先进的逆向工程和三维软件 Geomagic 在医学领域的应用

一、项目概述我国制造业产值占国民生产总值的40％，预计未来15年内制造业的年平均增长率将高于国民生产总值的年平均增长率。

随着市场的全球化、多样化以及信息时代的到来，振兴国家的经济、提高综合国力的根本动力在于制造业的振兴。

建立现代制造业基地的关键在于产业竞争力，必须依靠科技进步，加快发展先进制造技术，大力推广先进的制造模式。

面对市场供求关系的深刻变化，产品的生命周期越来越短，市场竞争更加激烈，制造企业必须采取与新的竞争环境相适应的发展模式，如逆向工程、概念建模、快速制造等。

对于制造业而言，竞争的核心是创新工艺和创新产品。

进入90年代以来，各国都把制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，如美国的先进制造技术计划AMT P、日本的智能制造技术（IMS）国际合作计划、韩国的高级先进技术国家计划（G－7）和欧盟的ESPRIT和BRITE－EURAM计划。

面临着市场、信息、环境和资源的严峻挑战，我国制造业的紧迫任务是要提高企业产品市场竞争力。

而产品竞争力的关键在于创新，“设计是制造业的灵魂”，现代的设计理论和方法是我国制造业发展的首要问题。

成都锦江区红星路35#工业设计快速成型平台就是基于这一使命而创设的，成立时间虽短，但已经在西部地区取得了引人瞩目的影响力和示范效应。

二、工业设计和产品开发技术的发展先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化与市场化，并逐步多元化和企业化方向发展。

例如，CAD、CAPP、CAM的出现，使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工可能直接提供接近最终形状、尺寸的零件，它与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；快速成型（Rapid Prototyping/P arts Manufacturing－－RPM）技术的产生，是最近20年制造领域的一个重大突破，它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，淡化了设计、制造的界限，大幅缩短了新产品设计开发的周期，提升了产品开发的效率。

Geomagic designx的介绍
Geomagic Design X是一款功能强大的CAD软件，主要用于对物理模型进行逆向工程和3D建模。

它能够将扫描到的物理模型数据转化为可编辑的3D数字模型，并且支持多种三维数据格式的导入和导出。

Geomagic Design X可以用于多种应用，如汽车和航空工业的修复和改进，医疗设备的设计和制造，艺术品的复制和保护等。

其功能包括多种CAD建模工具、精细的几何操作、自动去除噪声和瑕疵、提供了可高度自定义的工作流程、自动化的测量和检查、有效的分析和优化功能等。

该软件简单易用，界面友好，也可快速上手。

它为专业使用者提供丰富的选项和高度可定制的工作流程，从而满足了各种用户需求。

通过Geomagic Design X，用户可以快速准确地创建3D数字模型，从而提高了制造效率和精度，降低了物理模型的设计成本。

Geomagic Studio逆向工程软件Geomagic Studio 能够将三维扫描数据和多边形网格转变为用于逆向工程、产品设计、快速成型和分析的准确三维数字模型。

作为将三维数据转换为参数模型的最快方式，Geomagic Studio整合所有领先的机械CAD 软件(如Pro/E, SolidWorks和CATIA等)并输出行业标准格式，包括原始CAD 文件、STL、IGES 和STEP。

