Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngượckết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh

Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược kết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược kết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược kết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược kết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược kết hợp công nghệ CAD CAM trong kỹ thuật cơ y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Nguyễn Thiên Bách

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ NGƯỢC, KẾT HỢP CÔNG NGHỆ CAD/CAM TRONG KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – Năm 2018

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Trương Hoành Sơn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TS Trần Văn Địch XÁC NHẬN CỦA VIỆN CHUYÊN NGÀNH

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11

3 Luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn 12

Chương 1 13

GIỚI THIỆU CHUNG 13

1.1 Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược 13

1.1.1 Công nghệ thiết kế ngược là gì 13

1.1.2 Ưu điểm của việc ứng dụng công nghệ thiết kế ngược 14

1.1.3 Ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược 16

1.2 Công nghệ thiết kế ngược trong kỹ thuật cơ y sinh 18

1.2.1 Giai đoạn 1 – Đầu vào của MRE 21

1.2.2 Giai đoạn 2 – Thu thập dữ liệu 24

1.2.3 Giai đoạn 3 – Phân tích và xử lý dữ liệu 26

1.2.4 Giai đoạn 4 – Chế tạo mô hình thay thế 29

1.2.5 Các ứng dụng MRE 30

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 34

Chương 2 35

KHÔI PHỤC MÔ HÌNH ĐẦU XƯƠNG ỐNG CHÂN TỪ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH CHỤP CẮT LỚP CT 35

2.1 Tổng quan 35

2.2 Các công cụ được sử dụng 36

2.2.1 Phần mềm 3D – Slicer 37

2.2.2 Phần mềm Blender 39

2.2.3 Phần mềm Geomagic Studio 2012 39

2.3 Khôi phục mô hình giải phẫu xương ống chân ở người từ dữ liệu chụp CT 41

2.3.1 Dữ liệu đầu vào để xử lý 41

2.3.2 Sử dụng 3D – Slicer để khôi phục và phân đoạn hình dạng 3D 41

2.3.3 Sử dụng phần mềm Blender để làm mượt thô bề mặt 57

2.3.4 Sử dụng phần mềm Geomagic Studio 2012 để hoàn thiện mô hình và nâng cao chất lượng bề mặt 62

2.3.5 Kết quả và đánh giá mô hình sau xử lý 67

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 69

Chương 3 70

TÁI TẠO LẠI MÔ HÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

VÀ CÔNG NGHỆ CNC 70

3.1 Công nghệ tạo mẫu nhanh 70

3.1.1 Công nghệ Stereo Lithography Apparatus (SLA) 71

3.1.2 Thiêu kết laser chọn lọc (Selective Laser Sintering - SLS) 72

3.1.3 In phun phản lực 73

3.1.4 Mô hình hoá sự lắng đọng hợp nhất 73

3.1.5 In 3D 75

3.2 Tái tạo lại mô hình bằng công nghệ tạo mẫu nhanh 76

3.2.1 Lựa chọn phương pháp và vật liệu 76

3.2.2 Xử lý bề mặt sản phẩm 77

3.2.3 So sánh kết quả và đánh giá độ chính xác 80

3.2.4 Kết luận về ứng dụng phương pháp tạo mẫu nhanh 89

3.3 Ứng dụng công nghệ CNC để gia công một phần mô hình 90

3.3.1 Tách mặt ngoài của mảnh cấy ghép 90

3.3.2 Dùng phần mềm Cimatron E7 để lập trình gia công bề mặt 93

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 96

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 97

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Thiên Bách – Tác giả luận văn

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực

Nguyễn Thiên Bách

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

RE Reverse Engineering

RP Rapid Prototype

MRE Medical Reverse Engineering

MBE Biomedical Engineering

CAD Computer Aided design

CAM Computer Aided Manufacturing

CNC Computer Numeric Control

CAE Computer Aided Engineering

CT Computed Tomography

MRI Magnetic Resonance Imaging

FE Forward Engineering

RPD Rapid Prototyping Development

NURBS Non Uniform Rational B Spline

CMM Coordinate Measuring Machine

DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine ROI Region of Interest

FDM Fused Deposition Manufacturing

FEA Finite Element Analysis

\

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình chuyển vật thể có thật thành bản vẽ (dữ liệu số) 14

