机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
文章编号：１００１—３９９７（２０１１）０９—００８４—０３
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第９期２０１１年９月
膝关节三维模型的构建
王蕊董黎敏叶金铎张春秋杨青（天津理工大学机械工程学院，天津３００３８４）
Ｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｋｎｅｅ
（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
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ＷＡＮＧＲｕｉ，ＤＯＮＧＬｉ－ｍｉｎ，ＹＥＪｉｎ－ｄｕｏ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－ｑｉｕ，ＹＡＮＧＱｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）
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１引言
随着目前制造业产品开发周期不断缩短，市场发展需求的不断变化，有关逆向工程的研究一直备受关注，而且逆向工程技术在制造业领域的应用也越来越广泛。逆向工程（ＲＥ：ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ）Ｉ—Ｉ，也称为反求工程、反向工程，是以产品及设备的实物、软件（图样、程序及技术文件）或影像（图片、照片）等作为研究对象反求出初始的设计意图。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的ＣＡＤ模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。逆向工程流程，如图１所示。膝关节是人体最完善最复杂的关节，它负重多且运动量大，是最容易被损坏的关节之一，所以近年来膝关节置换技术和人工膝关节设计被广泛关注。由于我国人工膝关节研究起步较晚，目前在设计理念和制造水平上多为仿制国外，人工膝关节置换仍以进口产品为主，这些膝关节假体都是按照欧美白种人解剖标准参数进行设计的，所以就会出现与国人关节面形状和尺寸不匹配的情况ｉ＂２１。因此，利用逆向工程技术设计和制造出符合国人形状特征及解剖特点的标准人工膝关节具有极为重要的意义。
２问题的提出
随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展，２ｌ世纪８０年－４ｔ；初期开始，人工膝关节生产厂商利用柔性加工设备，由医生根据每位患者的实际隋况，选择适当的关节面尺寸和形状，然后由柔性加工生产线分别进行加工制造，最后予以装配。这种假体生产周期较长，价格昂贵，但这是人工膝关节设计制造的开端。２１世纪８０年代后期到９０年代初期，随着计算机断层扫描（ＣＴ：ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇ－ｒａｐｈｙ）、核磁共振成像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
Ｉｍａｇｉｎｇ）及超声（ＵＳ：Ｕｈｒａｓｏｎｉｃ）等
医学成像技术及激光测量技术在人工关节设计中的发展，某仪器公司在１９８７年设计出—套人工关节设计系统，自此步人人工膝关节逆向设计阶段。此后，陆续有德国的ＡＬＤＬＮＧＥＲ系统，ＳｔａｔｅｎＩｓｌａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＨｏｓｐｉｔａｌ开发的修复性关节系统，美国某大学化学与材料工程学院ＣＡＤ／ＣＡＭ研究小组建立的膝关节数据库等等，都说明的了逆向工程技术在人工膝关节中得到了一定的应用。由于人工半月板容易磨损，并且人工膝关节股骨骨髁和半月板的表面比较复杂，因此采用逆向工程技术构建人工膝关节三维模型，为下一步进行人工膝关节生物力学分析打下基础。
３人工膝关节假体模型重建
