g e r o u sa n de x t o r t i o n a t ea n di t s p e r i o di sl o n g t r a d i t i o n a l l yf a c i a lp r o s t h e s i sh a sb e e nm a d eb yw a yo f h a n dw o r k e d s c u l p t e dw a xp a t t e r nf o rm a n yy e a r s ，w h i c hi sn o ta d v a n c e de n o u g ht om e e tt h e p r a c t i c a ln e e d so f e m u l a t i o n r a p i dp r o t o t y p i n g 畔) w a sr a p i d l yd e v e l o p e da n dc o m m e r c i a li nt h ee i g h t i e s o ft h et w e n t i e t hc e n t u r y p r o t o t y p et h a ti sv e r yc o m p l e xo fs t r u c t u r ea n dh i 曲 p r e c i s i o nc a nb em a d ew i t hr ps y s t e m sa c c o r d i n gt ot h e3 dc a d m o d e l w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ec ti m a g e sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h e3 dr e c o n s t r u c t i o n m e t h o d , 3 dd i g i t a lm o d e lo fh u m a na p p a r a t u sw i t hh i g hp r e c i s i o na n dc o m p l i c a t e d p r o f i l ew a se a s i l yo b t a i n e d t h eb e s tw a y o fs o l v i n gt h ep r o b l e mo fo u t e rp r e c i s i o n o fa u r i c u l a rp r o s t h e s e sw a sp r o v i d e db yt h ec ti m a g e sp r o c e s s i n ga n dr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y b e s i d e s ，t h ec o l o rm a t c h i n go fa u r i c u l a rp r o s t h e s e s i s a n o t h e rd i f f i c u l tp r o b l e m t h e r e f o r e , t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rf o c u s e st h et w o e x p e c t si n c l u d i n go u t e rp r e c i s i o na n d c o l o rm a t c h i n go f a u r i c u l a rp r o s t h e s e s f i r s t l y , t h er e p a i rt e c h n i c so fa u r i c u l a rp r o s t h e s e s b a s e do nc ti m a g e s p r o c e s s i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e d t h es p i r a lc ts c a n n i n g d a t aw a sd e a l tw i t hb ym i m i c ss o f t w a r et h a tc a nt r a n s f o r mc ti m a g e sa n df u l f i l l3 d r e c o n s t r u c t i o n , t h et h r e e - d i m e n