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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