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摘要 (1)
第一部分概述 (2)
第二部分逆向工程应用技术 (2)
2.1逆向工程概述 (3)
2.2快速成型技术 (5)
2.3RE与RP的集成 (6)
2.4逆向工程在生物医学领域的
……………………………数据采集和预处理（6）
2.5逆向工程的条件 (7)
第三部分RE在生物医学领域的工程应用 (7)
3.1设计和制作可植入体 (7)
3.2外科手术规划 (8)
3.3生物医学工程 (8)
第四部分逆向工程在医学领域的应用实例
——在口腔修复中的应用 (10)
第五部分结论 (11)
致谢
RE在生物医学工程的应用研究
摘要：逆向工程技术是一种在工业制造中广泛应用的一种新技术，在工程
和医学领域中都具有重要作用。首先本文对逆向工程和快速成型进
行了概述，其次介绍了基于逆向工程体系的工程实际应用，以及基
于逆向工程技术的快速成型技术。详细介绍了逆向工程在生物医学
领域的应用。并以口腔义齿修复为例，介绍了逆向工程在口腔修复
体的实际应用。
A Study and Application about Reverse Engineering
in Biomedicine field
Abstract : As a new developing technology used widely in industry manufacturing ,reverse engineering has played an important role in
industry and medicine field . First this passage introduces reverse
engineering and rapid prototyping in brief . Second introduces the
practical application of engineering which based on reverse
engineering system . and rapid prototyping technology which based on
reverse engineering technology . In this paper explain the
application of reverse engineering in detail in the biomedicine
filed . And take dental prosthesis for example , describe
application of reverse engineering to dental prosthesis.
第一部分概述
工业中的许多领域，都需要创建以存在物体的计算机几何模型，但往往又得不到现成的这类几何模型，因此，就需要由实际形体来生成计算机几何模型，这项工程就是逆向工程，也称反求工程。逆向工程与快速成型技术（Reverse Engineering and Rapid Prototyping technology ）,简称RE与RP。目前RE与RP 技术已经逐渐得到越来越广泛的应用。国内外针对此方面的研究工作，一方面是继续在已经成熟的自由曲线和曲面重构理论上继续有所突破，另一方面就是在实际的测量、数据处理和重构CAD模型上逐渐集成和完善，包括逆向工程中的数据测量、数据处理、曲面重构以及快速成型的原理、分类、特点等，以及RE与RP的集成。本文中就详细介绍了逆向工程在生物医学领域的应用。以及基于逆向工程技术的快速成型制造技术技术。并以义齿修复为例介绍RE的实际应用。
第二部分逆向工程应用技术
2.1逆向工程概述
在汽车、航空等工业领域中，复杂外形的设计，目前CAD软件还很难满足形状设计的要求，仍然需要根据由粘土、木头或纤维玻璃制成的手工模型，采用逆向工程的手段将实物模型转化成CAD模型，实现数字化，从而建立起产品的数字化模型。这就是逆向工程的引出。
（a）正向工程流程图
(b) 逆向工程流程图
图 1 正向工程与逆向工程流程比较图
逆向工程可以这样简单的定义为这么一个过程：在没有工程图纸的情况下，对实际物体模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其CAD模型的过程，由实际模型反求出设计模型来。
