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”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 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