３．１逆向工程软件Ｇｅｏｍａｇｉｃ
图１逆向工程流程图
逆向工程中的模型重构是以离散点云为基础，应用相关软
－／ｃ－来稿日期：２０１０—１ｌ－０５★基金项目：国家自然科学基金项目（１０８７２１４７），天津市自然科学基金项目的资助（０９ＪｃＹＢＪｃｌ４００）
第９期
王蕊等：膝关节三雏模型的构建
相当重要的一环，预处理后点云数据效果图，如图５所示。
８５
件获取实物的三维ＣＡＤ模型。ＧＥＯＭＡＧＩＣＳＴＵＤＩＯ是美国某软件公司开发的专业逆向工程软件，是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的商业软件之一。利用ＧＥＯＭＡＧＩＣ软件可以很容易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为ＮＵＲＢＳ曲面。
３．２数据获取
在逆向工程中，对研究对象的三维数据采集是实施反求工程的第一步，也是十分关键的一步。数字化点云的特点和采集精度直接影响着逆向工程技术的方法选择和实体ＣＡＤ模型的重构精度。随着传感器技术、测控技术、制造技术及软件工程等相关技术的发展，目前复杂曲面零件数据采集主要有两类：接触式和非接触式＋％接触式测量就是测头与实物表面接触，通过规定扫描方式测量数据，目前比菠常用的是三坐标测量（ＣＭＭ）。而非接触式测量主要是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取实体的三维信息Ｐ，４。所述的膝关节假体采用实验室现有的ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ三维摄影测量系统，又称为照相测量定位系统或者近景摄影测鼍系统，属于非接触式测量，由ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ系统测量软件、编码点、标志点、专业数码相机、高精度测量尺五部分构成的．如图２所示。
图４点云原始图像
‘阿
图５顶处理后效果图
罔６钱化处邢沈邗
３．３．２锐化处理阶段
锐化处理阶段是处理模型的边缘以及拐角部分。扫描过程中无法做到边缘及拐角部分完全拍摄到，而且模型经过数据预处理之后．模型本身边缘和拐角处会有部分数据丢失，因此会造成模型构建不够准确。为了避免这种情况，点云需经锐化处理，还原扫描和预处理阶段丢失的数据。锐化处理阶段的处理流程，如图
匾甄卜匮到瞬骖陋盔悃
６所示。锐化处理后的效果，如图７所示。
图２ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ三维摄影测量系统
阂萨
㈦７锐仆，处ｊ｜＿【＿抻＋圳引
该系统的工作原理是利用照相机技术来获取某些特征标志点的三坐标位置，并输出点云数据。实验采用ＪＰＸ型全膝关节假体为原型，它是某公司２００８年最新推出的新一代高屈曲、后稳定、解剖型全膝产品，如图３所示。
３．３．３曲面化阶段
在锐化的基础上进行模型的曲面化操作．操作流程，如图８所示。基本操作步骤与锐化处理阶段相似。如图９所示，是曲面化处理过程中构建轮廓线和创建曲面片网络时的效果图。
网霜
３．３图像处理与模型重建３．３．１点云数据预处理
怛什什徘
｛蹙乙婚中川轾
蹴热，严时懂撵
图８曲面化处理流程
幽３膘关节假体
在ＧＥＯＭＡＧＩＣ软件中打开扫描好的“＋．ａｓｃ”格式的点云数据．如图４所示。数据预处理主要包括点云降噪处理（选择非连接项，选择孤立点，减少噪音，采样，封装）、多边形修补去除多边形上的多余部分（小洞修补．局部修补，较大孔的修补．表面凸起和凹陷部分的修整）、多边形的数量调整、多边形局部或者整体光滑（松弛，砂纸）等等。它的目的是去除异常噪声数据、压缩冗余数据等。数据预处理是一项很繁重的工作，虽然在数据采集阶段已经对点云进行了降噪处理，但是处理的不够彻底，在标志点的地方仍会有突起、，Ｊ、孔，造成数据预处理阶段比较麻烦。而且其处理效果还会直接影响模型的精确度。所以数据预处理在反求过程中是
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（ａ）构建轮廓线
（ｂ）构建网格
图９曲面化处理