Hình 1.3 Sự tác động qua lại giữa các bước của MRE 21

Hình 2.2 Giao diện người dùng của phần mềm 3D - Slicer 42

Hình 2.4 Tải dạng dữ liệu của bệnh nhân lên phần mềm 43

Hình 2.7 Modul hiển thị hình ảnh 3D của đối tượng 45

Hình 2.12 Điều chỉnh để hình ảnh của xương thấy được rõ nhất 48

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

Hình 2.21 Thay đổi độ lớn của công cụ chỉnh sửa 55

Hình 2.25 Giao diện người dùng của phần mềm Blender 57

Hình 2.35 Giao diện người dùng của Geomagic Studio 2012 63

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

Hình 3.9 Mô hình lấy từ phần 2.2.4 (Mở trong phần mềm xử lý kết

Hình 3.11 Hai mô hình link với nhau ở trường hợp tối ưu nhất 84

Hình 3.16 Phương pháp cắt lát thích nghi trực tiếp 92

Hình 3.23 Mô phỏng quá trình gia công thô và tinh của bề mặt 96

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Lý do chọn đề tài

Sự ra đời của công nghệ thiết kế ngược (RE) trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản phẩm đã làm giảm đi rất nhiều thời gian cho việc thiết kế mô hình các sản phẩm mới Đi kèm với nó là sự ra đời và phát triển của công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) nó đã làm giảm đáng kể thời gian và chi phí liên quan đến việc sản xuất một mẫu thử nghiệm

Các ứng dụng của RE và RP đang tiến triển với tốc độ rất nhanh Chúng đã đi sâu vào các lĩnh vực khác nhau trong kỹ thuật Một trong số các ứng dụng của RE và RP là trong y tế Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong y học (MRE) có mục đích sử dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng lại mô hình 3D của kết cấu giải phẫu và đối tượng y học Kết quả sẽ được ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo các sản phẩm trong ngành y tế với chất lượng tốt hơn, đó cũng là mục tiêu lớn nhất cho việc nghiên cứu và phát triển MRE Thiết kế ngược trong cơ y sinh sẽ sử dụng mô hình đồ họa ba chiều từ các thiết bị X-quang, chụp cắt lớp, chụp cộng hưởng tử, scan 3D… để tạo ra các mô hình 3D dùng trong quá trình phẫu thuật, chỉnh hình, thay thế bộ phận, nghiên cứu hoặc làm công cụ giảng dạy, đào tạo rất trực quan Công nghệ này đã và đang được ứng dụng, nghiên cứu và phát triển để tạo ra các phần hoặc bộ phận cơ thể người

sử dụng trong việc điều trị các chấn thương, chỉnh hình hoặc chế tạo các công cụ hỗ trợ phẫu thuật, hỗ trợ điều trị mà có thể phù hợp với từng cá nhân riêng biệt góp phần tăng hiệu quả điều trị Một số ứng dụng điển hình của MRE được thể hiện như: việc xây dựng lại xương cho từng cá nhân khác nhau, xây dựng lại mô hình răng để phân tích, chế tạo công cụ phẫu thuật trong đào tạo y học, khoa học thị giác và đo thị lực, chỉnh hình, lắp đặt bộ phận giả và rất nhiều các vấn đề kỹ thuật khác có liên quan Điều này

là vô cùng cần thiết và rất có ý nghĩa trong quá trình phát triển nền y học hiện đại, nó giúp cho chúng ta có thể thay thế, khôi phục gần như hoàn toàn với các đặc điểm riêng

biệt của từng người tạo hiệu quả cao trong điều trị, có tính linh hoạt đối với các đặc điểm sinh lý của từng bệnh nhân

