逆向工程在医学上的应用

　　【摘要】  本文介绍了逆向工程技术在医学上的工程应用原理和目前应用的关键技术及现状，并对其在医学领域的假体设计、制作、植入及外科手术规划等方向的应用做了简述，对其良好的发展前景做了展望。
   
　　【关键词】  逆向工程;医学影像;快速成型;CAD/CAM
   
　　在机械制造领域取得很大的发展的同时，近年来随着生物材料技术和医学影像技术的发展，逆向工程技术在医学上的应用也引起了人们的关注。本文叙述了逆向工程技术在医学上的应用原理、应用现状及未来的发展。

　　1  逆向工程原理简介

　　在机械领域中，逆向工程(reverse engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的模型，利用各种数字化设备对现有的实物进行扫描和测量，获得密集的空间点资料，然后通过计算机技术处理得到实物对象的数字模型和三维实体造型的过程。一般可分为四个阶段。

　　1.1  零件原形的数字化  通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来测量获取零件原形表面点的三维坐标值。此外还有层析法、光学测量、CT断层扫描图像法、立体视觉测量法等来获取原形的数字信息。

　　1.2  从测量的数据中提取零件原形的几何特征  当零件原形数字化测量后形成一系列的空间点信息，应用计算机技术，采用几何特征匹配与识别等方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征，可为构造零件原形的CAD模型打下基础。此过程中最关键也最复杂的是计算机的数据分割、拟合技术。分割技术一般可以分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。其中基于边界的分割法首先估计出测量点的法向矢量或曲率，然后根据将法向矢量或曲率的突变处判定为边界的位置，并经边界跟踪等处理方法形成封闭的边界，将各边界所围区域作为最终的分割结果。这种方法易受到测量噪声的影响。特别是对于型面缓变的曲面该方法将不再适用。基于区域的分割法是将具有相似几何特征的空间点划为同一区域，由于这种方法分割依据具有明确的几何意义，因此是目前较为常用的分割方法。曲面拟合可以分为插值和逼近两种方式。使用插值方法拟合曲面通过所有数据点，适合于测量设备精度高，数据点坐标比较精确的场合；使用逼近的方法所拟合的曲面不一定通过所有的数据点，适用于测量数据较多，测量数据含噪声较高的情况。

　　1.3  零件原形CAD模型的重建  将分割拟合后的三维数据在CAD系统中做表面模型的曲面接合，并通过各表面片的求交与拼接可获取零件原形表面的CAD模型。目前逆向工程中的建模过程仍使用常用的CAD/CAM软件如UG、PRO/E、SOLIDWORKS等机械设计领域的成熟大型软件，一来是因为逆向工程起源于机械设计制造领域，二来是方便实物对象的下一步制造。

　　1.4  新建CAD模型的检验与修正  采用根据获得的CAD模型加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标，对不满足要求者,重复以上过程，直至达到零件的设计要求。此过程中需要和现有的技术如快速成型技术、数控加工技术结合来加工样品，以提高精度和速度。

　　2  逆向工程在医学上应用的技术现状

　　虽然由于医学上对生物材料和医学影像精度的要求较高和逆向工程在医学上的应用过程复杂，对操作员的要求较高，目前逆向工程在医学上的应用大多还处在研究阶段。但我们也应该看到逆向工程在医学上应用当前正处于将取得突破的临界点，具有很大的应用前景。目前国内外的研究主要有三个方向：(1)模仿逆向工程的一般过程，利用现有成熟技术如CAD软件、快速成型、数控加工等来形成研究过程链，把原始断层影像信息经处理与之结合，达到医学模型三维重建应用的目的。此方法的特点是易于快速应用，但过程复杂。目前大多研究还停留在此阶段，主要原因是逆向工程在医学上的应用研究才起步，通过此方法可积累经验。目前此过程的关键是医学断层数据与UG等自带的逆向工程软件如Imageware的结合。(2)综合性软件的研究开发。综合性软件集成断层影像数据读取、数据分割拟合、3D重建等功能，可从断层数据直接生成快速成型设备和数控设备可识别的数据，方便医学应用。目前具有代表性的是Materialise公司的MIMICS软件，其在逆向工程的医学应用领域有一定的通用性，为医院各科室的医学应用研究提供了一个平台。(3)专门针对某一应用的专业性软件的研究开发。这方面主要集中在3D影像重建应用较成熟的领域如口腔科等。

　　目前在逆向工程的医学应用方面的相关软件较多，如有MIMICS、Geomagic、Imageware、Rapidform、QuickForm、MRCAS、Surface等，但在医学上实际应用程度、与医学数据的兼容性存在很大差别。其中较有代表性的有比利时Materialise公司的MIMICS软件。MIMICS是Materialise公司交互式医学图像控制系统的简称，其相对而言较成熟、应用功能较多，下面介绍一下其基本功能。

　　MIMICS是用于医学CT、MRI图像三维重建的专业软件。有4个主要模块：(1)CT-Convert模块：读取CT等医学断层图像数据为Materialise图像格式的软件工具。(2)CTM模块：插入医学分层数据为很薄层面，可直接与大部分RP系统形成接口。(3)Csup模块自动计算RP模型制作时所需要的支撑结构。(4)MedCAD模块使医学扫描数据成为可以在任何CAD系统中直接进行定制假体设计的表面文件。

