从单幅图像构建三维叶雕模型

针对传统镂空叶雕具有手工制作烦琐且不便传承的缺点,提出一种由单幅叶雕图像生成叶雕三维模型的辅助设计方法.首先将叶雕图像划分为镂空区域、无用区域和有用区域,根据用户选择遍历像素提取细长叶柄;然后通过距离图像生成初始三维模型并用S型函数进行高度调整;再利用灰度形态学处理方法获取叶脉图像叠加在模型上进行叶脉构建,采用保留特征的光滑算法光滑整个模型;最后以扩散流形式提取狭长区域骨架点,并进行接续,延伸,三角结构重构处理避免凹陷现象,利用模型上约束关系获取边缘点,重置边缘点、狭长区域骨架点以及叶柄骨架点高度调整模型,通过新点插入法处理缺断得到最终模型.实验结果表明,该方法能得到效果良好的叶雕三维模型.     

基于旋转模型的植物叶子卷曲变形模拟

为实现植物叶子卷曲变形实时仿真,提出了一种基于叶脉骨架的旋转模型。基于叶片图像构建叶子的三维模型,并利用轮廓中轴提取算法生成叶子主脉,由主脉节点自动分生二级叶脉。在此基础上,将叶脉骨架旋转模型拓展到整个叶膜,即叶片三角网格顶点绕叶脉骨架节点向量逐步进行空间旋转,从而实现整个叶片模型的动态变形。元宝枫仿真实验结果表明,该方法模拟的叶子卷曲变形效果具有较强的真实感,且算法的运行速度基本达到了实时性的要求。     

膝关节股骨假体的个性化设计与匹配程度分析

为了验证个性化设计方法在股骨假体匹配性上的合理性,并为股骨假体的个性化设计提供参考,提出以截骨面覆盖率和假体重合度为指标来分析股骨假体匹配性的方法.首先参考胫骨平台覆盖率的概念给出股骨假体截骨面覆盖率的定义,并引入假体重合度来分别量化股骨假体在截骨面和外形上的匹配程度;然后基于CT扫描数据重建人体膝关节三维模型,提取模型表面特征并完成股骨假体的个性化设计.将个性化股骨假体与Nex Gen,GEMINI和LEGION这3种标准型股骨假体一起进行模拟植入实验,测量并计算4种股骨假体截骨面覆盖率和假体重合度的值,结果表明,个性化股骨假体在截骨面和外形上的匹配性均优于3种标准型股骨假体;而截骨面覆盖率和假体重合度能够对假体匹配性进行系统的分析和评价,其结果可以作为膝关节假体个性化设计的重要参考.     

参数化股骨曲面特征模型的构建

为了便于参数化股骨曲面模型的编辑修改,利用曲面特征将股骨的网格模型分割为有医用意义的曲面特征单元,提出建立股骨曲面特征模型的方法.首先结合医学解剖需求,将由平均化点云模型构建的三角网格模型分割为有特定意义的多个区域,构成特征区域;其次设计特征参数及参数间约束关系,通过轮廓线蒙皮创建特征曲面;最后将相邻特征曲面通过过渡曲面连接,生成股骨参数化CAD曲面模型.实验结果表明,该方法能够有效地表达股骨表面形状特征,利用高层参数对股骨模型直观地进行构建和编辑,为股骨假肢设计以及不完整股骨的数字化修复等提供基础工具.     

基于等几何分析的股骨模型静力学分析

在利用人体股骨静力学分析进行假肢替换的研究中,要求置换股骨结构能承受最大载荷,因此要对其进行模型构建与力学分析.应用传统有限元方法会在模型转换过程中产生较明显的误差.为解决上述问题,采用等几何分析方法改进股骨模型的构建与分析.将人体股骨点云数据作为输入量,利用体参数化方法构建用于分析的体参数化模型.然后将该模型的参数曲面块作为单元,将其控制点作为未知量节点,对股骨模型施加边界条件和外载荷.依据虚位移原理推导子单元刚度矩阵和总体刚度矩阵.最后通过求解线性方程组得到静力分析结果,同时给出了应力分布云图.对某股骨静力学分析进行实例验证,结果表明,用等几何分析方法进行股骨静力学分析是合理有效的.     