s i o n a ld a t ao f n o r m a le a rw a so b t a i n e d ，a n das t lf i l e w a se x p o r t e d t h e n i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h es u r f a c e ，t h ec a dm o d e lo f e a rw a ss m o o t h e do u tu s i n gm a g i c ss o f t w a r e t h ec a dm o d e lo f a u r i c u l a rp r o s t h e s e s w a sm i r r o r e dw i t ht h en o r m a le a rd a t a , t h e3 dm o u l dm o d e lo fa u r i c u l a rp r o s t h e s e s w a so b t a i n e db yb o o l e a no p e r a t i o n t h ep r o t o t y p e so ft h e e a ra n di t sm o u l d w h i c h c a nb eu s e dt oc a s tt h es i l i c o n em a t e r i a lw e r ef a b r i c a t e db yl o ma n ds l 九t h e p r o t o t y p e sa n di t sm o u l dh a v eh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t y t h ec a v i t y s u r f a c eo fm o u l dw a sd e a l tb yw a xo rs o a pw a t e rb e f o r ei tw a su s e dt oe a s tt h e s i l i c o n e t h r o u 曲c o n t r o l l i n gt h ek e yp a r a m e t e r si n c l u d i n gv a c u u mp r e s s u r e ，t h et i m e o fr e m o v i n ga i rb l a d d e r , t h et i m eo fc a s t i n g ，t h et e m p e r a t u r ea n dt i m eo fs u l f u r a t i o n , t h ea u r i c u l a rp r o s t h e s e sw i t hg o o dq u a l i t ya n dh i g l lo u t e rs i m u l a t i o ng r a d ew a s o b t a i n e d t h er e s e a r c ho nt h ec a ro u t e rp r e c i s i o na c h i e v e ds a t i s f y i n gr e s u l t s i l l a b s t r a c t t h ec o l o rs h o u l db es i m i l a rb e t w e e nt h ep a t i e n t sf a c i a lp r o s t h e s i sa n dt h e s u r r o u n d i n gs k i n , s oi tn e e d sa c c u r a t e l ym a t c hc o l o r h o w e v e r , c o l o rm a t c h i n gw a s u s u a l l yo p e r a t e db yt h ee x p e r i e n c e dd o c t o ra c c o r d i n gt ot h ep a t i e n t ss k i nc o l o ro r n o t eo fs k i n , t h ea c c u r a c yo fc o l o rm a t c h i n gw a sa f f e c t e db yt h ed i f f e r e n c eo fa b i l i t y o fd i s t i n g u i s h i n gc o l o ro ft h