Geomagic Studio 提供参数建模能力并以捕获精确几何体为特征，让您能够自由地选择最适合您应用的建模方法。

功能特点1.扫描数据处理处理大型数据集从所有主要的三维扫描仪和数字化设备中采集点数据优化扫描数据(通过删除体外孤点、减少噪音点和其他可用工具)对齐与合并多个扫描数据集自动或手动拼接多个点云2.点和多边形网格编辑通过随机采样、统一采样或曲率采样降低点云数据集的密度由点云数据创建多边形网格修改、编辑和清除多边形模型一键自动检测并纠正多边形网格的误差识别和创建模型中的特征修复和锐化边界支持多种文件输出格式包括完全嵌入式3D模型PDF格式、STL、OBJ、VRML1、VRML2、DXF、PLY和3DS3.参数化建模自动或手动将模型中的曲面归类(平面、柱面和其他)自动扩展和修剪表面，在相邻曲面间创造完美的锐化边界使用现有工具和参数控制曲面拟合无缝传输参数曲面、实体、基准和曲线到CAD中以自动构建自然的几何形状直接整合主要的CAD软件包自动修剪表面和实体以快速创建参数模型由平面、柱面、锥面、拉伸面、旋转面和自由形状曲面组合创建出单一缝合曲面提取优化的轮廓曲线使用检测选项、顺序查看命令或可视化工具分析曲面拟合结果4.精确曲面建模一键式由多边形模型自动创建水密的NURBS曲面通过手工绘制曲线轻松创建新的曲面片布局自动定义UV参数化根据公差自适应拟合曲面(C0和C1)确保各曲面片间C1连续创建相似对象的快速曲面模板拟合尖锐xx和平面区域使用向导对话框来检测和修复曲面片错误支持多种文件输出格式，包括IGES、STEP、VDA、NEU、SAT技术参数1.扫描数据格式Geomagic Studio支持所有的三维数字化仪、照相机和扫描仪的XYZ/ASCII格式。

逆向工程技术在人体膝关节三维重建中的应用付彦铭【摘要】对一名志愿者的膝关节进行CT与MR检测,所得的影像数据以DICOM格式导入Mimics Research 17.0软件中.根据影像数据的断层显像特点调整灰度阈值,按照不同分割算法骨组织与软组织进行分离并单独重建.将重建数据保存为st1格式并导入逆性工程软件Geomagic Studio 2012中.应用软件中网格化医生、简化、去除特征、网格划分、松弛和平滑等功能优化处理后,将骨组织和软组织根据实际情况加以合理装配,最终建立膝关节三维模型.重建后的模型不仅可以任意视角或单独观察,还可得出相关参数.为膝关节生物力学研究、损伤康复研究和有限元分析提供了可靠依据.【期刊名称】《科技创新导报》【年(卷),期】2015(000)035【总页数】2页(P14-15)【关键词】逆向工程;膝关节;三维重建;Mimics;Geomagic Studio【作者】付彦铭【作者单位】沈阳体育学院冬季运动项目技术诊断与机能评定重点实验室辽宁沈阳 110102【正文语种】中文【中图分类】TB21膝关节周围包含胫骨、腓骨、股骨和髌骨等骨组织以及半月板、韧带和肌肉等软组织，结构复杂。

组织之间存在着相对协调的静力与动力相互影响和制约并通过神经系统的协调、反馈维持着膝关节的稳定。

膝关节不同部位损伤后，在关节内部存在着异常的应力分布和运动轨迹［1-2］。

因此能够全方位剖析膝关节内组织情况以获得所需数据资料成为医学、康复、体育工程学等众多领域的热点。

上世纪70年代以来，随着CT、MR等医学成像技术的飞速发展，医学诊断和康复治疗结束取得了极大的发展。

但医生以及康复技师仍然需要通过很好的空间想象能力将二维图像在大脑中构建成三维模型。

为了有效提高专业人员诊治的准确性和科学性，三维重建技术得到了广泛关注［2-4］。

1.1 实验设备及软件计算机（Intel i5 2.40GHz，RAM：8G，OS：win7 64位）、医学影像三维重建软件Mimics Research 17.0 x64和逆向工程软件Geomagic Studio 2012（64 bit）。

