（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程的组织器官数字化制造关键技术研究.pdf

摘要 摘要 数字化制造是当代最受重视、最具吸引力的制造技术之一，基于逆向工程的 方法来研究组织器官的制造开拓了数字化制造的新领域，具有重要的意义。文 章以数字化手段研究从医学图像模型到组织器官的制造技术，解决制造过程中 的关键问题。首先对国内外组织器官三维重建及制造的主要方法作了概述和分 析，在此基础上，对组织器官数字化制造过程中的关键技术进行了研究，提出 医学图像三维重建的新算法，设计了针对组织器官的数字化制造原型系统，并 首次直接对点群数据进行成形方向优化，最后提出组织器官分块制造的新方法。 具体研究工作有以下几个方面： 研究了医学图像点运算及增强的不同处理方法及处理效果，提出较好的平 滑、滤波、锐化处理方法，为医学图像的进一步处理打下了基础：通过对各种 算子边缘检测效果的研究，找出适合于医学图像边缘检测的最佳算子，解决了 医学图像内部结构的边缘检测问题，完成了医学图像的边缘轮廓提取与跟踪， 同时，进行了种子填充、控制点的有向化保存、控制点的简化和系统标定等研 究，实现了医学图像点群数据的最佳提取。 在采用面绘制法进行图像三维重建时，通常通过三角形网格形式实现。但由 于组织器官中存在着大曲率大变形情况、分支情况、有洞轮廓等问题，使得医 学图像的三维重建具有特殊性。文章根据医学图像的具体特点提出了改进的最 小对角线算法用以解决重建过程中的大曲率大变形问题、虚拟点“桥梁”算法 用以解决分支问题、“过渡层一算法用以解决有洞轮廓重建问题，点群数据的压 缩算法用以解决数据冗余问题，这些算法很好地保证了医学图像重建的正确性。 在以上研究的基础上，开发了医学图像三维重建原型系统，实现了医学图像的 三维重建。 在设计了三维可视化系统的体系结构与功能模块的基础上，建立整体光照模 型，进行光线跟踪，研究光线与各种表面的求交算法，计算多种表面的法向量 以获取物体表面的各种属性。为获得更加真实感的图形，进行了隐藏面的消隐、 表面颜色纹理映射、表面微观形状的扰动映射、表面明暗光滑化处理等研究。 并进一步探讨系统的三维场节点和数据结构，研究三维场景的绘制与交互，创 摘要 建颜色对话、材质库对话、材质对话、光源对话，在此基础上，研究在交互式 三维场景中文件的导入、处理和存储、剖分等功能的实现，建立了从医学图像 到三维实体的可视化系统。 组织器官制造时的成形方向直接影响其制造精度和成本。文章提出了一种新 的直接对点群数据进行成形方向优化的方法。采用透射光原理，在生成实体点 阵的基础上，建立其顶端点曲面，以点阵网格数来表示支撑体积，解决了成形 优化过程中支撑体积难以快速实时计算的问题。在分析了优化目标函数和优化 策略的基础上，采用遗传算法进行成形方向优化，设计了选择算子、杂交算子、 变异算子、迭代终止条件和群体规模等，实施了具体的组织器官的成形方向优 化，并对优化结果进行了验证，验证结果表明：优化取得了满意的效果。 由于组织器官结构复杂，致使其成形比较困难，文章提出了分块制造方法， 围绕分块制造展开研究，通过几何分割、定位点选择、定位结构设计、组件装 夹定位方式、工艺规划及拼装等完成组织器官的制造。同时研究了组织器官原 型的熔融沉积成形，采用成形方向优化结果完成了组织器官的制造。然后对成 形材料进行了动态力学实验，得到其动态力学温度谱，并对生物相容性材料的 性能及配比进行了研究，得到了一些规律性的结论。最后对几种成形方法进行 模糊综合评价。本文认为：在制造复杂组织器官原型时，采用分块制造方法优 于现有的其它方法，分块制造很好地解决了复杂器官的成形问题。 通过以上的研究，解决了组织器官制造过程中的三维重建及可视化、成形方 向优化、分块制造几个关键问题，实现了快速、精确地制造组织器官的目的。 关键词：逆向工程，数字化制造，组织器官，医学图像 i i a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a l l ym a n u f a c t u r i n g i so n eo ft h em o s t e m p h a s i z e d a n da t t r a c t i v e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya tp r e s e n t t h er e s e a r c ho fd i g i t a l l ym a n u f a c t u r i n gt i s s u e a n do r g a n ，w h i c hi sb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，h a se x p l o r ean e wf i e l di nt h ea r e a a n di sv e r ym e a n i n g f u l t h i sa r t i c l es t u d i e ss o m ec r i t i c a lt e c h n o l o g yr e g a r d i n gm e d i a li m a g e ( m