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摘 要：多数股骨远端骨折病例是由于骨质疏松、长期过载负荷、直接暴力和间接暴力等造成的。随着现代社会生活方式不断改变，由于交通事故、运动竞技及高能量暴力等造成股骨远端骨折的发生率显著增高[2-3]。微创接骨板是连接股骨远端的医疗器件。本文在充分研究人体股骨及附属结构的基础上，运用逆向工程技术对微创接骨板和人体股骨进行设计。
关键词：微创接骨板；反求设计
一、微创接骨板的反求设计
1、三坐标测量机采集技术
2、数据采集
首先启动Scan3-Dnow程序后，将系统坐标同时归零，接着开始测量模型，将获得的数据存到程序文件中，在完成点资料转换之后，获得点云数据。
3、点处理阶段
采取任何一种测量技术，在数据采集过程中都可能采集到杂点、噪点甚至是误采集的数据；而且根据不同的测量目的，最终需要的点数据的数量、点云中点的间距均有不同要求，这些数据需要我们借助软件进行点云处理。
1）.合并点对象
数据采集过程中，当扫描设备不能一次将物体的面积全面采集，不能一次将物体的整体点云获取时，需要对物体进行多位置分区扫描，这样就得到了物体的各局部数据，要想得到模型的完整数据，就需要我们对扫描数据进行注册处理。
启动Geomagic Studio软件，打开LISS接骨板扫描数据中上侧的数据，显示在工作区域的点云。在菜单中依次选择“文件>>导入”，根据弹出的导入对话框导入其他侧数据，这样全部分区的数据都显示在工作区域。选择所有需要注册的所有点云进行手动注册，在模型管理器弹出下图的单选窗口。
2）.降噪处理
为了便于识别点云数据中的噪点，通过依次点击“工具栏>>工具>>颜色>>编辑颜色”、进行着色。
在降噪阶段会用到以下四个命令：a）选择非连接项，用于选取与物体一定数量的点形成点群分离的杂点以便后续操作。b）选择孤立点，用于选择与大多数点云有较远距离的孤立点。c）减少噪音，该命令用于减少扫描过程中产生的噪点数据。d）采样，通过自定义方式实现点云优化的一种方法，直接点击工具栏中“统一采样”，根据点云的个数定义采样间距，其余默认设置。
3）.封装数据
按照最优原则，将所有点云每三个点结合形成一个面片连接起来。
4、多边形处理阶段
封装后需要对多边形进行处理才能得到理想的模型。多边形阶段的主要流程为创建流型——填充孔——去除特征——砂纸打磨——松弛多边形——修复相交区域——编辑边界。
5、形状处理阶段
形状处理阶段主要任务是在上一步操作得到光滑多边形的基础上，通过创建曲面片，并对曲面片进行移动，构建顺滑的NURBS曲面。通过上述处理得到的LISS接骨板的三维实体模型。
二、股骨三维模型的建立
1、数据采集
股骨的数据采集工作是借助天津某医院旋转CT机完成的。在相关医生的指导下对年龄30岁，身高1.74米，股骨无疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨长轴方向做切断面的扫描。在扫描电压120KV，电流200mA，扫描层厚1 mm，扫描层数200层，得到连续横断面图像以及矢截面图像，并将扫描的数据以DICOM格式进行存储。
2、股骨模型的初步建立
在Mimics软件中通过导入扫描图片操作导入股骨CT数据，设定图片转换相关项目包含像素、格式及坐标等，完成转换，转换生成的股骨冠截面图和矢截面图。
Mimics中股骨模型的具体构建过程主要分以下步骤。
1）.阈值处理
首先根据不同组织具有不同灰度，利用阈值设定来提取股骨组织。
2）.编辑操作
经过阈值设定生成的股骨图像中间存在一些空洞，需要利用图像编辑功能仔细地逐图进行修改，以便得到准确的CT图像。图1为空洞填补前后对比效果图，如果不进行处理对后续ANSYS会有很大影响。
（a） Before （b） After
图1 空洞填补前后对比效果图