三维建模技术在医学上的应用的案例
三维建模技术在医学领域中被广泛应用，其能够为医学研究和实践带来重要的帮助。

以下是几个三维建模在医学应用领域的案例：
1. 三维打印人体器官模型：三维建模技术可用于创建人体器官模型，并通过三维打印技术制造出真实的模型。

这种模型可以用于医学教学、手术模拟和手术规划。

2. 计算机辅助设计（CAD）：三维建模技术可以用于创建CAD模型，医生们可以根据这些模型来规划手术步骤和确保手术的安全性。

这些CAD模型也可以用于改进医用器械和设备。

3. 医疗图像分析：三维建模技术可用于对各种医疗图像进行分析，例如X光片或CT扫描。

这种技术能够创建高精度的三维图像，从而帮助医生准确诊断疾病，并制定更有效的治疗方案。

4. 脑神经科学：三维建模技术可以用于研究脑神经的结构和功能，通过可视化这些结构，可以帮助研究人员更好地理解大脑的工作方式，并开发出更有效的治疗方式。

总之，三维建模技术在医学领域中具有广泛的应用，它可以帮助医生、研究人员和学生更好地理解人体结构和疾病机理，并为医学事业的发展做出重要的贡献。

三维技术在医学领域的应用
随着科学技术的不断发展，三维技术在医学领域的应用越来越广泛。

它既可以为医生提供更准确的病情诊断，也可以帮助医生更好地规划
手术方案。

以下是几个比较常见的三维技术在医学领域的应用。

一、三维重建技术
三维重建技术可以将医疗影像数据进行数字化处理，提供逼真的三维
模型。

医生可以通过这种模型更好地了解病患的病情，明确病患疾病
的发展趋势，提供治疗的依据。

在手术前，医生还可以通过三维模型
详细分析患者的病情，设计出更精准的手术方案。

二、虚拟手术技术
虚拟手术技术是利用计算机模拟技术模拟手术过程，为手术提供指导。

医生可以在计算机上“实践”手术，熟练掌握整个手术流程，减少手
术风险。

尽管这种技术无法取代真正的手术操作，但它可以帮助医生
预测手术风险，规划好手术方案。

三、虚拟现实技术
虚拟现实技术可以为医生提供一个“虚拟世界”，让医生通过设备进
行沉浸式体验，观察和探索人体内部构造。

这种技术可以让医生更好
地了解人体内部结构，对病情进行更准确的判断和诊断。

四、医疗仿真技术
仿真技术可以将手术过程在计算机中进行还原，医生可以通过这种技
术完整地实现一次手术训练，了解手术具体过程，熟悉手术操作规程。

这种技术在医生手术能力的提高上发挥了重要的作用。

总之，三维技术在医学领域的应用具有广泛的前景，无论是三维重建技术、虚拟手术技术、虚拟现实技术还是医疗仿真技术，都有助于提高医生的诊断与治疗水平，为患者带来更好的医疗服务。

Geomagic Studio软件使用（参考资料）一、软件简介Geomagic Studio是美国Raindrop (雨滴)公司出品的逆向工程和三维检测软件，Geomagic Studio可轻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。

Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型，它广泛应用于汽车、航空、制造、医疗建模、艺术和考古领域，Geomagic Studio主要功能包括：1、对扫描数据快速修补（降噪、采样和补洞）2、自动将点云数据转换为多边形（三角网格）3、对三角网格面自动曲率填孔、特征提取和各种必要编辑，快速减少多边形数目4、把多边形转换为NURBS曲面5、曲面分析（公差分析等）6、输出与CAD/CAM/CAE匹配的档案格式（IGS，STL，STEP，DXF等）7、支持多种CAD的参数转换，包括Pro/E、UG、SolidWorks、Autodesk Inventor等参数转换。

二、完整的流程如下步骤1 从点云中重建出三角网格曲面。

步骤2 对三角网格曲面编辑处理。

步骤3 模型分割，参数化分片处理。

步骤4 栅格化并NURBS拟合成CAD模型。

三、快速曲面重建的点阶段逆向工程中的点云大多是通过三维扫描系统采集，可表达出模型形状大量的点组成。

由于扫描仪的扫描技术限制以及扫描环境的影响，不可避免地带来多余的点云或噪点。

可手动选择这些点云进行删除，也可以执行命令“体外孤点”、“减少噪音”或在“非连接项”中选择对多余点进行删除，对话框中“厥值”：由软件自动过滤掉超过设定厥值的孤立噪声点。

在很多情况下，从扫描仪中得到的原始点云数据很大，为提高效率可以对点云数据进行采样。

该软件提供了四种采样模式：曲率采样、统一采样、等距采样和随机采样。

由于在模型特征处或曲率变化大的区域需要更多的点表达，所以在大部分情况下选择曲率采样。

选择采样的百分比可得到相应的点云数量。

信息化工业科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald14膝关节周围包含胫骨、腓骨、股骨和髌骨等骨组织以及半月板、韧带和肌肉等软组织，结构复杂。

