三维头颅模型修复与打印制造(附件)
本课主要题探讨颅颌面创伤后骨缺损的修复方法与过程，首先，以二维CT序列重建出的三维颅骨模型作为输入数据，采用局部拟合逼近的方法，利用完全仿真的三维头颅模型得到创伤病人的准确信息，提取出手术部位的三维数据，转换为曲线模型进行重建与修复，并运用快速成型技术打印制造出与原始颅骨具有较高逼真度的修复假体。课题融合机械设计、图形图像、3D打印等多学科知识，具有一定的跨学科性质。关键词 医学成像，三维重建，曲面修复，三维打印目 录
1 引言 1
1. 1课题研究背景与意义 1
1. 2国内外研究现状 1
1. 3本文的主要研究内容 2
2 三维成像技术 3
2．1 医学成像技术的发展 3
2．2 连续曲面重建技术 8
2．3 CAD模型修复 9
3 三维打印与制造 20
3．1 三维打印技术 20
3．2 三维打印制造的软件处理 20
3．3 三维打印仪器与材料 21
3．4 三维打印原理 23
3．5 三维打印过程 23
3．6 三维打印结果 24
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
引言
课题研究背景与意义
颅骨修复术是临床中常见的手术,传统的颅骨修复由医生根据缺损部位的形态通过手工的方式来剪切钛合金网版进行修补，修复时间长、完全依赖医生个人经验、精度低，术后容易产生并发症。计算机断层成像（CT）和核磁共振成像（MRI）等技术的发展为人体内部结构的研究提供了可视化的方法，由骨骼CT/MRI成像图片重建得到的3D模型能直观的显示骨骼及其围观结构的三维特征。目前，国外的医学机构已经可以基于CT/MRI技术获取的三维模型进行缺失部分的骨骼重建，并通过三维打印或数控加工的方式得到修复假体并成功移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作，从而可以为头骨大面积破碎的人重新建立一个完整的头骨。
本课题结合医生在临床应用中对患者进行头颅修复时的实际诉求，以二维CT序列重建出的三维颅骨模型作为输入数据，通过3D虚拟仿真技术对局部缺失部位进 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
观结构的三维特征。目前，国外的医学机构已经可以基于CT/MRI技术获取的三维模型进行缺失部分的骨骼重建，并通过三维打印或数控加工的方式得到修复假体并成功移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作，从而可以为头骨大面积破碎的人重新建立一个完整的头骨。
本课题结合医生在临床应用中对患者进行头颅修复时的实际诉求，以二维CT序列重建出的三维颅骨模型作为输入数据，通过3D虚拟仿真技术对局部缺失部位进行修复，并结合3D打印技术真实呈现头颅待修复的目标区域，改变传统低效率落后的手术方式，使得医生能以可触摸的形式观察人体的内部形态，实现精确、个性化的头颅修复。在头颅创伤修复手术中有着十分重要的意义。
国内外研究现状
最近几年，在美国、日本、德国等发达国家的先进实验室中，三维可视化及三维医学图像重建技术的研究应用非常广泛活跃，研究实力已经达到了实时跟踪与交互式控制，同时结合了高速光纤、超级计算机、虚拟现实和超级工作站，表面了该技术的未来发展方向。在医用方面，国外许多先进的医疗单位很早就开展了基于三维图像的三维打印修复手术，并取得较好的手术效果。
图1.1 英国半头人植入金属板修复颅骨
尽管国内三维重建和三维模型技术起步较晚，但却表现出极快的发展势头，中科院、清华大学、浙江大学都在三维医院图像重建等方面开展了丰富的工作，同时开发了自己的实验系统，逐渐迈向成熟。近年来，我国的颅骨修复水平也逐渐成熟，涌现出很多成功的实例。
图1-2 西京医院为胡师傅补上缺损的“左脑盖”
1.3 本文的主要研究内容
本文探讨颅颌面创伤后骨缺损的修复方法与过程，通过导入病人的CT图像重建三维头颅模型，得到完全仿真的三维头颅模型后，由此获得创伤病人的准确信息，提取出手术部位的三维数据，通过专业的相关软件进行修复重建，最终运用快速成型技术打印制造，从而得到与原始颅骨具有较高逼真度的修复假体。
2 三维成像技术
2.1 医学成像技术的发展
