CN107945278A - 一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法 - Google Patents
一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法，包括以下步骤：(一)运用CT断层扫描仪对生物体骨骼进行三维扫描得到断层数据文件；(二)将得到断层数据文件导入Avizo软件中，对生物体骨骼进行三维模型的重构，得到简化的三维模型，并以“.stl”文件保存；(三)运用Geomagic Studio软件对生物体骨骼三维模型进行表面优化、模型数据量的简化、转换成CAD模型并以“.igs”格式保存；(四)运用ANSYS软件对生物体骨骼三维模型进行数学的分析。采用本发明的技术方案能解决三维模型重构过程中对生物体特定部分的三维结构的重构问题，得到的三维模型精度高，方法简单有效，三维模型格式转换灵活。
Description
技术领域
本发明涉及到运用计算机软件对生物体的三维重构、点云数据处理及逆向工程的操作技术领域，尤其涉及一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法。
背景技术
生物体的骨头是及其不规则的形状，要对其进行电脑分析时，首先要得到它们的三维模型，然后对其预处理、网格划分、表面优化等极速处理。
现有技术在三维模型重构过程中，不能精确提取出生物体特定的模型结构，对生物体骨骼模型重构不规则、精确度不够且过程复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是如何解决三维模型重构过程中对生物体特定的三维结构的重构，高精度且方法简单地对生物体骨骼模型进行规则重构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法，包括以下步骤：
(一)运用CT断层扫描仪对生物体骨骼进行三维扫描得到断层数据文件；
(二)将得到断层数据文件导入Avizo软件中，对生物体骨骼进行三维模型的重构，得到简化的三维模型，并以“.stl”文件保存；
三维模型的重构方法有等值面显示法、多阈值分割法、提取生物体特定结构部分法；
(1)等值面显示法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)选取最佳阈值生成三维模型，在Isosurface属性窗口里输入数值参数，调节阈值Threshold调节滑动器，根据显示区生成的最初三维模型的表面的光滑度与图像的清晰度，确定最佳阈值并生成三维模型；优选地，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值；
3)将生成三维模型简化，在Extracted Surface*项目的属性栏里点击Simplification Editor按钮，在第一栏里查看faces数目，接着在Simplify栏里输入一数值，该数值应比原faces数大约小一数量级，之后点击Simplify now；重复步骤，对每一个项目均进行简化，即可得到最后的简化三维模型；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
(2)多阈值分割法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)创建Multi-Thresholding项目，点击Segamentation Editor，进入分割编辑；
3)选取最佳阈值生成三维模型，使用magic wand在视图区单击skull-jaw上的一点，通过改变点击位置可改变阈值大小，在Magic Wand矩形框内可拖动滑动器来调整阈值范围，阈值大小应在所调节的阈值范围居中的位置，确定最佳阈值，设置好最佳阈值后点选应用全部切片all slice，然后单击标记“+”按钮添加材料阈值参数，生成三维模型；优选地，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
(3)提取生物体特定结构部分法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)用多阈值分割法，生成包含整个生物体骨骼的模型；
3)创建Multi-Thresholding 2，选择Segmentation Editor，进入分割编辑，删除其他材料，创建新材料并命名，选择brush项，勾选Limited range only，调整阈值范围；
4)在视图区根据图像判断特定结构部分的位置，确认具体位置后，选择特定结构部分模型的图像；
5)将特定结构部分模型的图像添加至当前材料，在主面板生成模型表面，即得到生物体某一个特定结构。
(三)运用Geomagic Studio软件对生物体骨骼三维模型进行表面优化、模型数据量的简化、转换成CAD模型并以“.igs”格式保存，具体步骤如下：
(1)将得到的简化的三维模型的“.stl”文件在Geomagic Studio软件中打开，鼠标左键选择模型待删除的区域，之后点击菜单栏的删除按钮，得到优化后的三维模型；
(2)采用“网格医生”功能处理碎片，去除三维模型中交错的部分及不合理的形状以及钉状物；
(3)运用Geomagic Studio软件中的“简化模块”减少三角形的数量；
(4)将修整好的模型再经过步骤“精确曲面”、“自动化曲面”、“转换”及“发送到spaceclaim”转化成CAD模型；
(5)将得到的CAD文件直接保存为“.igs”格式。
(四)运用ANSYS软件对生物体骨骼三维模型进行数学的分析，具体步骤如下：
1)定义出主要区域；
2)进行网格化分；
3)添加主要部位的材料；
4)进行约束的添加、载荷添加；
5)得出等效应力云图和整体变形云图。
采用本发明的技术方案能解决三维模型重构过程中对生物体特定部分的三维结构的重构问题，得到的三维模型精度高，方法简单有效，三维模型格式转换灵活。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为等值面显示法流程图；