3）.区域增长
区域增长可以理解为对初步阈值分割蒙板上不连接的分割区域进行进一步细分。
4）.蒙罩
为了方便区分不同结构，蒙罩操作能把不同的颜色随机蒙罩在不同组织上，股骨蒙罩的效果如图2所示。
图2 蒙罩后的股骨图
5）.三维计算
通过对蒙罩的股骨进行三维计算能清楚地、直观地显示出股骨结构形态。
6）.三维模型优化
点击“重新划分网格”，在Remech 9.9模块中对股骨模型进行网格重新划分，主要应用“光滑（smoothing）”命令细化网格，优化后的股骨结构的三维形态。
3、股骨三维模型成体
由于股骨结构曲面复杂，在Mimics处理之后并不能得到理想图像。所以将模型以“*.igs”导入Geomagic Studio中进行模型成型处理。在微创接骨板反求设计时已经叙述了详细步骤，这里就不再叙述。
将获得的CT图像根据重新设置灰度值并结合解剖学知识，分离出松质骨轮廓。重复上述股骨模型的建立过程，可以完成松质骨模型的建立，为下一章进行ANSYS力学分析将股骨赋值成多材料做好准备。
总结
本文首先介绍了三坐标测量机测量系统，微创接骨板的数据采集及关键技术，接着详细叙述了如何将扫描的微创接骨板点云导入逆向工程软件并反求三维模型的操作过程；然后介绍了旋转CT断层摄影技术及股骨数据采集，以及在MIMICS软件重建股骨和松质骨模型的操作过程。
参考文献
[1] 杨建鑫，马超，张春林.生物力学的发展现状和未来趋势[J].临床合理用药，2010， 3（1）：127-128.
[2] 侯树森，主编.创伤骨科学.北京：人民军医出版社，2002.8
[3] Xia Dongsheng，Nie Feng，Wei Xuejie. Treatment of complex fractures of distal femur by LISS [J] ZH J J Traumatic， 2007， 12（6）： 501.
[4] 熊雁，赵玉峰，王子明等.点接触锁定加压接骨板固定骨质疏松粉碎性桡骨骨折的生物力学特性[J].医用生物力学， 2009，（6）
[5] 熊雁，点接触锁定接骨板系统的三维有限元分析及生物力学研究[D].第三军医大学博士论文，2009：5.
关键词：微创接骨板；反求设计
一、微创接骨板的反求设计
1、三坐标测量机采集技术
2、数据采集
首先启动Scan3-Dnow程序后，将系统坐标同时归零，接着开始测量模型，将获得的数据存到程序文件中，在完成点资料转换之后，获得点云数据。
3、点处理阶段
采取任何一种测量技术，在数据采集过程中都可能采集到杂点、噪点甚至是误采集的数据；而且根据不同的测量目的，最终需要的点数据的数量、点云中点的间距均有不同要求，这些数据需要我们借助软件进行点云处理。
1）.合并点对象
数据采集过程中，当扫描设备不能一次将物体的面积全面采集，不能一次将物体的整体点云获取时，需要对物体进行多位置分区扫描，这样就得到了物体的各局部数据，要想得到模型的完整数据，就需要我们对扫描数据进行注册处理。
启动Geomagic Studio软件，打开LISS接骨板扫描数据中上侧的数据，显示在工作区域的点云。在菜单中依次选择“文件>>导入”，根据弹出的导入对话框导入其他侧数据，这样全部分区的数据都显示在工作区域。选择所有需要注册的所有点云进行手动注册，在模型管理器弹出下图的单选窗口。
2）.降噪处理
为了便于识别点云数据中的噪点，通过依次点击“工具栏>>工具>>颜色>>编辑颜色”、进行着色。
在降噪阶段会用到以下四个命令：a）选择非连接项，用于选取与物体一定数量的点形成点群分离的杂点以便后续操作。b）选择孤立点，用于选择与大多数点云有较远距离的孤立点。c）减少噪音，该命令用于减少扫描过程中产生的噪点数据。d）采样，通过自定义方式实现点云优化的一种方法，直接点击工具栏中“统一采样”，根据点云的个数定义采样间距，其余默认设置。
3）.封装数据