o d e l ) ， t i s s u ea n do r g a nm a n u f a c t u r i n ga n dp r o c e s s i n gd i g i t a l l y f i r s t ，a u t h o rs u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h em a j o rm e t h o do f3 - dt i s s u ea n do r g a n r e c o n s t r u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n gw o d d w i d e ；r e s e a r c h e so nt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g y ； b r i n g sf o r w a r da n e wa l g o r i t h mo f3 - dr e c o n s t r u c t i o n ；d e s i g n sad i g i t a lp r o t o t y p i n g s y s t e mt a r g e t i n gt i s s u e sa n do r g a n s ；f o rt h ef i r s tt i m eo p t i m i z e st h ep o i n t sd a t af o r m o d e l i n g ；f m a u yb r i n g su pan e wm e t h o d o l o g y o fs e g m e n t a l l ym a n u f a c t u r i n g a u t h o r sr e s e a r c h i n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： t h r o u g ht h es t u d yo fm e d i c a li m a g e sp r o c e s s i n gm e t h o d sa n de f f e c t si n c l u d i n g p o i n ta l g o r i t h ma n de n h a n c e m e n t ，a u t h o rp r e s e n t sa b e t t e rp r o c e s s i n ga l g o r i t h mw i t h s m o o t h i n g ，f i l t e r i n ga n ds h a r p e n i n gf o rf u r t h e rp r o c e s s i n g t h r o u g ht h es t u d yo fv a r i o u so p e r a t o r s e d g ed e t e c t i o n ，t h eb e s to p e r a t o r sf o r e d g e d e t e c t i o no fm e d i c a l i m a g e sa r e f o u n d t h es t u d ys o l v e st h ei n t e r n a l s e g m e n t a t i o na n de d g ed e t e c t i o np r o b l e m ；f u l f i 1 l st h ee d g ee x t r a c t i o na n dt r a c k i n g ；i n t h em e a n t i m e ，a u t h o rm a k e ss e a r c ho ns e e df i l la l g o r i t h m ，s i m p l i f i c a t i o na n d d i r e c t i o n a lp r e s e r v a t i o no fr e f e r e n c ep o i n t sa n ds y s t e md e m a r c a t i n gs ot h a tt h eb e s t e x t r a c t i o ni sr e a l i z e d u s u a l l yt r i a n g l em e s hi s u s e df o rs u r f a c ed r a w i n gw h e n3 - di m a g e sa 陀 r e c o n s t r u c t e d b u tb e c a u s et h e r ea r ed i f f e r e n ti s s u e sl i k eb i gc u r v a t u r ea n dd i s t o r t i o n ， b r a n c h i n g ，h o l e si ns k e l e t o n ，t h e s em a k et h e3 - dr e c o n s t r u