應用逆向工程技術構建三維耳郭模型

[摘要]目的：應用逆向工程技術和快速原形技術，構建健側耳郭的三維數字化模型和制備與之完全對稱的對側耳郭樹脂實體模型。方法：制作10例單側小耳畸形患者的健側耳郭的石膏模型，應用人體三維掃描系統對其進行三維掃描，獲得耳郭的三維點無數據，從而在計算機內獲得健側耳郭和鏡象翻轉后的對策耳郭的三維數字化模型，應用快速原形機制作耳郭樹脂實體模型。結果：獲得了高精度的耳郭三維數字化模型和對側耳郭的三維樹脂模型，形象逼真，表面光滑，平均測量誤差小于0.1mm。結論：應用逆行工程技術快速準確地構建了三維耳郭模型，為耳郭支架的雕刻和耳郭贗復體制作提供了更加精確的指導，實現了個性化的耳郭再造。

[關鍵詞]逆向工程；小耳畸形；三維重建；快速原形

[中圖分類號]R764.7 [文獻標識碼]A [文章編號]1008－6455(2007)05－0649－04

在人體體表器官中，耳郭的形態和結構最為復雜，故耳郭再造手術一直是整形外科最富有挑戰性的課題之一。耳郭支架的外形好壞、仿真程度，是決定耳郭再造成功與否的重要步驟。傳統的耳郭再造術是先按照患者健側耳郭形狀制作二維膠片模型，然后以此作為參照雕刻耳支架。但耳郭的彤態是由其三維姿態所決定的，單純按照二維模型雕刻出具有理想立體感和層次感的耳郭支架則難度較大。因此，制備用于患側的三維耳郭模型對于提高耳郭再造水平具有重要意義。 逆向工程(reverse engineering，RE)就是將實物變為計算機輔助設計(computer－aideddesign，CAD)模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。其中高效、高精度地實現被測對象表面的數據獲取，是逆向工程實現的基礎。我們應用結構光方法的測量原理獲取患者健側耳郭的三維數據，經逆向工程軟件處理后得到與健側耳郭完全對稱的對側耳郭數字化三維模型，然后利用快速原形技術(rapid prototyping，RP)制備實體二維耳郭模型，用以指導手術中耳郭支架的雕刻。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 天遠人體三維掃描系統(北京大遠三維科技有限公司)。主要技術參數：測量精度(mm)：0.02；傳感器(像素)：48000×2；采樣點距(mm)：0.5；掃描速度(s)：小丁2s；點面掃描范圍(mm²)：400×300。

1.1.2 計算機：PIV/3.4G/HT，內存2.0G，雙RADEON9250顯示卡，1606硬盤，17^＂液晶顯示器，SONYDVD＋R16×光盤刻錄機。

1.1.3 軟件系統：3Dscan－SC(北京天遠三維科技有限公司)，Mimics(Materialise Inc，Belgium)，Geomagic Studio 8.0(Raindrop Geomagic Inc.USA)。

1.1.4 耳郭模型制作材料：翡翠Jeltrate印模材(登士柏牙科有限公司，天津)，超硬石膏粉(上苑石粉廠，北京)

1.2 測量對象：以我科10例單側小耳畸形患者健側耳郭為測量對象。

1.3 實驗方法

1.3.1 用藻酸鹽印模材料制備患者健側耳郭印模(采用標準方法制備印模，調拌時間40s，取模時間imim)，自來水沖洗10s，甩干，立即以超硬石膏灌模，制備患者健側耳郭石膏模型。

1.3.2 耳郭模型二維點云數據獲取：將耳郭模型置于人體三維掃描系統前方約lm處，調整CCD攝像頭及光源的高度和模型之間的距離，使耳郭模型位于視場中心。系統將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受被測物體表面形狀的調制，其條紋間的相位關系會發生變化，用數7圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。根據需要對耳郭模型正面、側面、背面等多個角度進行三維點云數據采集，以aSC文件格式存盤。

1.3.3 數據預處理：在3Dscan－sc軟件環境中，將獲得的點云數據進行預處理，去除疵點，減少表面噪聲，平滑數據，最終獲得‘組比較真實的耳郭三維點云模型，并以.asc文件格式存盤。

1.3.4 建立耳郭曲面數字模型：將經預處理后的組點云數據導入Geomagic Studio 8.0逆向上稗軟件，經拼接擬合，將該組數據進行配準到同一坐標系；將配準后的點云數據進一步過濾噪聲、刪除壞點后，融合構建成為三角面片組成的曲面；再將構成曲面進行補洞、平滑、細分、曲面擬合、曲面光順等處理，構成完整的耳郭數字化曲面模型。將曲而模型通過鏡像翻轉的方法獲得與健側耳郭完全對稱的三維數字模型，并將模型賦予一定的厚度(2mm)，以STL文件格式導山數據。

1.3.5 RP模型的產生：將STL格式耳郭三維數字模型文件輸入快速原形機，利用液態光敏樹脂的光聚合性能，用計算機控制的激光束將樹脂逐層固化，最后疊加成一個與健側耳郭完全對稱的三維實體模型。

2 結果

人體三維掃描系統獲得健側耳郭模型表面點云數據，Geomagic Studio 8.0逆向上程軟件將點云數據拼接、重建了高精度的耳郭二三維數字化模型，與健側耳郭大小形態完全一致，模型表向平滑，無噪聲點，形象逼真。形成的三維圖像可以在計算機屏幕上任意旋轉，從各個角度上進行觀察和三維測量，并能夠進行局部修改、鏡像或根據需要截取部分所需模型。快速原形機制作的鏡像耳郭三維實體模型與健側耳郭完全對稱，能夠清晰顯現耳輪、對耳輪、三角窩、舟狀窩等耳郭的精細結構。