eo p e r a t o ra n dt h ec h a n g eo fs i l i c o n e sc o l o ra f t e r v u l c a n i z a t i o n c o l o rm a t c h i n go f t h ea u r i c u l a rp r o s t h e s e sw a si n v e s t i g a t e db ym e a n s o f c o l o r - d i f f e r e n c em c 哇c rb a s e do nc h r o n l ak n o w l e d g ea n ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a t i o n m e t h o d t h r o u g hd i s c u s s i n gt h em a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i po ft h es k i n sc h r o m a t i c i t y v a l u e ，t h ep e r c e n t a g eo fd i f f e r e n tp i g m e n t ，t h ea u r i c u l a rp r o s t h e s i s sc h r o m a t i c i t y v a l u ea n dt h ec o l o rd i f f e r e n c e ，ac o l o rm a t c h i n gm e t h o dt h a ti sr e l a t i v ee x a c t l ya n d n o ta f f e c t e db yf a c t o ro f h u m a nw a se s t a b l i s h e d t l l i sc a ng i v ea na c t i v ed i r e c t i o nf o r c o m p u t e rc o l o rm a t c h i n gt e c h n o l o g y t i l i ss t u d yp r o p o s e san e ww a yf o rr pt e c h n o l o g ya p p l i e di nm e d i c i n ef i e l d w h i c hw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f r pt e c h n o l o g ya n dr e p a i rs c i e n c e o t h e r w i s e ， t h es t u d ya b o u tc o l o r m a t c h i n gt e c h n o l o g yn o to n l yg i v e ss o m ea c t i v es u g g e s t i o na n d d i r e c t i o nf o rc l i n i c a lc o l o rm a t c h i n go ff a c i a lp r o s t h e s i s ，b u ta l s og i v e san e wm e t h o d a b o u ta c c u r a t e l yc o l o rm a t c h i n go f t h ea u r i c u l a rp r o s t h e s e s k e yw o r d s ：a u r i c u l a rp r o s t h e s e s r a p i dp r o t o t y p i n g ，c o l o rm a t c h i n g t e c h n o l o g y ，c ti m a g e sp r o c e s s i n g ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，s i l i c o n e 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：三雌日 期：型二笠堑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此舰定) 论文作者签名：至担殳捌签名：乏立蕴h 删：泖占，尔心 山 东大学硕 士 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 全耳廓缺损在临床上是一种较为常见的疾病i ”。