Tuy nhiên, không giống như trong công nghiệp, việc sử dụng được các mô hình, sản phẩm thiết kế ngược trong lĩnh vực y học cần có những yêu cầu rất cao, trong đó

có việc thu thập và xử lý dữ liệu, nâng cao độ chính xác của mô hình và độ chính xác sau khi chế tạo mẫu thay thế là rất quan trọng Do đó, việc nghiên cứu, tìm hiểu, thu thập và xử lý các dữ liệu của bệnh nhân, đối tượng y học là một việc quan trọng trong quá trình ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong y học (MBE) Từ các ưu điểm và các yêu cầu trên, việc nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược và công nghệ tạo mẫu nhanh kết hợp với công nghệ CAD/CAM/CNC trong lĩnh vực cơ y sinh là rất cần thiết góp phần không nhỏ trong quá trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng MRE

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Như đã đề cập ở trên, việc thay thế một số thành phần trên cơ thể người là rất phức tạp không chỉ đơn thuần về các vấn đề sinh học mà còn liên quan tới độ chính xác của các thành phần thay thế Vì vậy, mục tiêu của việc ứng dụng công nghệ thiết kế ngược, công nghệ tạo mẫu nhanh và ứng CAD/CAM để nâng cao độ chính xác phần thay thế là rất quan trọng và mang lại được nhiều lợi ích, không chỉ giảm được chi phí

mà còn tăng độ tin cậy, không ảnh hưởng tới cuộc sống của người bệnh Tuy nhiên việc áp dụng công nghệ này còn có một số vấn đề sau:

- Độ chính xác của mô hình sau khôi phục

- Độ chính xác của sản phẩm sau khi chế tạo

Do đó, luận văn này tập trung nghiên cứu về công nghệ thiết kế ngược trong cơ học y sinh và sử dụng các phần mềm chuyên dụng để xây dựng lại một mô hình giải phẫu từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT), tiến hành xử lý dữ liệu, nâng cao chất lượng

bề mặt cũng như độ chính xác của mô hình sau khi khôi phục Sau đó sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo mô hình thay thế, đánh giá độ chính xác sau khi chế

tạo, tiến hành lập trình CAM cho một phần của mẫu thử nghiệm, chứng minh khả năng gia công CNC của một phần mẫu thử, phục vụ quá trình chế tạo khuôn mẫu cho mảnh cấy ghép khi cần thiết

Trong luận văn này đã sử dụng mẫu dữ liệu chụp CT phần ống chân của một bệnh nhân [5] để làm đối tượng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

3 Luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ thiết kế ngược và quá trình ứng dụng của nó trong cơ y sinh

- Chương 2: Tìm hiểu và sử dụng các công cụ, phần mềm chuyên dụng để xây dựng lại mô hình 3D của mẫu, từ đó nâng cao độ chính xác của mô hình sau khi khôi phục

- Chương 3: Ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh để chế tạo một mẫu vật sau khi xây dựng lại mô hình, đưa ra các đánh giá và kết luận về việc ứng dụng các phương pháp trên Trích xuất một phần để lập trình CAM có thể gia công trên máy CNC

- Kết luận chung về các vấn đề đạt được và đưa ra các phương hướng mới trong nghiên cứu và ứng dụng

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược

1.1.1 Công nghệ thiết kế ngược là gì

Kỹ thuật là quá trình thiết kế, sản xuất, lắp ráp các sản phẩm và hệ thống Có hai loại thiết kế trong kỹ thuật là thiết kế thuận (FE) và thiết kế ngược (RE) Thiết kế thuận