c t i o no fm e d i c a li m a g e v e r yu n i q u e i nt h i sa r t i c l e ，a u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h em i n i m a ld i a g o n a la l g o r i t h m w h i c hs o l v e st h eb i gc u r v a t u r ea n dd i s t o r t i o np r o b l e m ；t h ed u m m yp o i n tb r i d g e a l g o r i t h mw h i c h s o l v e st h eb r a n c h i n gp r o b l e m ；t h et r a n s i t i o nl a y e ra l g o r i t h mw h i c h i l l a b s t r a c t s o l v e st h eh o l e si ns k e l e t o np r o b l e m ；r e f e r e n c ep o i n td a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m w h i c hs o l v e st h ed a t ar e d u n d a n c yp r o b l e m ，a l lt h e s ea l g o r i t h m se n s u r et h ea c c u r a c y o fm e d i c a li m a g er e c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，a u t h o rd e v e l o p s m e d i c a li m a g e s3 _ dr e c o n s t r u c t i o ns y s t e ma n d m e d i c a li m a g e s3 - dr e c o n s t r u c t i o ni s r e a l i z e d a f t e r3 一dv i s u a l i z a t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e d ， a ni l l u m i n a t i o nm o d e li sb u i l t t h r o u g hr a yt r a c i n ga n ds t u d y i n gt h ei n t e r s e c t i o no f r a ya n ds u r f a c e ，v e r t i c a lv e c t o ri sc a l c u l a t e da n ds u r f a c e sa t t r i b u t e sa r eo b t a i n e d i no r d e rt og e tt h et h i r dd i m e n s i o no fa ni m a g e ，r e s e a r c h e sa r em a d ew h i c h i n c l u d eh i d i n gi n v i s i b l es u r f a c e ，s u r f a c ec o l o ra n dt e x t u r em a p p i n g ，m i c r o s c o p i c s h a p e sd i s t u r b a n c em a p p i n g ，l i g h t ，s h a d ea n ds l i c ke t c a u t h o rf u r t h e rd i s c u s s e s s y s t e ms c e n en o d e sa n dd a t as t r u c t u r e ；s t u d i e s3 一ds c e n ed r a w i n ga n di n t e r a c t i o n ； e s t a b l i s h e sc o l o rd i a l o g ，m a t e r i a lw a r e h o u s ed i a l o g ，m a t e r i a ld i a l o ga n dl i g h ts o u r c e d i a l o g ；s ot h a tf u n c t i o n sl i k ef i l ei n p u t , p r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n dc u t t i n ga l er e a l i z e d a n dv i s u a l i z e d3 一ds y s t e mf o rm e d i c a li m a g e s i se s t a b l i s h e d t h ed