根据国内临床统计，大约 每1 。5 0 0 至2 , 0 0 0 个新生婴儿之中就会有一位小耳症患者，台湾每年至少有2 0 0 多个小耳症的病例出生。根据报道，武汉医学院统计全耳廓缺损占耳科患者总 数的1 ：2 0 9 0 ，男女比例为2 ：l ，单侧多于双侧，右侧：左侧：双侧为5 ：3 ：l ， 是颅颌面发育畸形中第二种常见现象，仅次于唇腭裂 2 - 3 1 。 耳廓全缺损，可因先天性和后天性原因引起。先天性全耳廓缺损常伴有外 耳道闭锁，包括骨道缺损与中耳发育不良，但内耳发育多属正常，系胚胎时期 第一、二腮弓发育异常所引起。其耳廓呈严重的发育不全，无正常的耳廓形态， 耳区仅见缩小畸形的小软骨团块或异位的耳垂，严重者约见5 0 可伴有半侧颜 面萎缩或上下颌骨发育不全。后天全耳廓缺损可因撕脱、切割、烧伤、枪弹伤 或感染等引起。外耳缺失不仅影响美观，而且听力也大受影响，因为耳廓还起 到收集声波的作用。 全耳缺损的修复方法一般有2 种：手术和义耳。耳朵作为人体上的重要器 官有着极为复杂的形态，耳再造是整形外科的精细世纪性难题，自从有耳再造 的历史至今，世界上的再造耳都不能完全显示出耳的精细结构。虽然耳再造技 术在不断改进耳的软骨支架，从骨到肋软骨雕刻成精细耳支架及超薄皮瓣， 皮肤软组织扩张器在乳突区的预先制备，都不能完全显示耳的精细结构，如耳 舟、耳腔等，而制成的再造耳随着时间流逝会出现“虫蛀”样改变，皮瓣逐渐 成块状物。在取软骨时可能造成气胸、血胸，患者不能呼吸，局部皮肤的疤痕 等并发症。自体的骨移植不仅会造成新的创伤，而且因为排异或吸收等原因， 再造耳的外形不够理想【】。因为手术修复的方法具有存在较大手术危险、手术 费用高、手术周期长及再造耳的外形不够理想等缺点，人们正在用义耳的方法 修复全耳缺损。 第一章绪论 传统的义耳修复制作方法是水胶印模方法，该方法成型精度低、制作周期 长、技术含量低，外形的仿真程度很难令患者满意。 随着计算机技术的迅速发展，计算机断层成像术和三维重构技术得到长足 的发展，出现了基于c t ( 计算机断层成像术，c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 图像处 理与三维重建技术与快速成型技术的义耳制作工艺。该方法大大提高成形精度， 避免取患者自身软骨的手术，降低手术风险和患者痛苦。消除制作蜡耳反复试 戴的过程，节约大量时间，大大缩短手术治疗周期，大大降低手术成本，减轻 患者经济负担。本文拟采用先进的快速成型技术，结合计算机断层成像技术和 三维重构技术，进行义耳制作工艺技术研究。 1 2 基于c t 与快速成型技术义耳制作工艺与配色技术研究现状 义耳是颌面部赝复体修复的研究课题之一。义耳的装戴的舒适程度与外观 匹配是义耳设计与制造的主要决定因素【6 】。装戴的舒适程度包括义耳与缺损组 织面的吻合度及其与组织面的衔接处理；外观匹配包括义耳外形精度和装戴后 视觉的适宜感。目前所用的面向快速原型制作的数据处理软件或其他 c a d c a m 软件在吻合度和与组织面的衔接处理上基本能满足要求，然而在外 形精度和色彩的处理上却不够完善，因此，这两方面正在成为赝复修复领域的 研究热点i ”。 义耳修复的方法也有两种：传统的水胶印模方法和基于高科技手段的快速 成型法。传统的制作义耳方法一般是用水胶体印模材料将正常的耳廓形态和缺 损部位印模下来，翻制石膏模型后用蜡镜像雕刻完成。也可以找一个与正常耳 廓形态相似的对侧的耳廓石膏模型，用蜡翻制后由专业的美学雕刻师再用蜡按 照正常耳廓镜像进一步雕刻，形成缺损区的耳廓形态，使之与正常耳对称。雕 好的蜡型给病人试戴，确定合适的位置，然后将其包埋：在模具表面涂上分离 剂，调和硅橡胶修复材料并使其颜色与病人基本肽色一致，加入催化剂调匀后 填充入模具；待硅橡胶硬化后，从模具中取出修复体，剪去多余的边缘，给病 人试戴；满意后，将义耳粘到相应的位置【i 。 山 东大学硕士学位论文 随着快速成型技术的发展成熟及计算机图形学的迅速发展，基于c t 扫描 的二维图像三维重建技术的成熟，一种新的颌面部赝复体的制作方式已经产生。 具体的方法是：首先用c t 扫描患者正常耳廓，然后通过图像处理技术和三维 重建技术，将二维图像转化为三维数据，在三维造型软件或s t l 文件编辑软件 中镜像处理，获得对称耳廓，并与缺损组织面布尔运算，获得义耳的三维数据， 然后，将生成的s t l 格式文件，输入到快速成型系统，就可以制作义耳的原型， 然后，翻制硅橡胶模具，经过浇注便可以得到硅橡胶义耳。