此过程完成后可以输出ＩＧＥＳ格式以方便模型导人到ＰＲＯ／Ｅ中进行再设计。在ＰＲＯ／Ｅ中完成曲面拟合、倒圆角及实体化等步骤之后，得到的实体模型，如图ｌＯ（ａ）所示。
以同样的方法构建人工半月板和基座，模型如图ｌｏ（ｂ）（ｃ）所示。并将这些实体模型按顺序进行装配，得到的假体装配模型．如图ｌＯ（ｄ）所示。
Ｎｏ．９
机械设计与制造Ｓｅｐ．２０１１
◇＼≤矿黔
（ｃ）基座
（ｄ）装配后假体模型
图１０假体莺构模型
分析系统没有太大的影响，所以在这里不作考虑。将处理好的文件分别导人ＰＲＯ／Ｅ中，获得人体股骨远端和胫骨近端三维模型，如图１３（ａ）所示。然后以膝关节假体的尺寸切割股骨和胫骨模型并打好定位孔，便于同假体模型进行装配。切割后的模型，如图１３（ｂ）所示。
４股骨远端和胫骨近端模型重建
４．１逆向工程软件Ｍｉｍｉｃｓ
Ｍｉｍｉｃｓ是某公司的交互式的医学影像控制系统。它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配，也是一套高度整合而且易用的３Ｄ图像生成及编辑处理软件，它能输人各种扫描的数据（如ＣＴ、ＭＲ］等）建立３Ｄ模型进行编辑，然后输出通用的ＣＡＤ（计算机辅助设计）、ＦＥＡ（有限元分析），ＲＰ（快速成型）格式，可以在Ｐｃ机上进行大规模数据的转换处理。
（ｂ）切割后的模型
图１３股骨远端和胫骨近端的蕾构模型
５模型装配
在ＰＲＯ／Ｅ中新建装配文件，分别添加人工膝关节假体、股骨远端和胫骨近端的切割后模型，完成膝关节三维模型的装配，如图１４所示．
４．２数据采集
股骨远端和胫骨近端的数据采集工作是在天津某医院完成的。选取一名男性健康志愿者，年龄３０岁左右，身高Ｉ．７５ｍ，膝关节无任何疾病及畸形。对于其左侧膝关节行ＣＴ图像扫描，扫描层厚设置为ｌｍｍ，扫描层数１９９层，得到连续横断面图像以及矢状面图像。所得ＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｉｎｇ
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（ａ）ｉＥ面
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翻１
（ｂ）背面
Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）格式数据资料作为膝关节重建数据的重要来源，通过软件输入接口导人Ｍｉｍｉｃｓ１０．０Ｉ中，如图Ｉ１所示。
图１４膝关节三维模型
而对装配好的膝关节三维模型进行生物力学分析，是我们下一步要做的工作。
６结论
采用逆向工程技术，在实验室现有的材料和设备基础下，根据膝关节假体原型和人体膝关节ｃＴ图像，利用Ｇｅｏｍａｇｉｃ，
罔１１股骨和胫骨ＣＴ图像
Ｍｉｍｉｃｓ和ＰＲ帆软件的不同优势，分别构建其三维模型，并进行
装配，最后获得比较精确膝关节三维模型，为下一步人工膝关节生物力学分析打下一定的基础．亦对开展国内膝关节模型数据库
４．３图像处理及模型重建
经定位图片、组织图片和阈值分析，设定合适的阈值（２２６．－２７８２Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ单位），软件将会自动生成各个层面的骨结构轮廓。在每层图像中分别进行选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据。然后通过区域增长（Ｒｅ，ｏｎＧｒｏｗｉｎｇ）生成胫骨远端、股骨近端、髌骨及腓骨各自的几何蒙罩（Ｍａｓｋ）文件并通过三维计算、模型的优化和网格的重新划分建立相对光滑的三维模型，如图１２所示。
的建立有一定的参考价值。参考文献
［Ｉ］蒋华．薛澄岐．ＲＥ＆ＲＰ一体化技术在工业醋计ｔ１，的应用研究［Ｊ］电子
机械工程，２００９．２５（５）．
［２］张建宏，卢章平．基于ＣＴ网像的个性化人工膝关节设计与制造研究
（Ｊ】机械设计与制造，２００７ｐ）．
［３］刘霞，董黎敏，吴大将．摹手Ｉｍａｇｅｗａｒｅ和Ｐｒｏ，Ｅ的白行车鞍座曲面反
求设计［Ｊ１组合机床与自动化加工技术，２００９（２）
［４］余志伟．反求工程中三维数据采集方法和误差控制研究［Ｊ］机械设计
与研究。２００８．１２（３５）
［５］李立英．柳和生．饶锡新．反求工程在复杂型面产品中的应用研究［Ｊ］