逆向工程的由来是什么呢？简而言之，传统的正向设计与制造是从图纸到零件产品，而反求工程的设计是丛零件或原型到二维图纸或三维模型，再经过程制造到零件。这就是所谓“逆向”或“反求”的由来。两者之间的比较入图1所示。所谓逆向，指是相对传统的从设计图纸或模型加工出实际产品来的正向过程而言的。逆向工程与传统的正向设计的根本区别在于：正向设计是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到CAD模型有一个明确的过程；而反向工程是基于一个可以获得的实际模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产的要求。从数字化的点生成到CAD模型的创建是一个推理的过程
逆向工程通常从测量一个已存在的实际物体开始，这样就能生成一个曲面或实体模型，以便能充分利用CAD/CAM技术的各种优点。一旦重构出自由曲面
和建立CAD 模型后，就可以进行一系列后续操作，如零件设计、有限元分析、模型修改、误差分析以及数控加工指令生成。
逆向工程的三大组成---逆向工程可分为三大模块：坐标点测量、数据处理和曲面模型重建。（如图 2、3、4所示。）
图2 逆向工程的基本阶段
图3逆向工程的过程
图4 逆向工程的关键
① 几何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状；
② 数据处理：处理所获得的三维数据，从而符合后续操作的要求；
③ CAD 建模：必须建立一个完整的CAD 模型，从而能够借以描述产品的
全部相关数据。
逆向工程的最关键之处是数据处理。数据处理其实是整个过程的关键。逆向工程的难点在于：对于数据处理过程中最能反映曲面特征特征点线面的智能提取，以及基于散乱数据点的曲面重构和曲面光顺。这也是目前各种商品软件所力求解决的问题所在。
数据处理逆向工程的整个过程如图 5所示。
图 5数据处理逆向工程的流程
一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，
(1)
新零件的设计，主要用于产品的改型或彷形设计。
(2)
已有零件的复制，再现原产品的设计意图。
(3)
损坏或磨损零件的还原。
(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之
2.2快速成型技术
快速成型制造技术，又叫快速原型制造技术，简称RP 或RPM 技术（Rapid Prototyping Manufacturing ），是20世纪90年代发展起来的一项多学科交叉的现 代制造技术。它是指在计算机控制与管理下，根据零件CAD 模型，采用材料精确堆积的方法制造原型或零件的技术，是一种基于离散堆积成型的方法。它集计算机技术、信息技术、物理化学技术、材料科学、逆向工程技术、数控技术与一体，快速制作成原型或零件，可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接地实现零件的单件生产。
RP 技术是在现代CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上发展起来的。不同种类的RP 系统虽然成型的具体原理和成型材料不尽一样，但总的来说其原基本理都是一致的，即“分层制造，逐层叠加”。其基本工作过程如图6所示。
图 6 快速成型的基本工作过程
从经济角度来说，RP 技术可以大大地促进新产品的研究和开发过程，缩短
新产品的开发周期，从而确使新产品上市时间提前，迅速占领市场，从而赢得激烈的市场竞争，获得尽可能多的经济利益和效益。从生产角度讲，RP技术可以及时发现产品设计过程中的一些错误，及时修改和完善，避免大量损失，提高新产品投产的一次成功率。另外还可支持CE( Current Engineering ) 并行工程的实施，从而可使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备等各项工作的同步进行得以有可能实现。
2.3RE与RPM的集成
RE&RP的整个过程描述如下:
首先，运用测量系统将样件转化为点云文件( Points Cloud File )，它能直接用于仿形切削，生成粗加工或精加工数控编程。也可通过曲面重构技术，转化为CAD模型，若有必要再做适当修改，可以通过RPM快速成型制出成型样品，或者直接通过CAM模块制造出产品，推向市场。