在国内，上海交通 大学黄雪梅博士【7 】等，在这一方面做了大量的研究工作，使用l o m 技术制作义 耳原型，然后翻制硅橡胶模具，结果比较满意。并指出：目前基于r p 的人耳 赝复体的制造技术已经逐步趋于完善，然而在硅橡胶赝复体的色彩处理上还需 要进一步的探索，实现赝复体的色彩分布在视觉上与真耳相差无几，从而完善 整个制造过程。本文拟采用新的r p 技术s l at 艺直接制作义耳快速成型模具， 省去了制作原型和翻制模具两道工序，大大减少了操作步骤，节省时间，节约 材料，降低制作成本，提高了成型精度，并且在赝复体的颜色匹配上，提出一 种快捷、准确与不同个体肤色相对准确匹配的配色方法。 义耳的制作材料一般使用可内着色或外着色的医用硅橡胶作为修复材料。 与普通硅橡胶不同，面部修复用的硅橡胶必须有足够的强度能维持2 0 年，并 装戴方便。医用硅橡胶优异的理化性能、高度的仿真性和良好的生物安全性等 特性而成为制作颌面修复赝复体的首选材料0 h e 】。c o s m e s i l 和s i l a s t i c 品牌的医 用硅橡胶已有很高的抗撕强度并加强了颜色的稳定性，修复体也更加坚韧自然 1 3 1 。l e w i s 1 4 1 等指出，修复体的外观及生物强度应不受阳光照射及其它环境因素 影响。但事实上，修复体的寿命并不长。由于紫外线照射、空气污染、化妆品 及修复体清洁剂如苯、二甲苯等影响，硅橡胶修复体色泽稳定性较差【”。1 “。有 报道指出，用c o s m e s i l 硅橡胶制作的义耳中，用普通颜料着色后，有7 例患者 抱怨颜色变淡，尤其是在阳光照射及海水浸泡后，2 1 个修复体中有9 个修复体 必须重做”i 。颜色的稳定期一般为2 1 个月，也有报道认为在一般情况下，硅 橡胶修复体使用1 。年常会由丁颜色的改变而必须重做【1 7 l 。g a 1 8 1 认为硅橡胶 第一章绪论 的褪色可以预见，可针对如何使颜色改变程度达到最小进行研究。在硅橡胶内 加入紫外线吸收剂，或加入紫外线防护剂，或在硅橡胶表面涂上紫外线防护剂 都是研究方向。 硅橡胶的着色技术一般有内着色、外着色和纹色三种。内着色是将颜料均 匀的混入硅橡胶内，优点是颜料被固化在多聚体内，不易因表面的摩擦而掉色， 具有颜色的深度感；缺点是配色过程耗时较长，色匹配性差。外着色是将混有 颜料的硅橡胶自定义涂布于赝复体表面，优点是操作简便，可以根据患者各个 部位不同的颜色加以调配，还可以绘出皮肤表面的斑、痣等色彩特征，比单一 颜色更自然，色匹配性好；缺点是颜色深度感差，易因接触外界的环境而掉色 或褪色。纹色是利用特殊的纹色设备将颜料纹入硅橡胶内部，优点是可以将颜 料送入所需的部位和层次，因此赝复体的深度感好，缺点是耗时多，成本高， 降低硅橡胶的物理机械性能，接触外界环境时染色现象严重。由于单一的着色 技术很难达到颜色的高度仿真性，因此实际操作中最好能将几种方法结合使用。 例如，可以配合测色仪器，利用硅橡胶复层成型技术，则制成的赝复体不但具 有皮肤软组织特有的半透明性，而且有色泽的立体层次感，可以进一步提高赝 复体的仿真性，缺点是操作复杂，成本增加。目前，计算机配色技术在国外被 广泛的应用于赝复体的颜色处理，其基本方法是选定基本的颜料，预制出多种 颜色样品，用测色仪器测出其色度值，同时记录所有颜料的配比关系，以此做 为计算机基础数据，并使计算机内的配色系统由多点变为连续。测出皮肤的色 度值，由计算机给出该色度值的最佳颜料配比i ”】。此方法操作简便，配色准确， 有广泛的应用前景，但是研制计算机配色软件需要大量的试验为基础，编程也 是一项复杂、细致的工作。独立研制开发需要大量的人力和资金投入。目前， 国内用于计算机配色的软件大多都是引进国外的配色软件，缺少自主知识产权， 并且都应用在印染行业，在赝复体的配色领域还是空白。 1 3 本课题研究内容及意义 本课题以耳部螺旋c t 数掘为基础，结合c t 图像处理技术和三维重建技术 4 山 东大学硕士学位论文 通过对c t 数据的处理与义耳数据模型的重构，借助快速成型技术，研究制作 临床具有较大应用价值的义耳赝复体，着重研究赝复体的成型精度，提高外形 的仿真程度，为义耳的设计与制造提供一项新的工艺。同时针对硅橡胶着色技 术存在颜色难以精确匹配的问题，对硅橡胶的配色技术和方法进行较为深入的 研究和探讨，提出一种相对简单、迅速、准确的配色技术，为硅橡胶计算机配 色的研究提供了有益的参考和借鉴。 本文将快速成型技术与医学模型制作相结合，在软件m i m i c s 和m a g i c s 的 支持下，全程实现数字化加工制作义耳赝复体，省去传统制作蜡耳模型的步骤， 并且提出采用快速成型技术直接制作义耳快速模具，旨在义耳的外形仿真程度 方面取得一定进展，这不仅对快速成型技术制造其它人工医学假体器官有重要 的参考价值，也对进一步拓宽快速原型技术在医疗领域的应用有更重要的意义。 