人体软组织修复体的逆向工程技术发展分析

本文研究了结合逆向工程技术和现代先进制造技术制造个性化的人体软组织修复体的方法，通过以人体鼻子为例，完成了从患者 CT 影像到修复体制造的每个环节的研究工作，研究表明该方法切实可行，达到了预期的效果，结果令人比较满意。
第 1 章 绪论

1.1 人体修复体简介

  人体修复体包括人体软组织修复体和人体硬组织修复体。人体软组织修复体包括面部畸形整形修复体[1，2]、软骨修复体[3,4]、人体义耳[5,6]和鼻赝复体等软组织的修复体。人体硬组织修复体包括人体脊柱腰椎[7,8]、牙[9]、足部[10]、颅骨[11,12]、胫骨[13]等的骨组织修复体。随着科学技术的发展，运用逆向工程技术制造人体修复体越来越普及。例如运用 CT 扫描及逆向工程技术建立比较精确地人体中耳[3,4]三维有限元模型，通过几组仿真数据与实验测得数据的对比，进行仿真分析，从而验证该三维有限元模型的可靠性，最终实现人体中耳有限元法数值仿真[14]。以及利用低能量工业计算机断层扫描(industrial computed tomography，ICT)机扫描标准牙列缺损的石膏模型，获得该模型的 CT 图像[15]，通过图形图像处理得到点云数据[16]，将数据导入逆向工程软件，运用逆向工程技术获得牙列缺损石膏模型的 CAD 模型，从而实现了基于工业用 CT 断层影像的牙列缺损模型三维构建[15]。

1.2 逆向工程技术

1.2.1 逆向工程技术的基本概念

逆向工程(reverse engineering,简称 RE) [17]是 CAD/CAM 中的一个相对独立的范畴，是一门以实物模型为依据生成数据信息模型的新技术。逆向工程(reverseengineering,简称 RE)根据已有产品原型，运用计算机辅助技术、生产工程学、材料学和有关专业知识的方法和理论进行研究与分析，以设备的实物、软件、产品原型的照片或影像等为研究对象，进而挖掘出蕴含其中的关于产品设计等同类的更为先进的产品的技术、分析方法和手段的综合[18]。与传统的正向工程即“概念设计-产品 CAD 模型-产品（物理模型）”相反[19]，逆向工程通过对已知样件或实物的测量和分析，将原有的样件或实物转变为产品的 CAD 模型，从而求出产品的几何模型或概念模型[20-21]。它改变了从图纸到实物的传统正向工程设计模式，为产品设计的开发提供了一条便捷的新途径。逆向工程最主要的目的就是实物逆向，即针对已知三维样品或模型，利用三维数字化测量设备[22]（如 CT）快速测得实物轮廓的点云数据，并生成曲面数字化模型且以通用的输出格式（如 IGES 等格式）输出，最终生成三维 CAD 实体模型或加工制造所需的数据模型的过程

2 章 人体软组织修复体的数据获取和处理

逆向工程技术的工作流程可以分为数据获取、数据处理、模型重构和模型的检验与修正四个阶段。其中数据的获取和数据的处理是逆向工程技术的首要前提，数据采集的好坏以及数据处理的结果将直接影响到后期模型重构的质量，它对后续环节起着重要制约作用。
2.1 实物数据测量技术和测量方法

2.1.1 实物数据测量技术

实物数据测量是指应用特定的测量设备和测量方法采集物体的表面数据，它将实物的表面形状转换成离散的点坐标数据。数据测量是逆向工程技术的前提和基础，它在逆向工程及产品设计师之间扮演着桥梁的角色，数据采集的好坏以及数据处理的结果将直接影响到后期模型重构的质量，如何采集到高效、高精度的实物表面数据一直是逆向工程技术的重要研究内容。

2.1.2 数据测量方法

近年来，随着科学技术的发展，实物数据测量的设备和方法很多，原理各不相同。目前，在逆向工程领域，根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中数据测量方法分为两种，分别为非接触式测量与接触式测量，它们分别具有各自不同的特点。其中非接触测量分为非光学式和光学式两种。非光学式包括 CT 测量法、层析法、超声波法和 MRI 测量法等。光学式包括激光干涉法、激光衍射法、三角形法等。而根据测量探头的不同，接触式测量可分为连续式和触发式。接触式测量方法中具有代表性的是三坐标测量仪。就目前使用情况看，对于实物原型内部轮廓的测量以及复杂内部结构实物的测量，通常用 CT 测量法；而对于对实物原型外部形状的测量，一般采用三坐标测量仪、激光三角形法等。图表 2.1 为目前非接触式测量与接触式测量方法中几种常用的测量方法的对比情况。

2.2 人体软组织修复体的数据获取

人体软组织修复体包括面部畸形整形修复体、软骨修复体、人体义耳和鼻赝复体等软组织的修复体。本文选择人体软组织修复体中具有代表性的人体鼻子作为研究对象。由于人体鼻子很小，形状也不规则，它具有复杂内部结构，因此要想获取人体鼻子的实物原型内部轮廓以及复杂内部结构，本文选取非接触式测量法中的CT 测量法测量人体鼻子的数据。本文选择无任何人体鼻子损伤病史的成年志愿者为被测对象，使用的三维数据测量设备为：德国 SIEMENS 公司的 SOMATOM Sensation16 螺旋 CT 扫描机。采用德国 SOMATOM Sensation18 螺旋 CT 扫描机(SIEMENS 公司,德国)对该志

愿者鼻子进行扫描，并将扫描图像在 CT 工作站转换为 BMP 位图格式文件，并保存为 IGES 格式文件，得到三维鼻子点云数据,如图 2.1 所示：

第 3 章 人体软组织修复体模型的曲面重构 ......................................17

3.1 曲面重构理论 .............................................................................17