网格分割及形态参数引导的股骨模型修复

骨科患者的骨骼通常存在畸形或坏损,修复性骨科临床中比较普遍地采取髋关节置换术及膝关节置换术,为此,提出一种对坏损股骨模型快速修复的方法.首先基于网格分割计算坏损股骨未受损区域的形态参数,并基于参数分析在样本库中检索最匹配模型;然后移植最匹配模型的相应区域对患骨的坏损区域进行修复.实验结果表明,该方法能有效地对股骨模型的病变区域实现快速修复,还原其正常形状,从而获取解剖上准确的股骨三维模型,可对骨科假体设计及手术过程提供重要支持.     

基于正向工程建模和CT灰度值赋予材料属性的人体股骨受力分析

按照股骨在站立位、膝关节先着地条件下进行分类,分析股骨在不同状态下的应力分布情况,并对股骨骨折的临床应用提供借鉴。利用MIMICS软件对志愿者股骨CT的DICOM数据进行三维重建模型,利用3-matic进行模型修复、光顺,利用有限元前处理软件SimLab进行有限元网格划分、并应用MIMICS基于股骨CT灰度值赋予材料属性,最后用ANSYSWorkbench结构静力学软件进行股骨应力模拟分析。计算结果表明股骨在站立位,应力主要集中在股骨的上中段,在膝关节着地时,股骨下段受力增大,且股踝间受力出现集中现象。计算结果说明不同受力状态下的股骨骨折的可能性。     

基于CT的正常与骨质疏松股骨模态分析

通过对志愿者人体股骨的CT影像数据进行图像处理,获得高精度的股骨三维模型,采用正向工程建立有限元模型,针对股骨的各向异性的材料特性,应用股骨材料属性经验公式获得正常股骨的材料属性与骨质疏松的股骨材料和属性,利用ANSYS MODAL仿真软件对正常股骨、骨质疏松的股骨进行前6阶模态计算,获得前6阶的股骨振动频率。根据所得数据,可对股骨假体置换手术提供借鉴,应避免与股骨的频率相近而产生谐振。     

骨架驱动的三维模型变形方法

为发展三维网格模型的变形技术,研究了多种三维模型变形算法,通过对骨架驱动变形算法的深入研究,针对现行算法多是以单一骨架驱动变形的不足,提出了一种新的基于多骨架点驱动的交互式局部变形方法.有效结合模型的骨架图结构,确定各骨架点对应的局部区域.并将骨架点拟合为二次Bézier曲线,通过交互式拖动任意骨架点计算与之相连的多骨架点的动态变化,实现模型局部区域的自然形变.实验结果表明了该算法的有效性和直观性.     

股骨3D模型构建在股骨头置换手术中的应用研究

医学影像三维可视化图像处理技术将医学影像的诊断与分析方法从二维空间拓展到了三维空间,极大地增强了医生对影像信息的阅读能力与水平。通过多维度、多层次观察和分析病变组织与器官的的形态及其与周围组织与器官的空间位置关系,可以更准确地对患者进行诊断并制定有效的治疗方案。本研究在系统分析图像分割算法的基础上,应用Mimics医学图像处理专用软件,通过窗宽窗位调整、阈值分割、蒙板编辑、区域增长以及形态学等一系列图像处理操作,分离出股骨并实施了股骨解剖模型的三维重建。该模型可以任意选择解剖结构进行组合显示及多方位观察,可任意调整透明度和伪彩,为医疗诊断和治疗的手术前科学规划及手术过程中的准确导航提供了一种有效的方法。     

An improved system for 3D individualized modeling of the artificial femoral head

The matching quality between the femoral head prosthesis and the acetabulum plays an important role in the operative treatment of the artificial femoral head replacement. In order to obtain a more accurate model of the femoral head prosthesis for the target sufferer, an improved individualized modeling system was presented in this paper. It was different from our previous system based on the sphere fitting method. This new system could reconstruct a more accurate ellipsoid model of the femoral head for the target sufferer. It could recover the necrotic femoral heads into the satisfactory models. These models could well match with the acetabulums. This improved system afforded a theoretical model for the accurate surgical position fixing in the orthopaedic clinic. And this system also provided an innovative practical means for the individualized modeling and manufacture of the artificial femoral head prosthesis.     