本论文主要就以上内容进行具体深入的研究，阐述的主要内容如下： 第一章主要介绍基于c t 与快速成型技术义耳制作工艺与配色技术研究现 状及国内外研究水平，并提出本课题研究的内容及意义。 第二章介绍c t 图像处理技术与快速成型技术的基本原理，着重介绍数字 图像与c t 图像处理方法以及l o m 和s l a 两种快速成型技术的工艺过程，并 简单介绍快速模具的分类和应用。 ? 第三章首先介绍c t 数据处理与三维重构软件m i m i c s 的功能与特点，然后 介绍快速成型数据文件编辑软件m a g i c s 的功能与特点，重点阐述应用软件 m i m i c s 处理耳朵c t 数据，生成三维图像的过程，并详细介绍在m a g i c s 中义耳 模具的模型处理过程。 第四章重点介绍l o m 和s l a 法制作义耳快速模具的制作工艺过程和关键 的工艺参数设置，并对两种方法制作的义耳模具和原型精度及外形仿真程度进 行对比分析，指出各自的优缺点。 第五章是本文的重点，主要介绍赝复体硅橡胶配色试验的原理、试验设计 与试验结果分析。作为赝复材料的硅橡胶，首先介绍了其性质和特点，然后介 绍了配色理论基础，色度学的相关知识以及在赝复配色中的应用。以混料试验 第一章绪论 原理为指导，探索一种简便、快捷、相对准确的配色方法，为硅橡胶的计算机 配色提供有益的借鉴和指导。 第六章是义耳浇注成型实验过程，试验在真空和普通条件下，使用l o m 和 s l a 两套快速成型模具进行硅橡胶义耳成型实验，通过对实验结果的对比分析， 指出真空注型的方法能够获得无缺陷、外形仿真程度很高的赝复体，为医学模 型的快速制作提供了经验和指导。 最后，第七章对所做工作进行总结，并对以后的工作进行展望。 6 山 东大学硕 士 学位论文 2 1 引言 第二章螺旋c t 图像处理技术与快速成型技术 随着现代医疗事业的发展，医生通过非侵入诊断技术，如c t 、m r i 和p e t ( 正电子放射断层扫描) 等，能够较易获得病人有关部位的二维图像。医学图 像作为临床医生诊病、治病的辅助工具，愈来愈显示出其重大作用。但是这种 诊断方式存在着一些不足之处，例如有些图像对比度低，容易误诊，而且从一 组二维图像构想三维图像困难且不准确。 使用图像处理技术，可以使这些图像的部分轮廓比较清晰，便于视觉检查。 根据二维图像处理的结果，采用三维重建技术获得可以被快速成型系统接受的 三维数据模型，通过快速成型系统制造出三维实体医学模型方便医生观察，有 利于对病情的进一步认识。基于快速成型技术制作的医学模型目前主要用于医 疗诊断和外科手术计划，它能有效提高诊断和手术水平，缩短时间和节省费用。 因此通过断层图像处理得到假体的快速成型数据，并据此制造出假体实物模型 的技术已经成为快速成型技术中最为活跃的研究方向与应用方向之一。 通过c t 图像得到快速成型系统所能接受的数据文件，并据此通过快速成 型技术精确地复制出与生物形体具有相同形状的形体模型，可以减少医用模型 制造所需时间并降低成本，同时可以保证相当高的制造精度，从而满足医学应 用中的要求，促进医疗水平的发展【2 0 1 。 本文正是通过对螺旋c t 图像的处理，获得耳朵精确的三维数据模型，为 本文义耳制作工艺研究提供数据信息。 2 2 螺旋c t 图像处理技术 2 2 1 螺旋c t 成像的基本原理与特点 1 8 9 5 年，伦琴发现了x 射线，使人类第一次看到了人体内部的结构，为放 第二章螺旋c t 图像处理技术与快速成型技术 射医学奠定了基础。人们利用x 射线穿透人体组织所得到的影像，来观察人体 内部的构造与病理变异，大大提高了医学诊断与治疗的水平。 2 0 世纪7 0 年代初期出现的计算机断层成像术( c o m p u t e d t o m o g r a p h y ， c t ) ，标志着人类进入二维断层可视时代，使医生能够清楚地看到人体的断层 结构，推动了影像医学的发展【2 ”。这种新的影像学技术被认为是对放射学诊断 的又一划时代的贡献，成为临床医学中不可缺少的无创诊断手段。 c t 是用x 线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过 该层面的x 线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟数字转换 器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体 积相同的长方体，称之为体素，见图2 1 。