科技资讯．２００８（１Ｉ）
图１２人体膝关节重建模型
［６］翼泉Ｐｒｏ／Ｅ与反求工程在塑料模具设计中的应用［Ｊ］九ｌ江职业技术学
院学报．２００８（３）
由于在生物力学分析过程中．髌骨和腓骨对人工膝关节受力
膝关节三维模型的构建
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王蕊， 董黎敏， 叶金铎， 张春秋， 杨青， WANG Rui， DONG Li-min， YE Jin-duo， ZHANG Chun-qiu，YANG Qing
天津理工大学机械工程学院,天津,300384机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2011(9)
参考文献(6条)
1. 蒋华;薛澄岐 RE&RP一体化技术在工业设计中的应用研究[期刊论文]-电子机械工程 2009(05)
2. 张建宏;卢章平 基于CT图像的个性化人工膝关节设计与制造研究[期刊论文]-机械设计与制造 2007(03)
3. 刘霞;董黎敏;吴大将 基于Imageware和Pro/E的自行车鞍座曲面反求设计[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2009(02)4. 余志伟 反求工程中三维数据采集方法和误差控制研究 2008(35)
5. 李立英;柳和生;饶锡新 反求工程在复杂型面产品中的应用研究[期刊论文]-科技资讯 2008(11)6. 奚泉 Pro/E与反求工程在塑料模具设计中的应用[期刊论文]-九江职业技术学院学报 2008(03)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201109032.aspx
机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
文章编号：１００１—３９９７（２０１１）０９—００８４—０３
Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第９期２０１１年９月
膝关节三维模型的构建
王蕊董黎敏叶金铎张春秋杨青（天津理工大学机械工程学院，天津３００３８４）
Ｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｋｎｅｅ
（Ｓｃｈｏｏｌｏｆ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｊｏｉｎｔｍｏｄｅｌ
ＷＡＮＧＲｕｉ，ＤＯＮＧＬｉ－ｍｉｎ，ＹＥＪｉｎ－ｄｕｏ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－ｑｉｕ，ＹＡＮＧＱｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）
ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ
ｏｆｋｎｅｅＪ。ｉｎ￡ｉｓ
ｐｒｅｓｅ凡ｔｅ正屁邝￡ｆｙ，￡ｋ缸口ｏｆｋｎｅｅ－『。ｉ眦ｐｒｏｓ￡＾ｅｓｉｓｐｒｏ￡。泖ｅ帆ｄ￡＾ｅ
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ｓｏｆｔｗａｒｅＰＲＯ／ＫＦｉｎａｌｌｙ，ａｌｌｍｏｄｅｌｓ
ｏｒｅ
ａｓｓｅｍｂｌｅｄｉｎ口ｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ａｎｄ
ｍｏｄｅｌｏｆｋｎｅｅ
ｏ
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删ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓ口ｍｅｔｈｏｄ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｅｄａｔａｂａｓｅｏｆａｒｔｉｆｗｉａｌｊｏｉｎｔ
ｐｌａｔｆｏｒｍ如ｒｆｕｒｔｈｅｒ
ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ
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１引言
随着目前制造业产品开发周期不断缩短，市场发展需求的不断变化，有关逆向工程的研究一直备受关注，而且逆向工程技术在制造业领域的应用也越来越广泛。逆向工程（ＲＥ：ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ）Ｉ—Ｉ，也称为反求工程、反向工程，是以产品及设备的实物、软件（图样、程序及技术文件）或影像（图片、照片）等作为研究对象反求出初始的设计意图。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的ＣＡＤ模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。逆向工程流程，如图１所示。膝关节是人体最完善最复杂的关节，它负重多且运动量大，是最容易被损坏的关节之一，所以近年来膝关节置换技术和人工膝关节设计被广泛关注。由于我国人工膝关节研究起步较晚，目前在设计理念和制造水平上多为仿制国外，人工膝关节置换仍以进口产品为主，这些膝关节假体都是按照欧美白种人解剖标准参数进行设计的，所以就会出现与国人关节面形状和尺寸不匹配的情况ｉ＂２１。因此，利用逆向工程技术设计和制造出符合国人形状特征及解剖特点的标准人工膝关节具有极为重要的意义。
２问题的提出
随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展，２ｌ世纪８０年－４ｔ；初期开始，人工膝关节生产厂商利用柔性加工设备，由医生根据每位患者的实际隋况，选择适当的关节面尺寸和形状，然后由柔性加工生产线分别进行加工制造，最后予以装配。这种假体生产周期较长，价格昂贵，但这是人工膝关节设计制造的开端。２１世纪８０年代后期到９０年代初期，随着计算机断层扫描（ＣＴ：ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇ－ｒａｐｈｙ）、核磁共振成像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
Ｉｍａｇｉｎｇ）及超声（ＵＳ：Ｕｈｒａｓｏｎｉｃ）等
医学成像技术及激光测量技术在人工关节设计中的发展，某仪器公司在１９８７年设计出—套人工关节设计系统，自此步人人工膝关节逆向设计阶段。此后，陆续有德国的ＡＬＤＬＮＧＥＲ系统，ＳｔａｔｅｎＩｓｌａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＨｏｓｐｉｔａｌ开发的修复性关节系统，美国某大学化学与材料工程学院ＣＡＤ／ＣＡＭ研究小组建立的膝关节数据库等等，都说明的了逆向工程技术在人工膝关节中得到了一定的应用。由于人工半月板容易磨损，并且人工膝关节股骨骨髁和半月板的表面比较复杂，因此采用逆向工程技术构建人工膝关节三维模型，为下一步进行人工膝关节生物力学分析打下基础。
３人工膝关节假体模型重建
３．１逆向工程软件Ｇｅｏｍａｇｉｃ
图１逆向工程流程图
逆向工程中的模型重构是以离散点云为基础，应用相关软
－／ｃ－来稿日期：２０１０—１ｌ－０５★基金项目：国家自然科学基金项目（１０８７２１４７），天津市自然科学基金项目的资助（０９ＪｃＹＢＪｃｌ４００）
第９期
王蕊等：膝关节三雏模型的构建
相当重要的一环，预处理后点云数据效果图，如图５所示。
８５
件获取实物的三维ＣＡＤ模型。ＧＥＯＭＡＧＩＣＳＴＵＤＩＯ是美国某软件公司开发的专业逆向工程软件，是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的商业软件之一。利用ＧＥＯＭＡＧＩＣ软件可以很容易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为ＮＵＲＢＳ曲面。
３．２数据获取