i r e c t i o no ft i s s u ea n do r g a n p r o t o t y p i n gd i r e c t l y i n f l u e n c e st h e m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n dc o s t a u t h o rb r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o dt oo p t i m i z e t h ep r o t o t y p i n go fp o i n td a t a b a s e do np e r s p e c t i v et h e o r y , e n t i t yp o i n tl a t t i c ei s f o r m e d ，c u r v ep e a ki sb u i l t ，l a t t i c eg r i d d i n gi su s e dt or e p r e s e n tv o l u m e ，a n dt h e s e s o l v et h ep r o b l e mo fc a l c u l a t i n gt h es u p p o r tv o l u m er a p i d l yi nr e a lt i m e a f t e ra n a l y z i n gt h eo p t i m a lo b j e c tf u n c t i o n sa n ds t r a t e g y , a u t h o ra d o p t st h e g e n e t i ca l g o r i t h m ，d e s i g n ss e l e c t i o no p e r a t o r s ，c r o s sb r e e d i n go p e r a t o r s ，m u t a t i o n o p e r a t o r s ，i t e r a t i o nt e r m i n a t i o nc o n d i t i o na n dc o l o n ys c a l e s ；i m p l e m e n t st i s s u ea n d o r g a np r o t o t y p i n gd i r e c t i o no p t i m i z a t i o na n dv a l i d a t e st h er e s u l t , t h er e s u l ts h o w sa p e r f e c to p t i m i z a t i o nh a sb e e na c h i e v e d d u et oi t sc o m p l e x i t yo ft i s s u e sa n do r g a n s ，i t sd i f f i c u l tt od ot h ep r o t o t y p i n g ， a u t h o rs u g g e s t ss e g m e n t a l l ym a n u f a c t u r i n ga n de x p a n dr e l a t e ds t u d yt og e o m e t r y d i v i s i o n ，a n c h o rp o i n ts e l e c t i o n ，a s s e m b l ea n dc l a m pp o s i t i o ns t y l e ，t e c h n i c s p r o g r a m m i n ga n da s s e m b l y a u t h o ra l s os t u d i e st h ef u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g , c o m b i n e d 研t ht i s s u ea n do r g a np r o t o t y p i n gd i r e c t i o no p t i m i z a t i o n ，t i s s u e sa n do r g a n s a r em a n u f a c t u r e d a u t h o ra l s od o e sm a t e r i a ld y n a m i cm e c h a n i c a lt e s ta n dg e ti t s 1 v 一一垒望! 翌! ! 