扫描所得信息经计算而获得每个体素 的x 线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵，见图2 2 。数字矩 阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字模拟转换把数字矩阵中的每个数字转为由黑 到白不等灰度的小方块，即象素，并按矩阵排列，即构成c t 图像。所以，c t 图像是重建图像。每个体素的x 线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。 图2 - 1 扫描层面体素及象素图2 - 2 数字矩阵 c t 设备主要有三部分组成：扫描部分，由x 线管、探测器和扫描架组 成；计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；图像显示和存 储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在显视屏上或储存为特定格式的文 件。 c t 设备有普通c t 与螺旋c t 两种类型。螺旋c t 扫描，是在扫描的同时， 患者随扫描床连续等速移动，而x 线球管和探测器组则相当于电机的转子一样， 不停地围绕患者的“感兴趣区”做快速连续3 6 0 。旋转，同时探测器组连续采集数 山东大学硕士学位论文 据，如此连续扫描若干周后，其结果是球管相对患者“感兴趣区”体表的扫描轨 迹呈一螺旋形路径，故称为螺旋扫描c t 。它克服了普通c t 因患者运动、呼吸 等造成扫描层面的重复和遗漏，以及扫描时间长等缺点，而且能够直接在扫描 范围内的任何部位进行任意方位和任意间隔的图像重建。螺旋扫描c t 不仅突 破了常规c t 的限制，而且具有直接进行三维重建，减少病人辐射，节省造影 剂用量等许多优点。本文数据来源为螺旋c t 数据。 采用螺旋c t 连续扫描的方式，同步采集体积数据，可获得三维信息，使 三维重建成为可能。然而，能否生成高质量的三维图像依赖于诸多因素，如机 器的质量、技术参数的选择和匹配，以及医技人员的操作技巧和熟练程度等。 提高c t 图像质量应该把握以下关键因素： ( 1 ) 病人准备 扫描时身体任何细微的动作都可能导致图像伪影，因此扫描期间禁动，必 要时给予适量镇静剂。设计体位要尽量使身体两侧对称。增强宜用非离子型对 比剂。 ( 2 ) 扫描参数的设定 对需要三维重建的病人，一次设定完善的扫描计划，在定标像上划定出充 分的兴趣区范围，避免扫描完成后发现扫描不全而全功尽弃。选择合适的准直 宽度和螺距。宽度越窄，生成的三维图像越清晰、平滑，但也限制了扫描覆盖 面，所以，准直宽度一般选择3 s m m ，螺距为lm m 。兴趣区很小的则选用1 2 m m 为最好，如中内耳结构。大范围的兴趣区可增大螺距至2m m ，如整个骨 盆。一般情况下，准直宽度与螺距的匹配以相等为好，但如兴趣区大，则宜增 加螺距，这既可保证理想的有效层厚，又不会使图像的纵向分辨率明显下降。 ( 3 ) 重建间隔 螺旋c t 扫描可在不增加x 线剂量的条件下回顾性地任意选择重建日j 隔， 日j 隔越窄，重叠图像越多，生成的三维图像越平滑，但处理时问也会随之延长， 图像所占储存空日】也加大，因此要根据实际情况选择。一般2 3 m m 日j 隔较好。 ( 4 ) 图像编辑与显示技术 9 第二章螺旋c t 图像处理技术与快速成型技术 以经过薄层重建的轴面图像为基础，规定兴趣区，尽可能缩小范围以增加 图像的处理速度。然后进行图像编辑，选择合适的阈值，即拟成像组织的c t 值界限。如c t 值过高，骨质较薄处或密度略低的部位不能包括进去，形成假 孔或不规则裂隙；过低会使骨边缘的其他结构也包括在成像范围内，而使边缘 模糊，一些结构层次分辨不出来。因此，一般认为骨性结构阈值上界以1 8 0 2 2 0 h u 为宜，但也要根据骨密度高低适当调整。如所观察的组织与邻近组织密 度相近，影响三维图像的观察时，则在一开始编辑时就用切割法将其去除。若 一次切割整体去除有困难，则采用分层法切割，保证三维影像不受其他组织干 扰。当设定的阈值及重建范围被确认后，可进行预观察，验证各三维参数及图 像编辑是否正确。确认后还要按需要选择分辨率等级及平滑处理等级。一般选 择高分辨率和高度平滑等级，其图像清晰、柔和。但级别越高，处理时间也越 长，因此可先用低级别进行初步图像处理，待预观察认可后，最后一步再用高 级别来生成图像。 2 2 2 医用c t 图像处理与三维重建 随着计算机技术的迅速发展，尤其计算机图形学技术的不断进步，人们着 手研究三维立体可视化的新手段和方法。2 0 世纪8 0 年代中期，美国开始颅脑外 科手术可视化的研究，因技术条件不成熟，成果很难应用于临床。