1895年伦琴发现了X射线，这个19世纪最伟大的发明意味着我们可以通过X射线来探查人体的内部信息。1968年，医学影像技术史上一个十分重要的里程碑产生了：计算机辅助大脑扫描器由英国的Hounsfield发明，它可以产生清晰的断层图像。80年代后，医学成像技术成井喷式发现，超声（US）、磁共振成像（MRI）、计算机断层（CT）等技术逐渐成熟，使人们可以得到人体内部的图像序列。这些医学成像的临床应用，帮助医学诊断和治疗技术取得了极大的发展。近年来，国内外普遍活跃着关于三维医学图像和三维可视化的研究及应用试验，该技术正在从后期处理慢慢转变为实时跟踪和交互控制。基于这种三维重建技术，医生可以通过CT图像获得丰富的三维信息，从而充分的利用图像信息，更好的完成判断实施手术。可见这一领域将成为主流发展方向。
2.1.1 医学影像的梦工厂：Mimics软件
首先需要得到病人的CT图像，然后将其转化为便于计算机软件处理的相关格式，并运用计算机软件对图像数据进行预处理，这个步骤我们用到的软件为Mimics软件。
Mimics软件被誉为医学影像的梦工厂，这得益于它三个明显的优点。首先，Mimics软件有着准确的定位，面对复杂的人体内部解剖结构，医学的三维建模十分困难，并且制约了虚拟手术、三维有限元分析、快速成型等计算机辅助外科这些医学应用的关键。Mimics软件致力于实现其他软件没有或者难以实现的基于断层数据的三维重建以及设计完成后的多种专门接口，重建的三维模型可以非常方便的导入专业软件进行进一步分析处理。
然后，Mimics软件有着十分友好丰富的界面，各种处理工具简单便捷。其操作界面是大家都不陌生的Windows XP风格，布局合理，界面美观，容易上手，使用方便。Mimics软件整合了常用的分割算法，创建了图像分割工具箱，图像分割结果以蒙版的方式储存，同时多层编辑模式也被提供，轻松减少了人工操作量。总的来说，Mimics区别于其他类似软件最重要的特点就是丰富便利的图像分割工具箱。
最后，Mimics软件始终保持着于最终用户的沟通交流，在使用中发现反馈的问题，往往改进和解决就出现在下个版本中，一个优秀的软件要的是每种工具就在用户手边，这一点Mimics做的很好。
2.1.2 利用Mimics软件进行预处理和三维重建
Mimics软件的第一个“对象”，即导入Mimics软件的连续断层图像。DICOM格式体数据集的图像浏览，正如我们浏览X线平片一样，需要调整窗宽窗位。体数据集可以不经过阈值分割，类似传统的CT通过“体渲染”实现体数据的快速三维可视化。
图2-1 导入数据
第二步，Mimics软件对连续断层图像进行分割，生成相应的蒙板对象。
Mimics软件中分割的结果保存为蒙板，蒙板为独立的原始断层图像的二维图像，与原始断层图像一一对应的二值蒙板也组成一个三
1 引言 1
1. 1课题研究背景与意义 1
1. 2国内外研究现状 1
1. 3本文的主要研究内容 2
2 三维成像技术 3
2．1 医学成像技术的发展 3
2．2 连续曲面重建技术 8
2．3 CAD模型修复 9
3 三维打印与制造 20
3．1 三维打印技术 20
3．2 三维打印制造的软件处理 20
3．3 三维打印仪器与材料 21
3．4 三维打印原理 23
3．5 三维打印过程 23
3．6 三维打印结果 24
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
引言
课题研究背景与意义
颅骨修复术是临床中常见的手术,传统的颅骨修复由医生根据缺损部位的形态通过手工的方式来剪切钛合金网版进行修补，修复时间长、完全依赖医生个人经验、精度低，术后容易产生并发症。计算机断层成像（CT）和核磁共振成像（MRI）等技术的发展为人体内部结构的研究提供了可视化的方法，由骨骼CT/MRI成像图片重建得到的3D模型能直观的显示骨骼及其围观结构的三维特征。目前，国外的医学机构已经可以基于CT/MRI技术获取的三维模型进行缺失部分的骨骼重建，并通过三维打印或数控加工的方式得到修复假体并成功移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作，从而可以为头骨大面积破碎的人重新建立一个完整的头骨。
本课题结合医生在临床应用中对患者进行头颅修复时的实际诉求，以二维CT序列重建出的三维颅骨模型作为输入数据，通过3D虚拟仿真技术对局部缺失部位进 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
观结构的三维特征。目前，国外的医学机构已经可以基于CT/MRI技术获取的三维模型进行缺失部分的骨骼重建，并通过三维打印或数控加工的方式得到修复假体并成功移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作，从而可以为头骨大面积破碎的人重新建立一个完整的头骨。