将快速成型与逆向工程相结合，通过Internet 传递数据，还可以实现“三维传真、三维传物”的功能。更有甚者，通过Internet网，还可实现当地或近地快速制造（Local Rapid Manufacturing ），即当地的成型中心经授权利用从网上所获得的产品数据，购买相应或兼容的成型材料，通过成型系统制造出最新零件或样件来。
利用RE与RP相结合的技术，还可以实现快速模具制造技术（RY）。间接利用快速原型制造技术的样件应用与模具制造，还可降低模具制造成本，缩短制造周期，从而显著提高生产效率。
2.4逆向工程在生物医学领域的数据采集与预处理
1．基于逆向工程的数据采集在医学领域具有十分巨大的作用。通过测量工具对骨结构的扫描测量，可以获得病人最原始的病症，可以有针对性的对具体的病人采取各不相同的治疗方案。通过对扫描所得的数据，经过修复还原软件的修改，可以使设计后的结构与病人原来的结构达到比较满意的吻合，减少病人手术后的不适症状，并增加病人对治疗的了解，与医生达到比较好的配合治疗，并且帮助医生尽快了解病人的病变状况，然后通过RP技术，制造出病人需替换下的结构，减少了手术时间，降低了病人的痛苦。
目前，逆向工程中最常用的三维数据获取方法，是基于光学三决测量原理的光切三维轮廓测量方法和断层扫描测量方法。其中，断层扫描技术如工业CT 去层图象法能完整的获得物体外表面和内腔的三维数据，是近年来逆向工程测量技术领域的研究热点技术之一。由于其造价的低、测量精度高，因此在工程实际中具有较广泛的应用前景。
2．数据预处理过程。由于在生物医学领域，所需测量的物体大多是具有较复杂的外形结构，测量仪所输出的测量数据很可能数据量很大，并带有一些测量噪声数据，因此需要对所测量的数据进行预狐狸。数据预处理就是要对原始数据进行过滤、筛选、去噪、平滑、编辑等操作，使数据满足后续模型重建的要求。要剔除不相关的数据和异常数据，要对由于阴影或屏蔽作用而导致的没有扫描到
的部分进行数据补充。
2.5逆向工程的条件
1. 逆向工程技术实施的硬件条件
在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。
2.逆向工程技术实施的软件条件
目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron、Catia以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danzde CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E 的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。
这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。
第三部分RE在生物医学领域的应用
最早采用RE技术的是航空、汽车和医学等行业。虽然医学应用仅占10%的RE市场但医学却对RE应用提出了更高的要求。RE已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他的医疗设备原型的制作。运用生理数据采用SLA、LOM、SLS、FDM等技术快速制作物理模型，对想不通过开刀就可以观看病人骨骼结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供非常有益的帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到了广泛的应用，帮助外科医生进行手术规划。
3.1 设计和制作可植入体
RE/RP技术用于种植体设计已经有很长一段时间了，工程师利用CAD软件可以很快地设计一个产品，而利用RE技术，通过数据扫描所得的结构数据再利用RP设备的快速性允许设计师在很短的时间内多次验证并修改其设计，这样就在设计过程中节约了时间和成本。
运用RP/RE技术，设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体。如图7所示。这样就可以极大地减少了种植体设计的出错空间，并且这种适合每个病人解剖结构的种植体确实能设计一个更好的手术，节省对病人的麻醉时间，还能减少整个手术的费用基于RP/RE制造的植入体具有相当准确的适配度，其优点在于能够提高美观度，缩短手术时间，减少手术后并发症等。