图3为多阈值分割法流程图；
图4为提取生物体特定结构部分法流程图；
图5为狷羚的下巴前端三维模型图；
图6为狷羚的下巴内部三维模型图；
图7为狷羚的下巴前端三维模型的优化图；
图8为狷羚的下巴内部三维模型的优化图；
图9为采用“网格医生”功能处理碎片示意图；
图10为采用“简化模块”减少模型的三角形的数目示意图；
图11为“精确曲面”操作示意图；
图12为“自动化曲面”操作示意图；
图13为“转换”操作示意图；
图14为“发送到spaceclaim”转化成CAD模型操作示意图；
图15为狷羚头骨颞肌区域三维模型图；
图16为狷羚头骨咬肌区域三维模型图；
图17为狷羚头骨臼齿区域三维模型图；
图18为狷羚头骨骨节区域三维模型图；
图19为“网格划分“操作示意图；
图20为“添加牙齿材料属性”操作示意图；
图21为“添加下巴材料属性”操作示意图；
图22为“约束的添加”效果图；
图23为“载荷添加”效果图；
图24为“等效应力云图”效果图；
图25为“整体变形云图”效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
实施例：以狷羚的头部头骨模型为例子。
图1示出了本发明流程，一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法，包括以下步骤：
(一)运用CT断层扫描仪对狷羚的头骨进行三维扫描得到断层数据文件；
(二)将得到断层数据文件导入Avizo软件中，对狷羚的头骨进行三维模型的重构，得到简化的三维模型，并以“.stl”文件保存；
三维模型的重构方法有等值面显示法、多阈值分割法、提取生物体特定结构部分法；
(1)等值面显示法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)选取最佳阈值生成三维模型，在Isosurface属性窗口里输入数值参数，调节阈值Threshold调节滑动器，根据显示区生成的最初三维模型的表面的光滑度与图像的清晰度，确定最佳阈值并生成三维模型；优选地，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值；
3)将生成三维模型简化，在Extracted Surface*项目的属性栏里点击Simplification Editor按钮，在第一栏里查看faces数目，接着在Simplify栏里输入一数值，该数值应比原faces数大约小一数量级，之后点击Simplify now；重复步骤，对每一个项目均进行简化，即可得到最后的简化三维模型；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
(2)多阈值分割法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)创建Multi-Thresholding项目，点击Segamentation Editor，进入分割编辑；
3)选取最佳阈值生成三维模型，使用magic wand在视图区单击skull-jaw上的一点，通过改变点击位置可改变阈值大小，在Magic Wand矩形框内可拖动滑动器来调整阈值范围，阈值大小应在所调节的阈值范围居中的位置，确定最佳阈值，设置好最佳阈值后点选应用全部切片all slice，然后单击标记“+”按钮添加材料阈值参数，生成三维模型；优选地，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作；
5)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
(3)提取生物体特定结构部分法，在狷羚的整个头骨中一次就提取出它的一颗牙齿部分，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)用多阈值分割法，生成包含整个狷羚的头部头骨模型；
3)创建Multi-Thresholding 2，选择Segmentation Editor，进入分割编辑，删除其他材料，创建新材料并命名，选择brush项，勾选Limited range only，调整阈值范围；
4)在视图区根据图像判断牙齿的位置，确认具体位置后，选择牙齿的模型的图像；因牙齿嵌在下颚中，嵌入下颚部分的牙齿同样不能遗漏，所以选择过程需谨慎，仔细检查图像有无多余或未选中的地方，及时修改；
5)将牙齿模型的图像添加至当前材料，在主面板生成模型表面，即得到狷羚其中一颗牙齿。
(三)运用Geomagic Studio软件对狷羚的头部头骨模型进行表面优化、模型数据量的简化、转换成CAD模型并以“.igs”格式保存，具体步骤如下：
(1)将得到的简化的三维模型的“.stl”文件在Geomagic Studio软件中打开，鼠标左键选择模型待删除的区域，之后点击菜单栏的删除按钮，得到优化后的三维模型。由于在Avizo软件里生成的三维模型中包含有许多“小三角形”、“不规则的片状碎片”、“交错的骨头”等，如图5所示狷羚的下巴前端、如图6所示的下巴内部碎片，在这一步骤中将全部将他们清楚干净，得到优化后的如图7所示的狷羚的下巴前端三维模型及如图8所示的下巴内部三维模型；
(2)采用“网格医生”功能处理碎片，去除三维模型中交错的部分及不合理的形状以及钉状物，如图9所示；
(3)运用Geomagic Studio软件中的“简化模块”减少三角形的数量，如图10所示；
(4)将修整好的模型再经过步骤“精确曲面”如图11所示、“自动化曲面”如图12所示、“转换”如图13所示及“发送到spaceclaim”转化成CAD模型如图14所示；
(5)最后将得到的CAD文件直接保存为“.igs”格式。
(四)运用ANSYS软件对狷羚头骨三维模型进行数学的分析，具体步骤如下：
(1)定义出主要四个区域：颞肌区域如图15所示、咬肌区域如图16所示、臼齿区域如图17所示，骨节区域如图18所示；
(2)进行网格化分如图19所示；
(3)添加牙齿材料如图20所示和下巴的材料如图21所示；
(4)进行约束的添加如图22所示、载荷添加如图23所示；