按照最优原则，将所有点云每三个点结合形成一个面片连接起来。
4、多边形处理阶段
封装后需要对多边形进行处理才能得到理想的模型。多边形阶段的主要流程为创建流型——填充孔——去除特征——砂纸打磨——松弛多边形——修复相交区域——编辑边界。
5、形状处理阶段
形状处理阶段主要任务是在上一步操作得到光滑多边形的基础上，通过创建曲面片，并对曲面片进行移动，构建顺滑的NURBS曲面。通过上述处理得到的LISS接骨板的三维实体模型。
二、股骨三维模型的建立
1、数据采集
股骨的数据采集工作是借助天津某医院旋转CT机完成的。在相关医生的指导下对年龄30岁，身高1.74米，股骨无疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨长轴方向做切断面的扫描。在扫描电压120KV，电流200mA，扫描层厚1 mm，扫描层数200层，得到连续横断面图像以及矢截面图像，并将扫描的数据以DICOM格式进行存储。
2、股骨模型的初步建立
在Mimics软件中通过导入扫描图片操作导入股骨CT数据，设定图片转换相关项目包含像素、格式及坐标等，完成转换，转换生成的股骨冠截面图和矢截面图。
Mimics中股骨模型的具体构建过程主要分以下步骤。
1）.阈值处理
首先根据不同组织具有不同灰度，利用阈值设定来提取股骨组织。
2）.编辑操作
经过阈值设定生成的股骨图像中间存在一些空洞，需要利用图像编辑功能仔细地逐图进行修改，以便得到准确的CT图像。图1为空洞填补前后对比效果图，如果不进行处理对后续ANSYS会有很大影响。
（a） Before （b） After
图1 空洞填补前后对比效果图
3）.区域增长
区域增长可以理解为对初步阈值分割蒙板上不连接的分割区域进行进一步细分。
4）.蒙罩
为了方便区分不同结构，蒙罩操作能把不同的颜色随机蒙罩在不同组织上，股骨蒙罩的效果如图2所示。
图2 蒙罩后的股骨图
5）.三维计算
通过对蒙罩的股骨进行三维计算能清楚地、直观地显示出股骨结构形态。
6）.三维模型优化
点击“重新划分网格”，在Remech 9.9模块中对股骨模型进行网格重新划分，主要应用“光滑（smoothing）”命令细化网格，优化后的股骨结构的三维形态。
3、股骨三维模型成体
由于股骨结构曲面复杂，在Mimics处理之后并不能得到理想图像。所以将模型以“*.igs”导入Geomagic Studio中进行模型成型处理。在微创接骨板反求设计时已经叙述了详细步骤，这里就不再叙述。
将获得的CT图像根据重新设置灰度值并结合解剖学知识，分离出松质骨轮廓。重复上述股骨模型的建立过程，可以完成松质骨模型的建立，为下一章进行ANSYS力学分析将股骨赋值成多材料做好准备。
总结
本文首先介绍了三坐标测量机测量系统，微创接骨板的数据采集及关键技术，接着详细叙述了如何将扫描的微创接骨板点云导入逆向工程软件并反求三维模型的操作过程；然后介绍了旋转CT断层摄影技术及股骨数据采集，以及在MIMICS软件重建股骨和松质骨模型的操作过程。
参考文献
[1] 杨建鑫，马超，张春林.生物力学的发展现状和未来趋势[J].临床合理用药，2010， 3（1）：127-128.
[2] 侯树森，主编.创伤骨科学.北京：人民军医出版社，2002.8
[3] Xia Dongsheng，Nie Feng，Wei Xuejie. Treatment of complex fractures of distal femur by LISS [J] ZH J J Traumatic， 2007， 12（6）： 501.
[4] 熊雁，赵玉峰，王子明等.点接触锁定加压接骨板固定骨质疏松粉碎性桡骨骨折的生物力学特性[J].医用生物力学， 2009，（6）
[5] 熊雁，点接触锁定接骨板系统的三维有限元分析及生物力学研究[D].第三军医大学博士论文，2009：5.