9 0 年代初期， 由于计算机技术的不断发展和影像设备的不断更新，医学可视化取得了一系列 新进展 2 2 - 2 4 1 。国内外，对于医学c t 图像的可视化研究也做了大量的工作，很 多医疗科研单位进行了大量的研究工作，出现了很多医c t 可视化的软件，例 如：a n g i o g r a p h y ，s u r m e s h ，s u r r e n d e r ，v o l r e n d e r 。有的软件还可以对二维c t 数据，通过处理实现三维重建的功能，能够将二维c t 数据转化为s t l 格式的 三维数掘文件，为医学模型的制作提供了数据资料，如：3 d s l i c e r ，3 d d o e t e r 和m i m i c s 等软件。 图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需求的行 为。图像处珲的手段有光学方法和电子学( 数字) 方法。i j i 者已经有很长的发 展历史，从简单的光学滤波到现在的激光全息技术，光学处理理论已经r 趋完 1 0 山 东大学硕士学位论文 善，而且处理速度快，信息容量大，分辨率高。但是光学处理图像精度不够高， 稳定性差，操作不便。从2 0 世纪6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不 断提高和普及，数字图像处理进入高速发展时期。所谓数字图像处理就是利用 数字计算机或者其他数字硬件，对从图像信息转换而得的电信号进行某些数学 运算，以提高图像的实用性。数字图像处理技术处理精度比较高，而且还可以 通过改进处理软件来优化处理效果2 5 1 。但是，数字图像处理的数据量非常庞大， 处理速度相对较慢，限制了数字图像处理的发展。随着计算机技术的飞速发展， 计算机的运算速度大大提高，这将大大促进数字图像处理技术的发展。 数字图像处理的英文名称是“d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 。通常所说的数字图 像处理是指用计算机进行的处理，因此也称为计算机图像处理( c o m p u t e ri m a g e p r o c e s s i n g ) 1 2 6 1 。总的来说，数字图像处理包括以下几项内容： - ( 1 ) 点运算 点运算主要是针对图像的像素进行加、减、乘、除等运算。图像的点运算 可以有效地改变图像的直方图分布，这对提高图像的分辨率以及图像均衡都是 非常有益的。 ( 2 ) 几何处理 几何处理主要包括图像的坐标转换，图像的移动、缩小、放大、旋转，多 个图像的匹配等。几何处理是最常见的图像处理手段，几乎任何图像处理软件 都提供了最基本的图像缩放功能。 ， ( 3 ) 图像增强 图像增强的作用主要是突出图像中重要的信息，同时减弱或去除不需要的 信息。常用的方法有直方图增强和伪彩色增强等。 一 ( 4 ) 图像复原 图像复原的主要目的是去除干扰和模糊，从而恢复图像的本来面目。例如 去噪声复原处理。 ( 5 ) 图像形态学处理 图像形态学是数学形态学的延仲，可以实现图像的腐蚀、细化和分割等效 第二章螺旋c t 图像处理技术与快速成型技术 i e e ! ! ! ，e 自! e ! 目! ! e ! e ! 目| 日e ! | e ! e 一 果。 ( 6 ) 图像重建 图像的重建源于c t 技术的发展，是- - i - j 新兴的数字图像处理技术，主要 是利用采集的数据来重建图像。图像重建的主要算法有代数法、迭代法、傅立 叶反投影法和使用最广泛的卷积反投影法等。 图像处理的目的是通过图像的加工获得对具体应用效果更好或更有用的图 像。一般来说，对c t 图像的处理技术主要包括：几何处理，高级处理，灰度 图像的二值化，图像分割，轮廓提取等图像处理技术，获得准确而简洁的二维 轮廓数据，为最终构造三维数据模型做好准备。高级处理包括：图像的平滑， 图像的锐化等【2 0 】。 c t 图像的三维重建实质上是一个三维数据的生成及显示的问题，即三维数 据的可视化问题。根据问题的要求和数据的特点可以分为两种不同的技术，面 绘制和体绘制【2 7 1 。两种技术都能够用来实现三维图像中选定结构的可视化，方 法上各有其优缺点。通常根据医学图像数据的特性、对可视化的应用以及所需 的可视化结果来对这两种技术加以选择。 体绘制技术是基于光线投射算法的三维医学图像可视化方法。这一方法摒 弃了传统图形学中必须由面来构造体这一约束，不需要先作表面或物体的分割 就可以直接观看体图像，并保存了原始图像体数据值的前后关系。体绘制技术 不需要预先提取表面，可以在光线投射过程中使用不同的绘制算法。因为整个 体图像被绘