基于細(xì)分曲面的醫(yī)學(xué)假體CAD關(guān)鍵造型技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步與生活水平的提高，現(xiàn)代外科醫(yī)學(xué)中精確設(shè)計(jì)制造人工假體來修復(fù)病損器官的案例日益增多，這對CAD/CAM技術(shù)提出了面向生物醫(yī)學(xué)的特殊要求，也將刺激與推動CAD/CAM技術(shù)本身的創(chuàng)新。本文的研究以基于分片光滑細(xì)分曲面表示的醫(yī)學(xué)假體CAD系統(tǒng)的開發(fā)為目標(biāo)，從醫(yī)學(xué)圖像的輸入到假體制造接口的輸出，研究了醫(yī)學(xué)圖像的三維重建、三角網(wǎng)格模型處理、細(xì)分曲面擬合、基于細(xì)分曲面的實(shí)體造型與RP加工接口表示等關(guān)鍵造型技術(shù)，主要研究內(nèi)容和成果如下：

2、 （1）建立了基于細(xì)分曲面表示的醫(yī)學(xué)假體CAD系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分別從技術(shù)體系與功能模塊兩個(gè)角度來闡述。技術(shù)體系包括基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)工具與臨床應(yīng)用三個(gè)層次，為進(jìn)一步的研究指明了方向；功能模塊從軟件實(shí)現(xiàn)的角度描述了醫(yī)學(xué)假體CAD系統(tǒng)的總體框架，為系統(tǒng)持續(xù)開發(fā)與完善打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 （2）研究了醫(yī)學(xué)圖像三維重建之MC算法的拓?fù)浞€(wěn)健與高效運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)現(xiàn)了無拓?fù)淦缌x的MC算法；為了提高原MC算法的效率，將區(qū)域增長分割的思想納入到M

3、C算法中，提出了一種基于相鄰立方體跟蹤的MC算法。 （3）研究了面向細(xì)分曲面擬合的三角網(wǎng)格簡化與形狀優(yōu)化技術(shù)。為了得到細(xì)分曲面擬合所需要的盡量簡單而又形狀優(yōu)良的基網(wǎng)格，現(xiàn)有算法與軟件都難以單獨(dú)奏效，本文采用了多種策略來達(dá)此目的。首先在QEM簡化算法的邊折疊代價(jià)計(jì)算公式基礎(chǔ)上添加了形狀優(yōu)化項(xiàng)，用系數(shù)來控制該項(xiàng)的影響大小，稱為 Shape-QEM簡化算法；其次，將基于切向Laplace平滑的頂點(diǎn)幾何優(yōu)化以及基于邊折疊與邊交換的網(wǎng)格拓?fù)?/p>

4、優(yōu)化集成到總體簡化過程中，提出了迭代式網(wǎng)格簡化優(yōu)化算法。 （4）提出了基于交互式優(yōu)化的細(xì)分曲面擬合算法，可在計(jì)算效率與擬合精度之間取得最佳平衡。首先對輸入原始網(wǎng)格用前述方法簡化優(yōu)化得到基網(wǎng)格，再用對進(jìn)行若干次細(xì)分重網(wǎng)格化(Remeshing)得到逼近原始網(wǎng)格的細(xì)分網(wǎng)格，對進(jìn)行細(xì)分?jǐn)M合得到控制網(wǎng)格，使得的細(xì)分極限曲面與原始網(wǎng)格互相貼合。 （5）提出了“支持細(xì)分曲面的構(gòu)造實(shí)體邊界表示(Constructive Solid Bo

5、undary Representation with Subdivision Surfaces,CSBrepSS)”實(shí)體造型方法。該方法采用混合CSG/Brep表示，實(shí)體模型在整體上用CSG樹表示，整個(gè)模型為基本邊界表示的葉節(jié)點(diǎn)的組合，葉結(jié)點(diǎn)可以是三角網(wǎng)格、細(xì)分曲面控制網(wǎng)格或參數(shù)表示的基本幾何體。 （6）提出了一種基于細(xì)分曲面的RP加工接口表示方法。RP系統(tǒng)可以用內(nèi)嵌的細(xì)分曲面造型模塊讀入細(xì)分曲面控制網(wǎng)格表示的CAD模型，按照模