là quá trình truyền thống đi từ một ý tưởng của người thiết kế và và tiến hành thực hiện bản vẽ, tài liệu công nghệ và chế tạo thành một sản phẩm hoàn chỉnh Tuy nhiên, trong một số trường hợp thực tế khi chỉ có một chi tiết, cụm chi tiết hoặc một sản phẩm mà không có bất kỳ tài liệu kỹ thuật nào, chẳng hạn như bản vẽ, thông số kỹ thuật cơ bản hoặc các tài liệu kỹ thuật liên quan Khi đó, việc sửa chữa hoặc chế tạo thay thế gặp rất nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này, cần phải có cách sao chép lại hình dạng, kích thước của đối tượng một cách chính xác nhất Quá trình sao chép hình dạng, kích thước của một chi tiết, bộ phận mà không có bản vẽ kỹ thuật, tài liệu liên quan hoặc

mô hình máy tính (3D) được gọi là thiết kế ngược Thiết kế ngược cũng được định nghĩa là quá trình lấy mô hình CAD hình học từ các điểm 3D thu được bằng cách quét,

số hóa bề mặt các chi tiết hay sản phẩm hiện có Các nhà nghiên cứu trên thế giới cũng định nghĩa RE theo các cách khác nhau như: “RE là khái niệm cơ bản về sản xuất một phần dựa trên mô hình nguyên bản hoặc vật lý mà không sử dụng bản vẽ kỹ thuật” Hay như: “RE là quá trình lấy hình học mới từ một phần sản xuất bằng cách số hóa và sửa đổi một mô hình CAD hiện có”[2] Tất cả các định nghĩa trên về cơ bản là giống nhau

Công nghệ thiết kế ngược hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như: trong sản xuất công nghiệp, thiết kế và phục chế đồ trang sức, phục chế các mô hình có ý nghĩa lịch sử cần bảo tồn và trong y tế Ví dụ như thiết kế kiểu dáng ô tô, nhà thiết kế sẽ đưa ra hình dạng cho ý tưởng của họ bằng cách sử dụng đất sét, thạch cao,

gỗ, cao su hoặc xốp mà chưa cần phải có bản vẽ mô hình CAD, sau khi ý tưởng và mẫu

mã được phê duyệt sẽ tiến hành lấy mô hình CAD của sản phẩm để thiết kế chi tiết, chỉnh sửa nhỏ nếu cần và lập hồ sơ công nghệ Lúc này, với mô hình mẫu thật sẽ tiến hành số hóa mô hình bằng các phương pháp khác nhau như quét 3D, lấy tọa độ bằng đầu dò quá trình này gọi là thiết kế ngược Một lý do khác cho sự phát triển của kỹ thuật ngược là giảm thời gian, chu kỳ phát triển sản phẩm Trong thị trường toàn cầu cạnh tranh mạnh mẽ, các nhà sản xuất không ngừng tìm kiếm những cách thức mới để rút ngắn thời gian dẫn đầu thị trường một sản phẩm mới Phát triển sản phẩm nhanh (RPD) đã đề ra yêu cầu về sự phát trển của các công nghệ và kỹ thuật hiện nay để hỗ trợ, đáp ứng nhu cầu rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm của các nhà sản xuất và nhà thiết kế Ví dụ, bằng cách sử dụng kỹ thuật ngược, một sản phẩm hay mô hình vật

lý bất kỳ có thể được ghi lại rất nhanh dưới dạng dữ liệu số sau đó được chỉnh sửa lại

và xuất ra để tạo mẫu nhanh hoặc sản xuất nhanh bằng các công cụ hỗ trợ như công nghệ tạo mẫu nhanh và gia công CNC[2]

Hình 1.1 – Quá trình chuyển vật thể có thật thành bản vẽ (dữ liệu số)

1.1.2 Ưu điểm của việc ứng dụng công nghệ thiết kế ngược

Công nghệ thiết kế ngược có thể được ứng dụng để tái tạo lại một sản phẩm thương mại mang lại hiệu quả kinh tế cao hoặc có giá trị về văn hóa cần bảo tồn Trong lĩnh vực cơ khí và sản xuất công nghiệp, thiết kế ngược được dùng để chế tạo thay thế các bộ phận bị hỏng mà không có tài liệu kỹ thuật Đưa ra phương pháp khôi phục các

bản thiết kế, các tài liệu liên quan tới đối tượng gốc của các cụm chi tiết giúp giảm chi phí mua mới, hoặc tạo thêm phụ tùng để duy trì sản phẩm trong một thời gian dài hơn khi chi tiết đó không còn trên thị trường nữa[1]

