摘 要

在医学中，对医用头模的测量和分析在头部损伤的诊断和治疗方案的设计中具有十分重要的作用。借助于计算机建立的虚拟环境，医生能够事先合理制定手术方案，选择最佳手术路线，减少手术损伤，提高病灶定位精度。本文是以头模模型为研究对象，采用三维激光扫描技术和逆向工程技术相结合的方法，对头模模型的三维逆向重建进行深入的研究。

本文首先利用三维激光扫描仪扫描头模模型获取了点云数据，然后对获取的点云数据进行配准与合并处理，再将点云数据导入到CATIA曲面建模软件，并经三角网格化和光顺处理后生成头模曲面模型，完成模型的三维重建。最后，采用三维打印技术将重建后的头模模型打印出实物模型，对所得到的头模精度进行评估。结果表明，基于三维扫描和逆向工程技术获得的头模模型能够满足临床医学的使用。

关键词：三维扫描；点云数据；逆向工程； CATIA；三维打印

The reverse reconstruction of medical head model based on 3 D scanning

Abstract

In medicine, the medical mode of measurement and analysis in the diagnosis and treatment of head injury plays an important role in design. With the help of the computer to establish a virtual environment, doctors can establish reasonable operation scheme in advance to choose the best route operation, reducing surgical injury, improve the lesion location accuracy. The head model is treated as the research object in this article, taking the method of combining 3D laser scanning technology and reverse engineering technology to head model of 3D reverse reconstruction in-depth research.

Firstly, the point cloud data is obtained by 3D scanner to scan head model. Then, the registration and merging of the acquired point cloud data is processed. Afterwards, the point cloud data was imported into the CATIA surface modeling software, and the model surface generated by triangular mesh and smoothing, completed the 3D reconstruction of the model. In the end, using 3D printing technology to print out physical model, and to evaluate the accuracy of the obtained model. The results show that the model based on 3D scan and reverse engineering technology obtained can meet the clinical medicine use.

Key words: 3D laser scanning technology; Point cloud data; CATIA; reverse engineering; three-dimensional printer;

目录

1 绪论 - 1 -

1.1课题的背景与意义 - 1 -

1.2头骨模型的构造 - 3 -

1.3三维扫描、三维逆向重建在医学方面的研究 - 3 -

1.3.1三维扫描在医学中研究 - 3 -

1.3.2逆向重建技术在医学中的研究 - 4 -

1.4 国内外三维扫描、逆向重建、三维打印技术的现状分析 - 5 -

1.4.1三维激光扫描的研究现状 - 5 -

1.4.2逆向重建的研究现状 - 6 -

1.4.3三维打印研究现状 - 6 -

1.5本文的研究内容与结构 - 7 -

1.6本章小结 - 9 -

2 基于三维扫描仪的头模点云数据的获取 - 10 -

2.1 引言 - 10 -

2.2三维激光扫描简介 - 10 -

2.3数据的采集 - 12 -

2.4本章小结 - 21 -

3 点云数据的配准与合并 - 22 -

3.1引言 - 22 -

3.2多边形处理软件（Polygon Editing Tool） - 22 -

3.3点云数据的配准与合并 - 23 -

3.4本章小结 - 30 -

4 基于CATIA 曲面建模软件建立实体模型 - 31 -

4.1 引言 - 31 -

4.2 CATIA的简介 - 31 -

4.2.1 CATIA先进的混合建模技术 - 31 -

4.2.2 CATIA曲面设计模块 - 32 -

4.3 CATIA曲面建模过程 - 33 -

4.4本章小结 - 43 -

5 头模的三维打印及评估建模精度 - 44 -

5.1引言 - 44 -

5.2 三维打印简介 - 44 -

5.2.1 3D 打印原理 - 45 -

5.2.2型号ZPrinter310 Plus打印机简介 - 45 -

5.3三维打印过程 - 47 -

5.4评估建模精度 - 50 -

5.5本章小结 - 50 -

6 总结与展望 - 51 -

6.1总结 - 51 -

6.2展望 - 52 -

致谢 - 53 -

参考文献 - 54 -

1 绪论

1.1课题的背景与意义

随着虚拟现实技术和现代医学的飞速发展和交叉融合，基于虚拟现实技术的手术仿真在医学仿真系统中占据了重要地位。借助于计算机建立的虚拟环境，医生能够事先合理制定手术方案，选择最佳手术路线，减少手术损伤，提高病灶定位精度；三维扫描技术最重的意义在于实现了“实物的数字化”只需对任意实物进行扫描，就能在计算机上得到实物的三维图像和物体真实的色彩，还原度好、精度高、能被直接利用。由于利用计算机虚拟手术仿真可以模拟活体组织的各种特性，它还为外科医生的培训提供了无尽的实验对象，降低了医学教育成本，为医学教育模式的改革提供了有力的技术支持。

医学三维重建是近10年发展起来的借助计算机对生物组织结构影像的连续图像进行后处理,获得三维图像并能进行定量测量的一项形态学研究的新技术与新方法。传统医学影像获得的是二维图像，临床医师需要在此基础上通过空间思维综合过程建立起抽象的三维立体图像，由于患者个体的差异及手术医师个人思维方式的不同，容易对手术的精确性产生不利影响。