（1）来源于CT的数据转换成STL数据。
（2）利用RP技术制作缺损部位原型。
（3）采用硬质石膏、硅橡胶等材料和相关方法翻模。
（4）制作熔模并进行熔模铸造制作假体。
图7从CT数据到骨骼3D数值模型
3.2 外科手术规划
复杂外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。逆向工程技术可以满足这种要求。由于有了解剖模型，医生可以有效的与病人沟通，借助与病人自己的解剖模型，医生可以指出关键的区域，从而增加病人的理解。模型增加了病人对治疗的理解，这比晦涩的二维X光复杂外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。逆向工程技术可满足这种要求。由于有了解剖模型，医生可以有效地与病人沟通，借助于病人自己的解剖模型，医生可以指照片要好理解的多。模型也能让医生对病人以前的手术经历一目了然。此外，模型还能让医生在手术之前对着模型进行手术规划，如图5所示。仅时间节省这一项就使得模型制作在很多复杂手术中显得非常重要和必要。
3.3 生物工程
逆向工程技术在生物工程中的应用刚刚起步，但也取得了令人可喜的成果。针对骨骼的具体结构，进行CAD造型，然后利用内部细微结构仿生建模技术进行分层制造，常温下用生物可降解材料边分层制造边加入生物活性因子及种子细胞。用快速成型技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境，以利于细胞的粘附、增殖和功能发挥，以次达到组织生物工程骨骼的并行生长，加速材料模板的降解和成骨过程。此外，有关文献还报道了一种结合表面活性剂和颗粒模板的软平板印刷的方法，来形成有功能的纳米结构，其研究以达到了分子水平。
归纳起来，目前RP/RE模型的医学应用如图6-14所示。
插入手术前作模拟
插入手术中作定向帮助
手术取得病人的同意
为截骨手术制作模板
改进手术计划
制作一个种植体
数量/例
0 20 40 60 80
图7 医学中应用RP/RE模型的原因
医学应用的每一个RP模型都需要原型设备和材料的特殊搭配才能产生预期的效果，某种情况可能需要半透明的硬塑料，而另外一种情况可能需要软的生物兼容材料。有时需要消毒材料，有时却并不需要。USP V1级材料是通过安全测试并能消毒的材料。目前只有少数几种RP材料符合这一要求，SLA有一种，SLS 有两种，LOM有几种。
另一类可植入材料虽然目前仍然很弱，但将来该类材料有望能够得到快速增长。3DP与SLS等RP技术在这方面具有较大的优越性。
从医学图象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最适合用半透明材料做，有的最适合有不透明的材料制作以便更好的观察表面。在大多数的情况下，这些模型是在手术之前使用的，特定情况下需要把模型消毒用于手术时的参考。随着生物材料知识的发展，逆向工程在医学领域的临床应用将不断增长，从骨再生植入到器官置换，应用范围非常广。
目前正在研制的人工骨制作是RE技术非常有前景的一个应用领域，目前有两种制造骨骼植入体的方法。一种方法是采用选择性沉积磷酸钙粉末的工艺来制作多孔的种植体。动物实验表明，这些多孔种植体在新骨生长性能方面表现了优异的性能。经过一定的时间，这些多孔种植体将变成动物骨架的一部分。这些多孔种植体在相对密度为50%时，强度要比原先降低到70Mpa。因而它们的用途局限在不承载的部分，如面部和颅骨部分。第二种工艺是用SLS准备碳素模具，熔融的磷酸钙在1100℃的融化温度下浇注到模具中。这样得到的全密度玻璃态部件可以通过退火得到半结晶的合成物，抗压强度超过170Mpa。这些可用于承载种植体如牙齿、骨头螺钉和脊椎骨。
一些RE设备制造商的长期目标是将RE机器放到临床设备中，例如X射线部门的一台RE机器可在几个小时内向外科医生提供非常有效的物理理解模型，这样可让外科医生在很短的时间内作出精确的手术计划。实现这一点的障碍之一是医院缺少熟练的操作人员，除此之外，设备成本、组织机构的增加、材料成本等因素都限制了RE设备直接应用于医院这一构想。
第四部分逆向工程在医学领域的应用实例
—在义齿修复中的应用
逆向工程在义齿修复中的应用