本课题结合医生在临床应用中对患者进行头颅修复时的实际诉求，以二维CT序列重建出的三维颅骨模型作为输入数据，通过3D虚拟仿真技术对局部缺失部位进行修复，并结合3D打印技术真实呈现头颅待修复的目标区域，改变传统低效率落后的手术方式，使得医生能以可触摸的形式观察人体的内部形态，实现精确、个性化的头颅修复。在头颅创伤修复手术中有着十分重要的意义。
国内外研究现状
最近几年，在美国、日本、德国等发达国家的先进实验室中，三维可视化及三维医学图像重建技术的研究应用非常广泛活跃，研究实力已经达到了实时跟踪与交互式控制，同时结合了高速光纤、超级计算机、虚拟现实和超级工作站，表面了该技术的未来发展方向。在医用方面，国外许多先进的医疗单位很早就开展了基于三维图像的三维打印修复手术，并取得较好的手术效果。
图1.1 英国半头人植入金属板修复颅骨
尽管国内三维重建和三维模型技术起步较晚，但却表现出极快的发展势头，中科院、清华大学、浙江大学都在三维医院图像重建等方面开展了丰富的工作，同时开发了自己的实验系统，逐渐迈向成熟。近年来，我国的颅骨修复水平也逐渐成熟，涌现出很多成功的实例。
图1-2 西京医院为胡师傅补上缺损的“左脑盖”
1.3 本文的主要研究内容
本文探讨颅颌面创伤后骨缺损的修复方法与过程，通过导入病人的CT图像重建三维头颅模型，得到完全仿真的三维头颅模型后，由此获得创伤病人的准确信息，提取出手术部位的三维数据，通过专业的相关软件进行修复重建，最终运用快速成型技术打印制造，从而得到与原始颅骨具有较高逼真度的修复假体。
2 三维成像技术
2.1 医学成像技术的发展
1895年伦琴发现了X射线，这个19世纪最伟大的发明意味着我们可以通过X射线来探查人体的内部信息。1968年，医学影像技术史上一个十分重要的里程碑产生了：计算机辅助大脑扫描器由英国的Hounsfield发明，它可以产生清晰的断层图像。80年代后，医学成像技术成井喷式发现，超声（US）、磁共振成像（MRI）、计算机断层（CT）等技术逐渐成熟，使人们可以得到人体内部的图像序列。这些医学成像的临床应用，帮助医学诊断和治疗技术取得了极大的发展。近年来，国内外普遍活跃着关于三维医学图像和三维可视化的研究及应用试验，该技术正在从后期处理慢慢转变为实时跟踪和交互控制。基于这种三维重建技术，医生可以通过CT图像获得丰富的三维信息，从而充分的利用图像信息，更好的完成判断实施手术。可见这一领域将成为主流发展方向。
2.1.1 医学影像的梦工厂：Mimics软件
首先需要得到病人的CT图像，然后将其转化为便于计算机软件处理的相关格式，并运用计算机软件对图像数据进行预处理，这个步骤我们用到的软件为Mimics软件。
Mimics软件被誉为医学影像的梦工厂，这得益于它三个明显的优点。首先，Mimics软件有着准确的定位，面对复杂的人体内部解剖结构，医学的三维建模十分困难，并且制约了虚拟手术、三维有限元分析、快速成型等计算机辅助外科这些医学应用的关键。Mimics软件致力于实现其他软件没有或者难以实现的基于断层数据的三维重建以及设计完成后的多种专门接口，重建的三维模型可以非常方便的导入专业软件进行进一步分析处理。
然后，Mimics软件有着十分友好丰富的界面，各种处理工具简单便捷。其操作界面是大家都不陌生的Windows XP风格，布局合理，界面美观，容易上手，使用方便。Mimics软件整合了常用的分割算法，创建了图像分割工具箱，图像分割结果以蒙版的方式储存，同时多层编辑模式也被提供，轻松减少了人工操作量。总的来说，Mimics区别于其他类似软件最重要的特点就是丰富便利的图像分割工具箱。
最后，Mimics软件始终保持着于最终用户的沟通交流，在使用中发现反馈的问题，往往改进和解决就出现在下个版本中，一个优秀的软件要的是每种工具就在用户手边，这一点Mimics做的很好。
2.1.2 利用Mimics软件进行预处理和三维重建
Mimics软件的第一个“对象”，即导入Mimics软件的连续断层图像。DICOM格式体数据集的图像浏览，正如我们浏览X线平片一样，需要调整窗宽窗位。体数据集可以不经过阈值分割，类似传统的CT通过“体渲染”实现体数据的快速三维可视化。
图2-1 导入数据
第二步，Mimics软件对连续断层图像进行分割，生成相应的蒙板对象。
Mimics软件中分割的结果保存为蒙板，蒙板为独立的原始断层图像的二维图像，与原始断层图像一一对应的二值蒙板也组成一个三
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