(5)得出等效应力云图如图24所示和整体变形云图如图25所示。
采用本发明的技术方案，运用Avizo、Geomagic Studio、ANSYS软件对生物体骨骼进行三维重构，经过特定处理再进行有限元分析，给出了不规则物体的三维重构方法，且将得到的生物体进行特定区域的划分，特定区域的材料添加，特定区域受力的约束和加载，最后得到生物体骨骼等效应力云图和整体变形云图。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
(一)运用CT断层扫描仪对生物体骨骼进行三维扫描得到断层数据文件；
(二)将得到断层数据文件导入Avizo软件中，对生物体骨骼进行三维模型的重构，得到简化的三维模型，并以“.stl”文件保存；
(三)运用Geomagic Studio软件对生物体骨骼三维模型进行表面优化、模型数据量的简化、转换成CAD模型并以“.igs”格式保存；
(四)运用ANSYS软件对生物体骨骼三维模型进行数学的分析。
2.根据权利要求1所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：在步骤(二)中，所述三维模型的重构方法有等值面显示法、多阈值分割法、提取生物体特定结构部分法。
3.根据权利要求2所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：所述等值面显示法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)选取最佳阈值生成三维模型，在Isosurface属性窗口里输入数值参数，调节阈值Threshold调节滑动器，根据显示区生成的最初三维模型的表面的光滑度与图像的清晰度，确定最佳阈值并生成三维模型；
3)将生成三维模型简化，在Extracted Surface*项目的属性栏里点击SimplificationEditor按钮，在第一栏里查看faces数目，接着在Simplify栏里输入一数值，该数值应比原faces数大约小一数量级，之后点击Simplify now；重复步骤，对每一个项目均进行简化，即可得到最后的简化三维模型；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
4.根据权利要求3所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：在步骤2)中，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值。
5.根据权利要求2所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：所述多阈值分割法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)创建Multi-Thresholding项目，点击Segamentation Editor，进入分割编辑；
3)选取最佳阈值生成三维模型，使用magic wand在视图区单击skull-jaw上的一点，通过改变点击位置可改变阈值大小，在Magic Wand矩形框内可拖动滑动器来调整阈值范围，阈值大小应在所调节的阈值范围居中的位置，确定最佳阈值，设置好最佳阈值后点选应用全部切片all slice，然后单击标记“+”按钮添加材料阈值参数，生成三维模型；优选地，在某个项目当中使用某一最佳阈值时，其它项的阈值需保持相同，即整个模型需使用同一个最佳阈值；
4)将简化后的三维模型保存为“.stl”格式，导入Geomigic Studio中进行三维模型的表面修复、模型小碎片的删除操作。
6.根据权利要求2所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：所述提取生物体特定结构部分法，具体步骤如下：
1)创建分析项目等值面Isosurface，在项目视图区创建等值面；
CT文件导入后在主面板出现多个项目，每个项目对应三维模型的其中一段扫描图像，对每个项目创建子分析项目Isosurface，单击Isosurface项上的灰色矩形框可显示或隐藏该项目；在Isosurface的属性窗口输入阈值，点击应用后可显示出该部分图像所对应其中一段三维模型，同时直接删去在扫描时生成的与三维模型无关的其他不相关物体扫描图像；
2)用多阈值分割法，生成包含整个生物体骨骼的模型；
3)创建Multi-Thresholding 2，选择Segmentation Editor，进入分割编辑，删除其他材料，创建新材料并命名，选择brush项，勾选Limited range only，调整阈值范围；
4)在视图区根据图像判断特定结构部分的位置，确认具体位置后，选择特定结构部分模型的图像；
5)将特定结构部分模型的图像添加至当前材料，在主面板生成模型表面，即得到生物体某一个特定结构。
7.根据权利要求1所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：在步骤(三)中，具体步骤如下：
(1)将得到的简化的三维模型的“.stl”文件在Geomagic Studio软件中打开，鼠标左键选择模型待删除的区域，之后点击菜单栏的删除按钮，得到优化后的三维模型；
(2)采用“网格医生”功能处理碎片，去除三维模型中交错的部分及不合理的形状以及钉状物；
(3)运用Geomagic Studio软件中的“简化模块”减少三角形的数量；
(4)将修整好的模型再经过步骤“精确曲面”、“自动化曲面”、“转换”及“发送到spaceclaim”转化成CAD模型；
(5)将得到的CAD文件直接保存为“.igs”格式。
8.根据权利要求1所述的生物体结构的三维重构与有限元分析方法，其特征在于：在步骤(四)中，具体步骤如下：
1)定义出主要区域；
2)进行网格化分；
3)添加主要部位的材料；
4)进行约束的添加、载荷添加；
5)得出等效应力云图和整体变形云图。
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