基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究

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1、东莞理工学院学报第20卷第1期2013年2月Vol．20No．1JOURNALOFDONGGUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb．2013基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究陈若瀚陈盛贵四库(东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523808)摘要:针对脸部假体修复中存在的不足，提出基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体工艺方案。该方案通过ATOS便携式三维扫描仪获取患者脸部数据，应用FreeForm软件修复及个性化设计患者的脸部模型，并通过快速成型设备制作出脸部假体样件，最后通过CAV软件进行精度分析。实验结果表明:所提出的方案能够经济

2、快捷地制作出精度可靠的个性化脸部假体。关键词:脸部假体;快速成型;个性化设计;CAV中图分类号:TP391.1文献标识码:A文章编号:1009－0312(2013)01－0087－05(RapidPrototyping，RP)技术是20世纪80年代发展起来的一种原型制造技术，它利用快速成型计算机辅助设计工件的三维模型，并快速制作其实体模型，无需任何附加的传统工模具或机械加工。快速成型技术具有快速、灵活以及适合任何形状、高度柔韧性、高度集成化等优点，广泛应用于工业制造领域［1］。逆向工程(ReverseEngineering，RE)是基于一个已获得的实体模型构造

3、其设计概念，并可通过对重构模型特征参数的调整和修改实现对实物模型再设计的技术，主要技术内容包括:数据获取;曲面重构［2］。由于意外事故或先天性发育异常引起的耳朵或鼻子等缺陷是脸部假体修复领域较为常见的病例。目前国内的治疗方法主要是采用技师进行手工雕刻，因此假体的外观以及和缺损面的贴合程度主要取决于技师的雕刻水平［3］。RP技术以其不受零件复杂程度限制的优点为医学领域带来了新的技术突破。目前，RP技术在医疗领域的应用主要在于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平、缩短时间、节省费用［4－6］。国际上将RP技术与RE技术相结合应用于医学领域已成为研究

4、热点，然而国内这方面的研究仍鲜有报道。本实验将使用ATOS便携式三维扫描仪、FreeForm自由设计软件、FDM及TDP快速成型设备、真空注型设备、CAV软件等快速成型及逆向工程技术为患者制作个性化、精度可靠、经济快捷、以及外形舒适的脸部假体，为医学治疗中的脸部假体制作提供一种新的工艺方案。1实验方法及过程数据获取本实验采用德国GOM公司的ATOS便携式三维扫描仪完成数据采集工作。ATOS便携式三维扫描仪在测量过程中可随意绕着人体移动，在距离脸部约700mm处高速摄取实物表面数据，扫描系统可连续投影11种不同间距的光带于脸部，通过光带间距的变化及数码摄像处理器

5、的分析，在数秒内便可得到表面数据［7］。在获取患者的脸部数据过程中，患者应素妆并佩戴防护眼镜，扫描时保持身体直立10分钟～15分钟。扫描过程如图1所示，扫描结果如图2所示。1.1收稿日期:2012－10－16基金项目:东莞市高等院校、科研机构科技计划项目(2012108101001)。图1患者脸部扫描过程图2患者脸部扫描数据1.2数据处理逆向工程的关键过程在于根据大规模散乱点云数据，重构具有复杂曲面外形的三维计算于光照条件的细微变化、人脸不光滑的表面以及部位遮挡、数据采集规划等因素的影响，激通常会有一些需要弥补或平滑的区域，例如耳朵、鼻子等部位的不光滑区域会产

6、生毛刺，因描获取的脸部假体数据进行处理。对点云数据进行编辑的逆向工程软件有Imageware、FreeForm等。由于脸部假体的曲面FreeForm的触感式操作更好，可通过触觉编辑点云，因而选用FreeForm软件对点云数据进更为合适，FreeForm触感式操作器及软件界面如图3和图4所示。图3FreeForm触感式操作器图4FreeForm软件界面本实验采用SensAble公司的自由造型软件FreeForm，该软件的触感式操作可让患者、医生共同探讨、设计脸部假体方案，并制作出患者满意的假体外形。个性化脸部假体设计是与患者自身吻合度极高的脸部假体而提出的，它可

7、避免患者对设计师单方面设计出的假体产及降低医疗的难度，极大地提高了脸部假体的制作效果。设计师在处理患者的脸部假体原始者、医生可直接给予意见，且患者可亲自操作FreeForm处理自己的脸部假体模型。FreeFor简单，通过摇摆画笔即可进行设计。通过FreeForm便捷地设计假体外形，运用雕刻等功能关部位进行光顺处理(如图5)，假体外形的逆向工程模型如图6所示。第1期陈若瀚，等:基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究89(LOM)等5种，本实验通过FDM、TDP两种方法制作快速成型样件，并对制作的样件及复模件进行精度分析。FDM快速成型1.3.1本实验使用上

8、海富奇凡机电科技有限公司的HTS－30