耳郭三維數字模型經配準拼接完成后，每個點云模型約由120000點構成，曲面擬合后約由100000個三角片構成。該組10個耳郭點云模型精度平均值為0.2008mm，標準差為0.00999mm。

應用游標卡尺(哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，精度：0.02mm)手工測量患者健側耳郭、石膏模型和三維樹脂實體模型的耳長(即耳上點和耳下點之間的直線距離)，Geomagic軟件測量耳郭三維數字模型的耳長(表1)。應用SPSSl3.0統計軟件進行不同測量值的配對t檢驗，平均精度誤差小于0.1mm，各種測量結果之間無顯著性差異(表2)。

耳郭樹脂實體模型經高溫高壓消毒后無變形，因此可以消毒后在手術臺上直接指導耳郭支架的雕刻，克服了二維膠片模型的不足。此外，在部分應用白體肋軟骨Medpore耳基復合耳支架進行耳郭再造的患者，可以截取耳郭三維數字模型進的耳輪部分，經CAD處理后制作耳輪的三維實體模型，聯合完整的耳郭模型指導復合耳支架的制作。

3 討論

3.1 耳郭三維數據化模型的構建：逆向工程首先通過測量掃描以及各種先進的數據處理手段獲得產品實物信息，然后利用成熟的CAD/CAM技術，快速、準確的建立實體幾何模型，在工程分析的基礎上，數控加工制成產品。將工業中的逆向工程的思想引入到整形醫學領域，對整形醫學的發展將具有巨大的推動作用。例如，口腔模型的數字化，三維醫療定位診斷與治療，面部整形和面部美容的評價和模擬，人體整形和整體美容的評價和模擬等。

高效、高精度地實現被測對象表面的數據獲取，是逆向口程實現的基礎和關鍵技術之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步驟。隨著三維光學傳感技術和計算機技術的發展，尤其是高分辨率CCD攝像機的出現，使得計算機能借助各種視覺傳感器獲取物體的圖像，由計算機直接對數字圖像進行處理，從而恢復物體在三維環境中的姿態結構、幾何尺寸以及相互位置等，極大地提高了測量的速度和效率，為快速建立物體的三維數字化模型和快速制作精準的三維實體模型提供了一種全新的技術手段。而且，基于結構光法的測量設備被認為是目前測量速度和精度最高的掃描測量系統。

3.2 構建耳郭三維模型的意義：耳郭再造術一直是整形外科最具挑戰的手術之一，其中耳郭支架的雕刻是手術成功的關鍵步驟和主要難點。由于耳郭的各種結構精細而復雜，術者除具備一定的審美觀點和良好的雕刻水平以外，還必須準確地把握健側耳郭的立體結構特征。傳統的耳郭支架雕刻采用膠片取樣方法，只能呈現二維平面結構，因而支架雕刻在很大程度上要依賴于術者的經驗。因此，將耳郭的三維姿態信息數字化和制備精確的三維耳郭模型對于提高耳郭再造水平具有重要意義。此外，部分后天性耳缺損的患者由于受局部組織床、患者身體條件及修復技術等多種因素的限制無法進行耳郭再造手術，則需采用贗復體進行修復。逆向工程技術、快速原形技術以及CAD技術為贗復體的制作提供了‘種全新的方法。有望實現贗復體耳的形態仿真、色彩仿真、質感仿真以及功能仿真，達到了以假亂真的程度。

3.2 數據測量的誤差分析：對于逆向工程技術在耳郭再造中的應用，對精度的追求是測量技術的首要目標。影響測量精度的因素很多，如測量的原理誤差、測量系統的精度以及測量過程中的隨機因素等，都會對測量結果造成影響，從而產生測量誤差。由于我們所采用的人體三維掃描系統是由工業下應用的三維掃描儀改裝而來，其測量精度己經過驗證，測量精度為0.06mm，完全能夠滿足臨床上對精度的要求，可以基本上忽略測量系統的測量誤差。

在物體的三維測量中，被測物體本身的材料、顏色、粗糙度、光學性質及表面形狀，對光的反射和吸收程度有很大的差異。我們在測量時，首先制作患者健側耳郭的石膏模型，從而大大減少了測量物體自身因素對測量精度的影響。

此外，由于耳郭結構的復雜性，三維圖像獲取中在不同的角度采集會有光學盲區的存在，因此常常需要對被測物體在多個角度采集圖像，然后將幾個三維圖像進行配準、融合，形成完整的耳郭三維數字化模型。這就要求被測者保持在一定位置和姿勢較長時間，患者很難完全配合，對于數據采集和數據拼接的精度影響也比較大。而應用制作的石膏模型進行數據采集則可以克服這些因素引起的誤差。

4 結論

本項研究應用結構光三維測量方法快速、精確的構建了先天性小兒畸形患者健側耳郭的三維數字化模型和與之完全對稱的耳郭樹脂實體模型，三維模型表面平滑、形象逼真，耳郭的精細結構能夠清晰呈現，測量誤差小于0.1mm，完全能夠滿足臨床上對測量精度的要求。這不僅可以用于指導手術者在耳郭再造手術中準確雕刻耳郭支架，真正做到了耳郭個性化再造；另外還可以為耳郭贗復體的制作也提供了一種全新的方法，大大減少了制作工序，并可以達到了以假亂真的程度。

編輯 張惠娟

基金項目：高等學校博士點基金資助項目(20050023005)：體表組織器官修復重建的二維仿真基礎研究。

通訊作者：喬群，教授，醫學博士，博士研究生導師；研究方向：乳房、面部組織器官的修復重建，巨大體表腫瘤與難治性創面的整形外科治療等。E－mail：qiaoqun925@hotmail.com