在逆向工程中，对研究对象的三维数据采集是实施反求工程的第一步，也是十分关键的一步。数字化点云的特点和采集精度直接影响着逆向工程技术的方法选择和实体ＣＡＤ模型的重构精度。随着传感器技术、测控技术、制造技术及软件工程等相关技术的发展，目前复杂曲面零件数据采集主要有两类：接触式和非接触式＋％接触式测量就是测头与实物表面接触，通过规定扫描方式测量数据，目前比菠常用的是三坐标测量（ＣＭＭ）。而非接触式测量主要是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取实体的三维信息Ｐ，４。所述的膝关节假体采用实验室现有的ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ三维摄影测量系统，又称为照相测量定位系统或者近景摄影测鼍系统，属于非接触式测量，由ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ系统测量软件、编码点、标志点、专业数码相机、高精度测量尺五部分构成的．如图２所示。
图４点云原始图像
‘阿
图５顶处理后效果图
罔６钱化处邢沈邗
３．３．２锐化处理阶段
锐化处理阶段是处理模型的边缘以及拐角部分。扫描过程中无法做到边缘及拐角部分完全拍摄到，而且模型经过数据预处理之后．模型本身边缘和拐角处会有部分数据丢失，因此会造成模型构建不够准确。为了避免这种情况，点云需经锐化处理，还原扫描和预处理阶段丢失的数据。锐化处理阶段的处理流程，如图
匾甄卜匮到瞬骖陋盔悃
６所示。锐化处理后的效果，如图７所示。
图２ＤＩＧＩＭＥＴＲＩＣ三维摄影测量系统
阂萨
㈦７锐仆，处ｊ｜＿【＿抻＋圳引
该系统的工作原理是利用照相机技术来获取某些特征标志点的三坐标位置，并输出点云数据。实验采用ＪＰＸ型全膝关节假体为原型，它是某公司２００８年最新推出的新一代高屈曲、后稳定、解剖型全膝产品，如图３所示。
３．３．３曲面化阶段
在锐化的基础上进行模型的曲面化操作．操作流程，如图８所示。基本操作步骤与锐化处理阶段相似。如图９所示，是曲面化处理过程中构建轮廓线和创建曲面片网络时的效果图。
网霜
３．３图像处理与模型重建３．３．１点云数据预处理
怛什什徘
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蹴热，严时懂撵
图８曲面化处理流程
幽３膘关节假体
在ＧＥＯＭＡＧＩＣ软件中打开扫描好的“＋．ａｓｃ”格式的点云数据．如图４所示。数据预处理主要包括点云降噪处理（选择非连接项，选择孤立点，减少噪音，采样，封装）、多边形修补去除多边形上的多余部分（小洞修补．局部修补，较大孔的修补．表面凸起和凹陷部分的修整）、多边形的数量调整、多边形局部或者整体光滑（松弛，砂纸）等等。它的目的是去除异常噪声数据、压缩冗余数据等。数据预处理是一项很繁重的工作，虽然在数据采集阶段已经对点云进行了降噪处理，但是处理的不够彻底，在标志点的地方仍会有突起、，Ｊ、孔，造成数据预处理阶段比较麻烦。而且其处理效果还会直接影响模型的精确度。所以数据预处理在反求过程中是
Ｌ一＿Ｌ—▲１’一
（ａ）构建轮廓线
（ｂ）构建网格
图９曲面化处理
此过程完成后可以输出ＩＧＥＳ格式以方便模型导人到ＰＲＯ／Ｅ中进行再设计。在ＰＲＯ／Ｅ中完成曲面拟合、倒圆角及实体化等步骤之后，得到的实体模型，如图ｌＯ（ａ）所示。
以同样的方法构建人工半月板和基座，模型如图ｌｏ（ｂ）（ｃ）所示。并将这些实体模型按顺序进行装配，得到的假体装配模型．如图ｌＯ（ｄ）所示。
Ｎｏ．９
机械设计与制造Ｓｅｐ．２０１１
◇＼≤矿黔
（ｃ）基座
（ｄ）装配后假体模型
图１０假体莺构模型
分析系统没有太大的影响，所以在这里不作考虑。将处理好的文件分别导人ＰＲＯ／Ｅ中，获得人体股骨远端和胫骨近端三维模型，如图１３（ａ）所示。然后以膝关节假体的尺寸切割股骨和胫骨模型并打好定位孔，便于同假体模型进行装配。切割后的模型，如图１３（ｂ）所示。
４股骨远端和胫骨近端模型重建
４．１逆向工程软件Ｍｉｍｉｃｓ
Ｍｉｍｉｃｓ是某公司的交互式的医学影像控制系统。它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配，也是一套高度整合而且易用的３Ｄ图像生成及编辑处理软件，它能输人各种扫描的数据（如ＣＴ、ＭＲ］等）建立３Ｄ模型进行编辑，然后输出通用的ＣＡＤ（计算机辅助设计）、ＦＥＡ（有限元分析），ＲＰ（快速成型）格式，可以在Ｐｃ机上进行大规模数据的转换处理。
（ｂ）切割后的模型