组织之间存在着相对协调的静力与动力相互影响和制约并通过神经系统的协调、反馈维持着膝关节的稳定。

膝关节不同部位损伤后，在关节内部存在着异常的应力分布和运动轨迹[1-2]。

因此能够全方位剖析膝关节内组织情况以获得所需数据资料成为医学、康复、体育工程学等众多领域的热点。

上世纪70年代以来，随着CT、M R等医学成像技术的飞速发展，医学诊断和康复治疗结束取得了极大的发展。

但医生以及康复技师仍然需要通过很好的空间想象能力将二维图像在大脑中构建成三维模型。

为了有效提高专业人员诊治的准确性和科学性，三维重建技术得到了广泛关注[2-4]。

1 研究方法1.1 实验设备及软件计算机（Intel i5 2.40GHz，R AM：8G，OS：w in7 64位）、医学影像三维重建软件M im ic s Re s e arch 17.0 x64和逆向工程软件Geom ag ic S tud io 2012(64 bit)。

1.2 实验方法该次研究所用的膝关节数据来自男性志愿者的C T 和M R检测结果。

其中CT平扫图片数据377张，M R矢状面224张，均为DICOM格式。

将CT 数据导入M i m ic s Re s e a r ch 17.0 x 64软件中，根据膝关节结构，对各块骨进行单独重建。

首先将骨组织与软组织进行分割，然后根据需要手动选取目标区域，如图1所示。

依据此方法分别对胫骨、腓骨、髌骨和半月板进行三维重建。

基于C T中提取的骨组织和M R 中提取的半月板及软组织数据进行三维重建。

导入同一空间坐标系时需要进行图像的融合与关键点的配准。

M i m ic s 软件中的Merge很好的实现了对半月板及软组织的融合功能，可以达到预定要求后将骨组织与软组织进行融合[4-5]。

唤醒历史：Geomagic 3D 扫描软件让史前动物重新复活英国曼彻斯特大学正在使用由3D Systems公司出品的3D扫描与Geomagic Design X（原Studio )三维逆向工程软件，用于创建史前与现代动物的3D模型，并模拟它们的姿态。

如今，我们都已经习惯在大片里看那些用电脑特技与动画技术描绘或创造的史前动物与它们的“自然”栖息环境。

来自英国曼彻斯特大学动物学的项目主管Bill•Sellers也在利用3D数字建模与动画还原史前动物，从表面上看，似乎没有什么特别之处。

但事实并非如此，Sellers所构建的史前动物比电影中的动画特技要真实得多，即使是全球最卖座的大片也相形见绌。

但是Sellers博士并不是电影工作者。

他的任务是揭示和了解人类与动物的进化史：比如从生理学角度来说，我们是如何进化成今天的模样，以及史前动物与现代动物及人类在数百万年的进化中产生了哪些不同。

为了顺利完成自己的任务，Sellers博士花了大量时间在英国曼彻斯特大学的动物模拟实验室，利用史前动物与现代动物骨骼的3D扫描数据创建精准的动物骨骼3D数字模型。

然后，再利用这些3D 模型，结合曼彻斯特大学自主研发的GaitSym软件程序模拟动物的姿态。

在利用3D扫描数据形成最终的电脑模拟的过程中，Geomagic Design X（原Studio）软件扮演着至关重要的角色。

这是一款在全球广泛应用的3D成像与逆向工程软件，可以将捕捉到的实体3D扫描数据转换成准确的3D数字模型，用于一系列下游应用之中。

广泛的需求Sellers博士与其团队在曼彻斯特创建的数字模型与模拟在大量行业人士中都有着广泛的需求；从动物学家到运动科学家，到博物馆馆长再到兽医，等等。

“只有通过创建3D虚拟模型并进行动作模拟，我们才能真正了解自己机体运作背后的原理，这样的例子数不胜数。

”Sellers博士说。

“比如。

”他举例道。

“如果你想知道某样东西有什么作用，在生物学中的标准做法就是移除该物体，然后观察会带来什么影响。