曼! t e m p e r a t u r ec h a r t ，r e s e a r c ht h ec a p a b i l i t ya n dp r o p o r t i o n i n go fb i o t i cc o m p a t i b l e m a t e r i a l sa n dd r a ws o m ed i s c i p l i n a r yc o n c l u s i o n a u t h o r sr e s e a r c hs o l v e ss e v e r a lc r i t i c a lp r o b l e m si nt h ep r o c e s so ft i s s u e sa n d o r g a n sm a n u f a c t u r i n g ，w h i c ha l et h e3 - dr e c o n s t r u c t i o na n dv i s i b i l i t y , p r o t o t y p i n g d i r e c t i o n o p t i m i z a t i o n ，s e g m e n t a l l ym a n u f a c t u r i n g ，r a p i d l ya n d a c c u r a t e l y m a n u f a c t u r i n gt i s s u e sa n do r g a n sa r er e a l i z e d k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d i g i t a l l ym a n u f a c t u r e ，t i s s u e sa n do r g a n s ，m e d i c a l i m a g e v 符号说明 符号说明 b m e b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，生物医学工程 r b 珈e v e r s ee n g i n e e r i n g ，逆向j l ：程 f d m _ f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，熔融沉积法 s l a s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，光固化成型 s dm s h a p ed e p o s i t i o nm a n u f a c t u r i n g ，形状沉积制造 i 强p 一r a p i df r e e z i n gp r o t o t y p i n g ，快速冻结成型 g a 珈e n e t i ca l g o r i t h m ，遗传算法 c s g - - - - - - - - - c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，构造立体几何法 a b 孓咱c 拶l o n i t r i l eb u t a d i e n es t y r e n e c o p o l y m e r ，丙烯腈一丁二二烯一苯乙烯共聚物 d m t a - d ”a m i em e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y s i s ，动态力学热分析 x 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：宸唬民 2 阳，年箩月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：继磅民 2 , o o j - 年岁月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在5年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：怵学位论文作者签名：往摩民 h 咚年r 只 e l撕，年擎只e 1 第1 章绪论 第1 章绪论 自工业革命以来，人类在制造领域取得了不少令人瞩目的成果，进入2 1 世 纪后，制造技术在信息化、数字化技术的推动下，更以崭新的面貌出现在世人 面前。随着制造技术同其它学科的渗透和交叉，制造技术还不断地扩大其应用 领域，生物医学工程就是数字化制造技术向医学科学渗透的成功范例。通过生 物医学工程，将制造业与生命领域的研究结合在一起，实现了生命与机械的对 话。 1 1 引言 数字化技术是以计算机硬件、软件等为技术手段，以信息科学为理论基础的 多领域技术集成，具有分辨率高、表述精度高、处理迅速等优点，给各个领域 专业技术的改造、革新提供了崭新的手段。数字化技术和各种专业技术相融合 就形成了各种数字化专业技术，如数字化制造技术、数字化设计技术等。数字化 制造就是制造领域的数字化，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科 学的交叉、融合、发展与应用的结果，也是制造系统与生产过程不断实现数字 化的必然趋势。数字化制造主要包括以c a d c a m c a e q f d d f x v m r p 以及加工 和过程仿真等为主体的骨干技术群，由c n c d n c f m c f m s w e bb a s e d 制造和机 器人、物流系统等组成的制造过程控制技术群，以及以s t e p p d m e d b 和i n t e r n e t 等为主体的制造信息支持技术群。