图１３股骨远端和胫骨近端的蕾构模型
５模型装配
在ＰＲＯ／Ｅ中新建装配文件，分别添加人工膝关节假体、股骨远端和胫骨近端的切割后模型，完成膝关节三维模型的装配，如图１４所示．
４．２数据采集
股骨远端和胫骨近端的数据采集工作是在天津某医院完成的。选取一名男性健康志愿者，年龄３０岁左右，身高Ｉ．７５ｍ，膝关节无任何疾病及畸形。对于其左侧膝关节行ＣＴ图像扫描，扫描层厚设置为ｌｍｍ，扫描层数１９９层，得到连续横断面图像以及矢状面图像。所得ＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｉｎｇ
ａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ
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（ｂ）背面
Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）格式数据资料作为膝关节重建数据的重要来源，通过软件输入接口导人Ｍｉｍｉｃｓ１０．０Ｉ中，如图Ｉ１所示。
图１４膝关节三维模型
而对装配好的膝关节三维模型进行生物力学分析，是我们下一步要做的工作。
６结论
采用逆向工程技术，在实验室现有的材料和设备基础下，根据膝关节假体原型和人体膝关节ｃＴ图像，利用Ｇｅｏｍａｇｉｃ，
罔１１股骨和胫骨ＣＴ图像
Ｍｉｍｉｃｓ和ＰＲ帆软件的不同优势，分别构建其三维模型，并进行
装配，最后获得比较精确膝关节三维模型，为下一步人工膝关节生物力学分析打下一定的基础．亦对开展国内膝关节模型数据库
４．３图像处理及模型重建
经定位图片、组织图片和阈值分析，设定合适的阈值（２２６．－２７８２Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ单位），软件将会自动生成各个层面的骨结构轮廓。在每层图像中分别进行选择性编辑、补洞处理，去除伪影和冗繁数据。然后通过区域增长（Ｒｅ，ｏｎＧｒｏｗｉｎｇ）生成胫骨远端、股骨近端、髌骨及腓骨各自的几何蒙罩（Ｍａｓｋ）文件并通过三维计算、模型的优化和网格的重新划分建立相对光滑的三维模型，如图１２所示。
的建立有一定的参考价值。参考文献
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［５］李立英．柳和生．饶锡新．反求工程在复杂型面产品中的应用研究［Ｊ］
科技资讯．２００８（１Ｉ）
图１２人体膝关节重建模型
［６］翼泉Ｐｒｏ／Ｅ与反求工程在塑料模具设计中的应用［Ｊ］九ｌ江职业技术学
院学报．２００８（３）
由于在生物力学分析过程中．髌骨和腓骨对人工膝关节受力
膝关节三维模型的构建
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王蕊， 董黎敏， 叶金铎， 张春秋， 杨青， WANG Rui， DONG Li-min， YE Jin-duo， ZHANG Chun-qiu，YANG Qing
天津理工大学机械工程学院,天津,300384机械设计与制造
Machinery Design & Manufacture2011(9)
参考文献(6条)
1. 蒋华;薛澄岐 RE&RP一体化技术在工业设计中的应用研究[期刊论文]-电子机械工程 2009(05)
2. 张建宏;卢章平 基于CT图像的个性化人工膝关节设计与制造研究[期刊论文]-机械设计与制造 2007(03)
3. 刘霞;董黎敏;吴大将 基于Imageware和Pro/E的自行车鞍座曲面反求设计[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2009(02)4. 余志伟 反求工程中三维数据采集方法和误差控制研究 2008(35)
5. 李立英;柳和生;饶锡新 反求工程在复杂型面产品中的应用研究[期刊论文]-科技资讯 2008(11)6. 奚泉 Pro/E与反求工程在塑料模具设计中的应用[期刊论文]-九江职业技术学院学报 2008(03)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz201109032.aspx