用图象三维重构技术设计人工髋关节

人工髋关节置换手术，作为治疗髋关节骨折等疾病的一种有效的治疗方法，在国内外已得到了广泛的应用，人工关节柄的形状与股骨腔吻合的程度，是直接影响人工关节长期稳定性，活动度及髋关节生物力学性能的重要因素。本文介绍了一个计算机辅助人工髋关节设计关系。它能从烯疏和间隔不均匀的CT图象重构髋关节的三维图象。本文介绍一个计算机辅助人工髋关节设计系统，它能从稀疏和间隔不均匀的CT图象重构髋关节的三维图象，然后根据它设计出人工关节。设计出的关节柄的形状与患者股骨腔比较吻合，主要几何尺寸与患者股骨一致，该系统还能显示截取了关节头后股骨，模拟股骨和人工关节装配的情况，为制定手术方案提供直观的观察工具。     

基于人工鱼群微细分解的先验未知像素点修复算法

由于未知像素点先验信息缺失,因此模块匹配和边缘结构信息未知,全息修复困难。传统方法采用子空间特征信息多维搜索方法未能实现对图像纹理的微细结构信息的模板匹配,效果不好。引入人工鱼群算法,提出一种基于人工鱼群微细分解和亮度补偿的先验未知像素点全息修复算法,即采用子空间特征信息多维搜索方法进行先验未知像素点置信度的更新,以保持被修复的图像破损区域的连续性。构建人工鱼群算法的图像微细分解模型,结合边缘特征点亮度补偿策略,来实现对先验未知像素点的图像信息修复改进。实验结果表明,改进的图像修复算法具有良好的视觉效果,修复时间和计算开销较少,提高了稳定性和收敛性,图像修复后的信噪比误差较小,保持在6%以内,因此该算法的性能优越。     

Designing fault detection observers for linear systems with mismatched unknown inputs

Algebraic unknown input observers (UIOs) that have been previously reported in the literature can be constructed under the assumption that linear systems with unknown inputs satisfy the so-called observer matching condition. This condition restricts practical applications of UIOs for fault detection and isolation (FDI). We present an algebraic design for fault detection observers (FDOs) for the case in which the observer matching condition is not satisfied. To loosen the restriction imposed by the observer matching condition, the UIO design method combined with the unknown input modeling technique is proposed to design an FDO that decouples the effect of mismatched unknown inputs. To do this, first, unknown inputs that denote the faults of no interest and process disturbances are decomposed into algebraically rejectable unknown inputs and modeled unknown inputs such that the observer matching condition is satisfied. Under the assumption that mismatched unknown inputs are deterministic and can be expressed as the responses of fictitious autonomous dynamical systems, an augmented system is obtained by combining the original system model with the unknown input model. Finally, through the design technique of a UIO for the augmented system, a reduced-order FDO is constructed to estimate an augmented state vector that consists of both the original state variables and the augmentative state variables. The estimated state is then used to generate the residual, which should be designed to be insensitive to unknown inputs while being sensitive to the faults of interest. Two numerical examples are provided to show the usefulness and the feasibility of the presented approach.     

基于骨架模型的船体结构快速建模

针对当前我国船舶结构设计中迭代次数多、设计存在异地性的问题,提出一种船 体结构快速建模方法。以“自顶向下”为设计思路,以骨架模型为实现载体,对船体结构特点进 行分析、总结后构建了面向船舶结构的骨架模型,给出船体结构骨架模型的定义。通过船舶结 构的骨架模型与参数坐标系实现船舶总体的快速布局设计;建立参数坐标系与船体板架之间的 关联关系实现船体结构的快速建模与快速调整,并给出相应算法;给出设计信息的组织方式并 将设计信息集成到骨架模型实现船体结构模型的完整性定义与快速建立。最后基于 CATIA V6 平台开发快速建模系统,并通过纵骨架式船体结构验证了方法的可行性。     