现代制造正从技艺、技术走向科学，“数字 化”是建立制造科学理论体系的关键，它将贯穿设计、制造和控制等整个制造 过程。 随着数字化制造技术的发展，正向工程在某些方面逐渐显露出不足，逆向 工程技术逐渐得到了广泛的应用n 】。逆向工程是将产品样件转化为c a d 模型的 相关数字化技术和几何模型重建技术的总称心1 ，它利用三维激光扫描仪或者三 坐标测量仪对物体表面进行三维扫描或测量，获得物体的三维点群数据，再利 用逆向工程软件对获得的三维扫描数据进行整理、编辑、获取所需的三维特征 第1 章绪论 曲线，最终通过三维曲面表达出物体的外形口】，为后续的设计或者加工做准备n 】。 逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程，包括了从测量数据采集、 处理到c a d c a m 系统，最终与p d m 系统融合的过程哺1 。 在揭示各种自然奥秘的同时，人们也在积极地探索人体自身的奥秘。为了 解释和解决人类生命现象中各种问题，人们不断应用其它现代科学技术，使各种 门类的学科相互交叉与渗透，形成了一门理工医相结合的交叉学科生物医 学工程b m e 。b m e 综合运用现代工程技术的相应理论和方法，从工程学的角度深 入研究人体组织、器官的结构功能以及相互之间的关系，以解决医学中的有关问 题，是研究人体结构功能和其他生命现象的理工医相结合的边缘性学科。b m e 孕 育于1 9 世纪。1 8 9 5 年x 射线被发现，x 光机很快进入医学临床，开创了医学图 像学，现代b m e 逐步形成，至2 0 世纪5 0 年代形成学科领域。7 0 年代，b m e 引入 我国，并得到迅速发展。生物医学工程与其他学科关系密切，涉及的领域十分 广泛，同时，在不断发展过程之中，又都有各自的主要矛盾。如组织器官的制造 涉及到安全可靠性，与自身组织的相容性、功能的完善性以及价格的可行性等问 题c a ab m e 是生命科学的重要领域，是工程技术向医学科学渗透的必然结果。近 代工程技术和理论的发展需要开拓新领域、研究新问题：医学科学的进一步完 善和发展需要接受新理论、新方法和新技术，这是形成渗透的必然原因。它将现 代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代医 学具有极其重要意义的新兴学科，在诊断、治疗、手术等方面为临床医学提供强 有力的各种仪器设备和器械，为基础医学提供手段和工具支持。 生物医学工程需要对组织器官进行制造，而组织器官的制造需要c a d 模型。 实际上我们获得的信息除各种数据类型的三维模型外，更多面对的可能并非c a d 模型，而是实实在在的实物模型或者医学图像h 1 ，有时，甚至可能连实物模型 或者医学图像也不存在，这就为后续工作中采用先进的设计手段和制造技术带 来了很大的障碍，因此，必须采用逆向工程( r e ) 方法口3 ，通过各种测量手段及 三维几何建模方法，将原有实物( 模型或医学图像) 转化为计算机上的三维数 字模型凹】【m 】，再进行数字化制造。生物医学模型通过数字化测量设备获取表面 的空间数据，以及医学图像通过边缘提取等一系列工作获得的边缘点群数据， 都需要利用逆向工程技术获得其c a d 模型，进而利用c a m 系统完成制造。因此， 基于逆向工程的方法来研究生物医学中的组织器官数字化制造十分必要，无论 对制造领域，还是对医学领域都具有重要的现实意义。 2 第l 章绪论 1 2 国内外相关研究现状 本文的研究涉及到组织器官数字化制造过程中的关键技术，包括医学图像 的分割、重建、可视化，制造过程中的建模、优化，以及最佳制造方案设计等。 其相关研究的进展如下： 1 2 1 医学图像的分割与边缘提取 医学图像分割是在图像中对所关心的目标的定位。显然，只有把“感兴趣 的目标物体 从复杂的图像中提取出来，才有可能进一步对各个子区域进行定 量分析或者识别，进而对图像进行理解。图像分割方法可以分为两种体系：以 计算机为单一执行者的自动分割方法和人机结合的交互式分割方法。自动分割 方法完全由计算机自主完成目标的分割任务，不需要人的参与。但是，目前计 算机自主分割的结果不能令人满意，准确性不能满足医学图像的应用要求。因 而，对交互式分割方法的研究逐渐成了医学图像分割的研究重点c i o 。 下面是一些有代表性的图像分割方法及其进展情况。 1 2 1 1 基于区域的分割方法 基于区域的分割方法通常利用同一区域内的均匀性来识别图像中的不同区 域。目前的研究主要集中在以下几个方面： 阈值分割法常用于医学图像中皮肤、骨骼的分割，不适用于多通道图像和 特征值相差不大的图像，对于图像中不存在明显灰度差异或各物体的灰度值范 围有较大重叠的图像分割问题难以得到准确的结果。另外，由于它仅考虑图像 的灰度信息而不考虑图像的空间信息，阂值分割对噪声和灰度不均匀很敏感1 1 2 。 因此，一些学者提出了进一步改进方法，如：基于过渡区的方法利用了一些像 素领域的局部信息c t 3 变化闽值法利用像素点空间位置信息的变化u ，此外， 还有结合局部灰度n 5 1 和连通信息的阈值方法等n 副。 区域生长法计算简单，特别适用于分割小的结构u ”，往往与其他分割方法 一起使用，其研究重点是特征度量和区域增长规则的设计，以及算法的高效性 和准确性。