3.2 曲面重构的方法 .........................................................................18

3.3 基于 NURBS 的人体鼻子模型的曲面重构..............................19

3.4 本章小结 .....................................................................................26

第 4 章 人体软组织修复体反求模型的注射成型 CAE 分析............27

4.1 注射成型 CAE 理论 ...................................................................27

4.2 分析前处理 .................................................................................29

4.3 模拟结果分析及相关后处理 .....................................................33

4.4 本章小结 .....................................................................................40

第 5 章 人体软组织修复体反求模型的注射成型工艺优化..............41

5.1 翘曲变形的基本理论 .................................................................41

5.2 正交试验方法简介 .....................................................................41

5.3 基于正交试验法的多个工艺参数优化 .....................................43

5.3.3 工艺参数对翘曲量的影响分析 ........................................45

5.4 单个工艺参数的影响的试验 .....................................................46

5.5 工艺优化后的数值模拟及结果分析 .........................................52

5.6 本章小结 .....................................................................................54

第 5 章 人体软组织修复体反求模型的注射成型工艺优化

在第四章（第 4.3 节）中，我们分析了人体软组织修复体反求模型的注射成型过程中存在的主要缺陷是翘曲变形。翘曲变形会影响最终注射制品的质量，因此必须对人体软组织修复体反求模型的注射成型过程中的翘曲变形缺陷进行有效地解决。影响人体软组织修复体反求模型的注射成型过程中的翘曲变形的因素很多，本章重点研究成型工艺参数（包括注射时间、模具温度、熔体温度、保压时间和保压压力等）对翘曲变形的影响，并且通过优化人体软组织修复体反求模型的注射成型过程的成型工艺参数来解决翘曲变形缺陷的问题。
5.1 翘曲变形的基本理论

翘曲变形是决定最终注射产品质量好坏的主要因素，随着人们不断地提高注射制品的质量的同时，翘曲变形受到广泛的关注，如今翘曲变形已经成为评定注射制品质量的重要指标之一。翘曲变形产生的原因是塑料从熔融态到逐渐冷却直至凝固过程中，体积会发生很大收缩，如果发生不均匀收缩则会产生内应力，当内应力超过材料的刚度时，就会产生翘曲变形。塑料制品的翘曲变形虽然无法彻底消除，但可以通过控制成型工艺等方法有效地减少翘曲，从而可以更好地提高注射制品的质量。影响注射制品翘曲变形的因素很多，本文重点研究成型工艺参数对翘曲变形的影响，这些工艺参数主要包括模具温度、熔体温度、冷却时间、注射时间、保压时间、保压压力等,下面定性的介绍这些工艺参数影响翘曲变形的大小程度:1. 模具温度模具温度设置高低会对翘曲变形产生不同的影响。如果模具温度设置过高，就会使注射过程中的冷凝层的厚度减少，模内压力损失减小，有效地提高注射制品的质量；如果模具温度设置过低，就会使制品的冷却速率提高，产生较大的残余应力，很容易导致翘曲变形产生，影响注射制品的质量。但是，出模温度的限制使得模具温度的设置不能很高，一般可以根据材料厂商的建议值开始设定，每次增加 6℃，注射 10 次，根据成型情况调整。

第 6 章 结论与展望

6.1 结论

本文研究了人体软组织修复体的制造的新方法。人体软组织修复体的逆向工程技术研究是医学与材料学相结合的研究课题，其研究成果可以直接应用于医学。在研究本课题的过程中，我们主要完成了从人体软组织修复体模型的数字化测量到人体软组织修复体模型的曲面重构，人体软组织修复体反求模型的注射成型CAE分析，人体软组织修复体反求模型的注射成型工艺优化等几个过程的研究工作。通过以上研究取得的成果及主要结论如下：

（1）在分析了非接触式与接触式测量方法的优缺点基础上，选用非接触测量方法中的 CT 测量法，采用德国螺旋 CT 扫描机测量得到了人体鼻子点云数据，对人体鼻子点云数据进行了去噪、平滑和精简等预处理，得到了为下一步曲面重构所需的合理的三维鼻子点云数据结果。

（2） 通过对比三边域 Bezier 曲面重构方法和四边域 NURBS 曲面重构方法的优缺点，选取了以 NURBS 曲面为基础的四边域曲面重构方法对人体鼻子模型进行了曲面重构，最终得到了以标准工业 CAD 数据 Iges 格式输出的人体鼻子三维 CAD 模型。

（3）根据重建好的人体鼻子 CAD 模型，运用注射成型 CAE 的基本理论和有限元方法对人体鼻子注射成型工艺进行了模拟仿真分析。分析的主要内容包括流动分析和翘曲变形分析两部分，重点对流动分析结果中的几个影响塑料制品最终成型质量的关键模拟结果和翘曲分析结果进行了研究。通过对模拟结果的分析，总结出注射成型工艺过程中存在的主要缺陷是翘曲变形缺陷。

（4）运用翘曲变形的基本理论和正交试验优化算法进行了基于正交试验法的多个工艺参数优化的模拟仿真试验，并针对影响翘曲变形量的五个重要成型工艺参数进行了单因素试验，这两个试验都对影响翘曲的相关工艺参数进行了优化，得到了最优工艺参数组合，翘曲量由原来的 0.4545mm 降至 0.3864mm，成型制品翘曲量得到了有效控制，成型制品质量也得到了明显提高，为最终人体软组织修复体制造提供了良好的工艺条件。

本文研究了结合逆向工程技术和现代先进制造技术制造个性化的人体软组织修复体的方法，通过以人体鼻子为例，完成了从患者 CT 影像到修复体制造的每个环节的研究工作，研究表明该方法切实可行，达到了预期的效果，结果令人比较满意。