　　MIMICS的特点：(1)输入图像——自动格式识别：Mimics能够输入多种数据格式，诸如PHILIPS、GE、Hitachi、Picrer、SIEMENS、TOSHIBA、Elscint、SMS等，并提供了自定义输入的工具,Mimics自动对数据格式进行检测，并转换成自身的文件格式。（2）图像处理——得到最佳结果的有力工具：Mimics提供了多种工具,去增强由CT或MRI扫描产生的图像数据的质量。三维重构——快速计算和全真的旋转：在图像处理过程结束后，Mimics用设定的图像分辨率和过滤器对选定的区域计算三维模型。重构的结果可在任何一个窗口内显示，能随意旋转这些模型并能够将其设置为全透明或者深度渲染。（3）快速原型的界面——最佳精度的直接接口：Mimics可将图像文件直接转换成快速原型设备所需要的切片文件格式(如CLI,SLI,SSL),从而得到了最佳精度。也能提供标准的三维文件格式如STL或VRML。强大的自适应滤波功能能够明显减少文件的大小。（4）医疗模型——先进的特征和着色：作为CT或MRI扫描仪数据的最终三维表示，这些模型被用作复杂外科手术的准备和预演,同时也可帮助定制移植物的设计和制造。借助于其基本工具，Mimics可对模型进行标记，这些标签将被印在模型里或通过使用一定的树脂使它们着色，特殊的区域如肿瘤或者神经区域等也都能用不同的颜色显示出来。

　　我国上海交通大学逆向工程在医学上的应用起步较早，与临床结合好，已取得很多实际成果，如开发了与Mimics功能相近的Quickform软件，并应用于临床，取得很大的成功，在国内影响很大。

　　3  逆向工程的医学应用的几个方向

　　本文中医学应用领域的逆向工程是指相对广义而言的,突破了制造领域的定义而取其原理，同时也结合了快速成型技术、数控加工技术的概念。目前在医学上主要是骨相关的三维建模，具体步骤一般如下：（1）给病人做CT或MRI等影像检查扫描，获得所需解剖部位的影像断层数据；（2）对每层医学图像做轮廓化处理，生成边缘轮廓。这一过程可以根据灰度值自动进行，也可人为干预；（3）将处理好的断层轮廓图像按应有间距堆栈，得到所需观察骨骼的三维线框图，假体设计可以依据该线框图进行；（4）将该线框图转化成STL文件，即可输入快速成型设备，制作出骨的实体模型。医生和工程师们可以直接利用该模型做出假体设计及其他应用，也可输入CAD软件供修改研究。

　　目前逆向工程的医学应用的几个方向主要在以下几个方面：（1）设计和制作可植入假体其制作过程为：①来源于CT的数据转换成STL数据；②利用RP技术制作缺损部位原型;③采用硬质石膏、硅橡胶等材料和相关方法翻模；④制作熔模并进行熔模铸造制作假体；(2)外科手术规划及复杂外科手术教学往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。由于有了解剖模型，医生可以有效地与病人沟通，此外，医生在手术之前可利用模型进行手术规划，这在很多复杂手术中显得非常重要。同时利用三维模型进行演练教学也是一个重要的发展方向。(3)人体的力学分析研究利用人体骨的三维模型进行力学分析研究也是当前的一个方向，目的是建立人体的运动力学模型，这对人体仿生、运动功能修复等都有深远意义。

　　以上应用中以设计和制作可植入假体的应用最为广泛，在关节外科、颌面外科、口腔科、整形外科等都有不同程度的应用；主要满足三类病人的手术需求：骨外伤缺损者、骨手术切除者和先天的畸形。当前的应用有：骨盆骨折；髋关节发育异常、无菌坏死；脊柱损伤及先天性和退行性脊柱疾病；头颅整形；颅骨骨结合；颅骨和颌面部肿瘤；鼻修复；先天性和后天性远端尺桡骨端畸形；足畸形等。其中口腔医学的逆向工程应用较成熟，一般结合快速成型技术为口腔医学服务。如术前得到患者颅骨实物。主要技术步骤是患者CT三维数据，计算机三维重建，数据处理后转换为快速成型设备可接受的数据，然后加工。也可用于赝复体的制造。北京大学口腔医学院已实施多例。当前的任务是提高制造精度以满足更高的要求。

　　4  发展前景

　　逆向工程在医学上的应用是一门边缘学科，涉及到机械工程、生物材料科学、医学工程和医学的不同领域，其应用领域和深度也将随着各学科的发展而发展，尤其是生物材料科学和医学影像技术的发展。生物材料科学发展的重要性不言而喻，而且也是制约逆向工程医学应用的重要因素之一，当前已经有一些实用化的骨材料等在临床广泛应用。现阶段制约逆向工程技术临床应用的还有CT、MRI等影像数据的精度问题，相信随着CT、MRI技术的进步，这一矛盾终将克服。

　　随着逆向工程在医学上的应用和研究的不断进步，在各大学、研究机构和各公司的大力开发支持下，逆向工程在医学上的应用必将更加专业化、系统化，相信专门针对某一方面医学应用的专业软件也将大放异彩。

　　（编辑：江  宇）

　　作者单位： 830008 新疆乌鲁木齐，新疆大学机械工程学院（△通讯作者）