缺点是必须在每个需要抽取的区域内植入一个种子点，对噪声敏感， 导致抽取的区域有空洞，或者在局部体效应的情况下将原本分开的区域连接起 3 第1 章绪论 来。为了克服这些缺点，j f m a n g i n 等提出一种同伦的区域生长法n 引，以保 证初始区域和最终抽取区域的拓扑结构相同。另外，模糊连接度理论与区域生 长法相结合也是一个发展方向n 9 1 。 此外，还有一些其它的区域分割方法。在分裂合并法中，输入图像往往先被 分为多个相似的区域，然后类似的相邻区域根据某种判断准则迭代地进行合并 啪】。该法不需要预先指定种子点，但分裂可能会使分割区域的边界被破坏；分 类器法不需要迭代运算，计算量相对较小，但没有考虑空间信息，因此对灰度 不均匀的图像分割效果不好；聚类算法同样没有考虑空间关联信息，因此也对 噪声和灰度不均匀敏感。近年来，出现了可以提高聚类算法对图像灰度不均匀 和噪声的鲁棒性的一系列方法。不均匀图像可以先用校正算法消除偏场效应口， 再运用标准的分割算法。还有一些方法在分类的同时补偿偏场效应，其中最有 名的是自适应分割方法，其在分类的同时采用e m 算法估计图像的偏场，此方法 可以得到基于后验概率的模糊分类，但对大多数的数据集仍然需要一些人工交 互提供训练数据吻】；标记法将图像欲分割成的几个物体各以一个不同的标号来 表示，对图像中的每一个像素，用一定的方式赋予其中一个标号，标号相同的 像素就组成该标号所代表的物体；基于随机场的方法从统计学的角度出发对数 字图像进行建模，把图像中各个像素点的灰度值看作具有一定概率分布的随机 变量；混合分布法把图像中每一个像素的灰度值看作几个概率分布按一定比例 的混合，通过优化基于最大概率的目标函数来估计这几个概率分布的参数和它 们之间的混合比例。 1 。2 1 2 基于边缘的分割方法 图像区域边缘上的像素灰度值的变化往往比较剧烈，基于边缘的分割法试图 通过检测不同区域间的边缘来解决图像分割问题。 边缘检测技术可以按照处理顺序分为串行边缘检测及并行边缘检测。在串行 边缘检测技术中，当前像素是否属于欲检测的边缘取决于先前像素的检测结果； 而在并行边缘检测技术中，一个像素是否属于检测的边缘只与当前像素及其相 邻像素有关，同时对图像中的所有像素进行检测。并行微分算子利用相邻区域 的像素值不连续的性质，采用一阶或二阶导数来检测边缘点。常用的一阶导数 算子有：梯度算子、r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子等，二阶导数算 子有：l a p l a c i a n 算子、k i r s c h 算子等。 4 第1 章绪论 1 2 1 3 其它图像分割方法 在基于形变模型的技术中，通过使用从图像数据获得的约束信息和目标的位 置、大小以及形状等先验知识，可有效地对目标进行分割、匹配和跟踪分析。 形变模型包括二维形变轮廓模型和三维形变曲面模型，还有一些利用形状先验 知识和使用点集合先验知识的改进模型m 。 图像引导法在分割的同时，分割出来的每一类对应的解剖部位也惟一地确定 了。但是，由于人体解剖结构的千差万别，完全用简单的映射关系来对所有的 图像进行分割，在实现上是很困难的。这一点现在仍没有很好地解决。 模糊阈值技术利用不同的隶属函数来定义模糊目标，通过优化过程最后选择 一个具有最小不确定性的隶属函数，该函数增强目标及属于该目标的像素之间 的关系，函数的交叉点为阈值分割需要的阈值，困难在于隶属函数的确定阿】 2 引； 模糊c 均值聚类法计算量大，不具备实时性，算法中的一些主要参数的选取还 没有成熟的理论可供指导：j u d u p a 提出用模糊连接度来描述目标对象，该方 法在医学图像的分割问题中取得了较好的结果哺3 0 在基于神经网络方法的研究中，b l a n z 和g i s h 利用前向三层网络来解决分 类问题，输入层的各个节点对应像素的各种属性，输出层结果为像素的类别乜7 1 。 b a b a g u c h i 则使用多层网络且用反向传播方法对网络进行训练，其输入为图像的 灰度直方图，输出为用于阈值分割的阈值汹3 。s h a h 将边缘检测问题转换为能量 最小化问题，利用网络技术来提取边缘晒，。 形态学理论在图像分割中比较有代表性的是l u cv i n c e n t 等人提出的水线算 法，又称分水岭方法哪! 。经过分水岭方法处理后，将输出原始图像的过度分割 图，分割的区域数目超过图像中包含的实际对象，过度分割的区域数目取决于 淹没水平面的高度值参数的大小。虽然水线算法已成功用于图像分割，但需要 用户的交互或者准确的关于图像结构的先验知识。为改进这些问题，水线算法 通常与其他方法结合使用。n g i o r d a n a 和w p i e c z y n s k i 提出了一种基于水 线算法的松弛标号法c 3 1 , b c h a n d a 给出了一种基于形态学算子的多尺度滤波 算法 3 2 j , h a r i s 提出将水线算法与分层区域合并方法结合的算法。 1 2 2 医学图像的三维重建及可视化 医学图像的三维重建及可视化是医学图像处理的主要目的，常用方法大致分 5 第1 章绪论 为面绘制和直接体绘制二大类。 面绘制有多种算法，各种算法的不同点在于所采用的近似表面的几何单元不 同或几何单元尺度的选择不同，目前最多的是以三角形作为拟合单元的算法。 