基于多尺度FAST-9的图像快速匹配算法

FAST-9检测子不具备尺度不变性,为此,提出一种基于多尺度FAST-9的图像快速匹配算法。对图像建立高斯尺度空间,在各图层上应用FAST-9检测子分别提取特征点,在其周围建立圆形区域并分配主方向,同时建立方形区域构造SURF描述子,利用基于最近邻匹配方法进行匹配。实验结果表明,与SURF、SIFT算法相比,该算法具有较高的匹配速度。     

基于断裂结构线匹配模型的大破损区域图像修复算法

针 对现阶段含有复杂结构信息的大破损区域图像修复算法中存在的断裂结构线连接错误、连接不平滑的问题,提出一种基于断裂结构线匹配模型的大破损区域图像修复算法。首先,深入分析了影响断裂结构线匹配度计算的因子,并根据这些影响因子的重要程度赋予不同权重值,在此基础上构造了一种断裂结构线匹配模型以得到相应的断裂结构线匹配对;然后,在这些断裂结构线匹配对的基础上拟合出光滑结构线,并将大的破损区域划分为了不同的子区域;最后,使用块匹配算法对破损子区域进行像素填充。在进行的6组对比实验中,所提算法在处理含有丰富结构信息的大破损区域边缘时,能够准确地对断裂结构线进行配对并且能在配对结果的指导下平滑连接断裂结构线,修复后的图像视觉效果明显比改进后的Criminisi算法、Hays算法以及IIPBDR算法得到的效果好。     

An automated method to position prosthetic components within multiple anatomical spaces

The level of fit and fill of a stem in the host femur is the most critical factor for the mechanical stability and success of the prosthesis. It would be useful to have a simulation tool able to investigate the anatomical compatibility of a new implant in a large library of femoral anatomies in the early phases of the design process. In order to realise this tool, it is necessary to develop an automatic method for the positioning of the stem in a database of anatomies. The aim of this study was to develop and evaluate a method for the automatic positioning of the stem geometry in the anatomical CT dataset. Two different strategies were considered: a completely automatic registration technique and a semi-automatic method based on an anatomical referencing. The two procedures were compared to the manual positioning obtained by an expert surgeon in a set of nine CT datasets. For both methods in each femur the positioning and the orientation of the stem were good. The results showed a better level of fitting for the automatic method, while the shift of the hip joint centre was lower for the anatomical referencing technique. However, the anatomical referencing method requires a higher computational effort without being significantly better than the automatic method. For this reason, the automatic method should be chosen to develop the automatic positioning of a stem in a database of anatomies.     

基于最优子序列双射的骨架树匹配

基于图描述的骨架图匹配大多考虑骨架图的拓扑结构,使得匹配精度受到影响。先通过骨架构造以骨架中心为根节点的骨架树,使用骨架中心到骨架端点测地路径等信息来描述骨架树的叶子节点,利用改进的最优子序列双射时序匹配算法来确定两幅骨架树叶子节点的匹配关系,该算法不考虑骨架树的拓扑结构,只匹配骨架树的叶子节点。通过匹配实验结果和检索实验结果,表明该方法有效地提高了匹配精度。     

Three-dimensional shape optimization of hip prostheses using a multicriteria formulation

A multicriteria optimization model is developed to obtain the optimal geometry of the femoral component of a hip prosthesis. The objective function minimizes both the relative tangential displacement and the contact normal stress. For cementless stems, these two factors are relevant for the prosthesis stability and therefore for the implant success. The three-dimensional optimization procedure developed allows us to characterize the stem shape that minimizes displacement and stress individually, or simultaneously using a multicriteria approach. Design variables characterize successive stem sections, and are subjected to linear geometric constraints to obtain clinically admissible geometries. Multiple loads are considered to incorporate several daily life activities. The system bone–stem is considered a structure in equilibrium with contact condition on the interface. Results show that thin stem tips minimize the interface stress while collared stems minimize displacement. The multicriteria formulation leads to balanced solutions.