在工业产品的设计中，为了使产品更为美观或实现某些特殊的性能要求，要将泥制或木制的模型反求集合模型，这种方法即为逆向工程。近年来这种设计理念在医学领域得到了深入的应用，其中义齿修复就是一个典型的例子在实践中，人们为了追求更加完美的义齿，以修补、补偿由于牙齿缺失而带来的功能、美观上的损失，从而创造出了各种各样的义齿设计、加工方法。但由于传统的工艺只是讲求“形近”，而没有“量化”的概念。因此即使面对同一颗所要修复的牙齿，最终设计的义齿的形状也将千差万别。这种传统的牙齿修复过程不仅认为的干涉因素过多，而且整个过程费时费力、精度难以确保、返修率高；
将逆向工程技术借鉴到义齿的修复中来，不仅提高了效率，而且大大改善了义齿的精度，缩短了设计周期，减轻了病人的痛苦。
传统的义齿修复是用人工制作的修复体恢复缺损牙的形状、外观、功能。传统的义齿制造过程是：
1 牙体预备医生根据病人牙齿的损坏程度，把患牙修成能与待设计的牙齿能密切配合的预备体。
2 制造工作模型预备体修完后，用局部托盘取预备后的患牙印模，再经处理灌入人造石膏，制成工作模。
3 制造蜡模
4制作铸模
5 铸造
6铸件的清理与磨光
应用逆向工程的义齿制造过程：
利用逆向工程设计制造义齿的过程与传统方法形成了鲜明的对比。它用量的概念来反映质的问题，将图形学、图象处理、数控加工等多学科融合在一起，探求口腔修复的数量规律，为更全面的层次上来认识用逆向工程技术来修复义齿，图8给出了这一过程的简图。
本文义齿设计是采用激光线结构扫描法，实现了工作模型的数字化。这种测量法是基于三角测量原理的主动式结构光编码测量技术，通过将一激光线结构光投影到三维实体上，利用CCD摄取物体表面上的二维变形线图象，即可解出
相应的三维坐标。图9的上半部分是单颗牙的三维数据的不同视点渲染表示。下半部分是三角面片的表示和1毫米间隔的线段表示。图10是合成后，编辑前的数据图象，局部有漏洞。图11是经过编辑后的数据图象。完整的三维数据模型。图12是牙齿模型的Z方向的刨层线。
由于人对义齿的尺寸变化非常敏感，通常要将预备体反求曲面与点云的误差控制在0。05mm以内，以符合生理规律。因此要求高精度而不强调光顺等美学因素；否则容易松动，易滞留食物残渣，腐蚀牙齿。因此必须对所得的数据进行去噪、曲面反求、求取标准牙、修改标准牙、检测加工等。
第五部分结束语
医学与科学技术的进步，特别是计算机的广泛应用，使传统的牙齿修复方法无论在精度上，还是在效率上，都无法跟上时代的步伐。将逆向工程技术运用到口腔修复中来，不仅节约了时间，减少了医生的劳动强度；而且改善了医疗及技术工作室的工作环境，使修复体一次完成，减少病人的就诊次数，提高了修复体的质量；也使许多专用加工牙齿的设备、材料如包装箱、铸造机、石蜡等成为历史。但口腔医学的CAD/CAM技术还处于初级应用阶段，牙齿不同于一般的工业产品，从设计到加工，都有独特的要求，难点处处存在。如何在最短的时间内，作出最满意的修复体，还有待于进一步的研究与实践。
很明显，RE的医疗应用在不断增长，这一块市场可能永远也不会超过汽车或航空，但它将持续影响很多生产医疗仪器的公司和众多需要复杂外科手术的病人。随着设备和材料成本的降低，解剖模型的使用也将不断增加。也许不远的将来，制作解剖模型会成为某一类型外科手术的一个标准程序。随着生物材料的发
展人们也完全有理由相信RE 技术可制作出能直接植入人体的组织和器官。这一点也是现实的需要，因为传统的器官捐赠远不能满足需要。
图 8 设计流程图
图 9 牙齿的三维数据图
图10 处理前的牙齿原始模型
图11 编辑处理后牙齿的数据图象
图12牙齿模型的Z方向的刨层图
参考文献：
1 . 袁平逆向工程技术的研究与应用昆明大学报2002年12月2．王克强逆向工程在口腔修复体中的应用青岛大学报2001年6月
第六卷第二期
3.韩井芸褚国民逆向工程在义齿修复中的应用北京工业大学报
第28卷第4期2002年12月
4. 王广春赵国群快速成型与快速模具制造技术及其应用
机械工业出版社
致谢
本人的论文在老师的精心指导下顺利完稿，在此对老师的尽心指导和帮助表示衷心的感谢。在毕业设计的关键时刻，关键地方老师给予了我细心的指导。虽然老师在次期间很忙，但他仍然抽出时间来给我们对毕业设计中用到的相关知识作详细的介绍，并且多方联系让我们接触到先进的仪器和设备，使我们对工业制造方面的知识有了理性
和感性方面的认识，学到了更实用的工业制造技术。没有老师的指导，论文不可能顺利完成