连接轮廓线法嘲1 占用存储少、速度快、便于进行三维实时旋转操作，而且可以 纠正由于分类不当导致的错误结果，该算法中两相邻层轮廓线对应点的确定和 连接问题是难点：o e l a u n a y 三角形法解决了系列表面轮廓的三维连通性问题， 用三角形或多边形的小平面( 或曲面) 在相邻的边界轮廓线间填充形成物体的表 面，得到分片光滑的表面；l i n 采用从轮廓出发的b 样条插值重建算法，得到了 整体光滑的表面。 体绘制法计算量大，图像生成速度慢，不能够灵活地改变外部光照及视角， 在实时显示的场合难以胜任哺1 ，而且受到硬件技术发展的限制。以图像空间为 序的体绘制法按由前到后或由后到前两种顺序，将一条光线上的采样点的颜色 和不透明度进行合成，从而计算出屏幕上该象素点的颜色值；以物体空间为序 的体绘制法按数据点在空间中的先后遮挡顺序，合成计算不透明度和颜色，最 后得到图像；“m a r c h i n gc u b e 算法嘲1 避免了相邻切片间等值线连接的困难， 可以直接生成三维的等值曲面，是一种精确定义体素及其体素内等值面的方法， 很多人在它的基础上进行了研究，如今已经成为最流行的三维体绘制方法，在 许多软件中也有应用：移动立方体法可以获得较高分辨率的图像，图像生成速 度快，易交互。但在相邻体元的共享面存在4 个交点时，会产生歧义面，从而 生成错误表面。针对这一问题，提出了分解立方体法m 1 ，即将立方体分解，直 到像素大小，以直接绘制表面点旧1 。 国内在医学图像三维重建及可视化研究方面，浙江大学、清华大学、东南大 学、上海交通大学、中科院自动化所等均作了大量研究工作，开发了一些医学 实验系统，但目前国内尚无成熟的商用系统。 1 2 3 组织器官制造 早期的人体器官模型，大多是用手工制作出来的。随着c t 技术的成熟，到 上世纪8 0 年代初期出现了新的方法，按c t 扫描的层面信息驱动数控铣床加工 与c t 扫描等厚的薄片，然后叠装而成人体模型。但人体器官和骨骼的几何形状 非常复杂，数控编程的难度很大而且，薄片数量太多，工作量很大。 6 第l 章绪论 近年来，随着快速成形技术与逆向工程技术的发展，将两者结合起来制造医 学模型已有了长足的进步，有大量的与此相关的报道。 制造方法方面：采用基于c t 断层图像的下颌骨及牙列三维重建数据，利用 l o m 法复制下颌骨及牙列，得到下颌骨及下牙列的快速原型模型1 ；运用原位 设计和个性化制造技术完成人体下颌骨的个体匹配，制造具有个体形状的下颌 骨人工植入体c o lc 4 1 c 4 z 采用纳米羟基磷灰石胶原自组装材料，在成形过程中 加入聚左旋乳酸，制造组织工程框架，可以在组织中形成可控大孔隙和孔隙梯 度结构h 3 】 “1 ：应用组织工程材料制造微观组织结构和生理功能等方面均与人骨 高度相似的人工骨，适时降解并诱导成形h 引：还有采用电化学原位沉积法制备 仿真骨科材料m 1 。 支架材料方面：骨、软骨组织工程支架材料分为生物降解材料和非生物降解 材料二类，生物降解材料包括纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、壳聚糖等， 非生物降解材料包括高聚物、金属材料、生物陶瓷等：除人工合成的聚合物类 材料外，一些天然生物材料也可作为骨组织工程理想的支架材料n 。 就耳廓缺损治疗方案来看，常用二种方法：手术治疗和安装赝复耳。前者由 于耳廓形态结构精细复杂，耳廓再造术是整形外科医生最具挑战性的手术之一， 后者的传统作法是根据患者健侧耳廓模型形态，从已经取得的对侧正常耳廓模 型中选取合适的模型，经修改，翻制成硅橡胶耳廓赝复体，但由于耳廓形态复 杂，要达到满意的效果，更多地依靠技工的操作和美学素养，耗时费力，逼真 性不够。 综上所述，在组织器官的数字化制造方面，至今仍有许多问题没有很好地解 决。首先，逆向工程技术在组织器官数字化制造领域的应用还不够成熟，还有 许多问题需要解决，逆向工程技术的优势还没有很好地发挥旧1 ；其次，在医学 图像的分割与边缘提取方面，虽然人们研究了许多的算法，但这些算法在应用 时都或多或少存在着局限性，各有各的适用范围，并没有一个研究明确地指出 哪一种算法或哪几种算法非常适合于医学图像的处理；第三，在医学图像的三 维重建及可视化方面，无论是采用体绘制方法，还是采用面绘制方法，都存在 着制约因素，还有一些重建过程中的具体问题没有解决1 ；第四，国内现有图 像采集设备图像平台的开放性差，给医学图像的三维重建带来很大困难；第五， 在组织器官的制造方面，尽管对成形工艺、成形材料也有许多的报道，但仍然 不够理想，大多停留在理论上，真正用于人体的并不多，因此，还有很长的路 7 第1 章绪论 要走。 基于以上原因，本文试图对组织器官制造过程中一些还没有解决的问题进行 探索，希望通过本文的深入研究，能够使组织器官的制造技术得到提高，制造 出更加实用的组织器官。 1 3 主要研究内容及思路 本课题是浙江省自然科学基金资助项目“快速原型技术在组织器官数字化 修复中的应用 ( 项目号：5 0 2 1 4 0 ) 和宁波市青年博士基金资助项目“人耳支架 微小熔滴挤压成形制造研究 ( 项目号：2 0 0 3 a 6 2 0 2 1 ) 的重要组成部分。其目的 在于借助逆向工程的基本原