Công nghệ thiết kế ngược cũng được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực như kỹ thuật cơ khí, phần mềm, hóa học, điện, y học[1].Chúng có một số ưu điểm sau

mà chúng ta nên sử dụng thiết kế ngược[2]:

- Nhà sản xuất ban đầu không còn tồn tại, nhưng khách hàng vẫn cần sản phẩm

Ví dụ như: phụ tùng máy bay được yêu cầu sau khi đã hoạt động nhiều năm

- Nhà sản xuất ban đầu của một sản phẩm không còn sản xuất sản phẩm đó nữa

- Tài liệu thiết kế của sản phẩm gốc đã bị mất hoặc thiếu thông tin

- Tạo ra dữ liệu để tối ưu lại, sản xuất lại một chi tiết mà không có dữ liệu CAD hoặc dữ liệu đã cũ

- Kiểm tra và kiểm soát chất lượng bằng cách so sánh phần chế tạo với mô hình CAD hoặc so sánh với một tiêu chuẩn

- Cần loại bỏ các phần chưa tốt của sản phẩm

- Phân tích và so sánh các tính năng của sản phẩm giữa các đối thủ cạnh tranh

- Tìm ra cách làm mới để cải thiện tính năng của sản phẩm

- Tạo ra mô hình 3D từ các đối tượng, mô hình có sẵn; phục chế tác phẩm điêu khắc; chế tạo lại, phóng to, thu nhỏ để làm mô hình lưu trữ hoặc chế tạo lại

- Xây dựng kho dữ liệu trong hội họa góp phần vào việc bảo tồn các giá trị văn hóa truyền thống

- Thiết kế các mẫu quần áo, giày dép phù hợp với từng cá nhân

- Tạo ra các bộ phận giả trong nha khoa hay phẫu thuật, thiết kế các bộ phận cơ thể, phục vụ quá trình phẫu thuật và đào tạo trong y học

Với rất nhiều ứng dụng thực tế, công nghệ thiết kế ngược đã trở thành một trong những chìa khóa quan trọng trong việc phát triển các ngành khoa học khác nhau Nó có

thể coi là một bước ngoặt trong việc nâng cao năng suất, chất lượng và đa dạng hóa sản phẩm công nghiệp

1.1.3 Ứng dụng của công nghệ thiết kế ngược

Công nghệ thiết kế ngược là một cách tiếp cận đa ngành và hầu như có thể được

áp dụng cho nhiều lĩnh vực công nghiệp trên toàn cầu Các ứng dụng chính của RE là tạo lại một bản sao một phần của phần gốc hoặc xây dựng lại các đối tượng đã có sẵn Hàng ngàn bộ phận được khôi phục lại mỗi năm bằng cách sử dụng kỹ thuật RE đã đáp ứng được nhu cầu thị trường với trị giá hàng tỷ USD[1] Việc phát minh ra công nghệ

kỹ thuật số là tiền đề cơ bản cho sự phát triển của nó Công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng đầu tiên và rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không và ô tô Ngày nay, với sự phát triển của nó, các ứng dụng của RE đã và đang bắt đầu được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học đời sống đặc biệt là trong ngành y tế, công nghệ này đang dần được khai thác và cho những hiệu quả rõ rệt[1] Dưới đây là một số ứng dụng

cơ bản của công nghệ thiết kế ngược:

1.1.3.1 Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Công nghệ thiết kế ngược có liên quan đến việc sao chép thiết kế ban đầu cho mục đích cạnh tranh Tuy nhiên, trong thế giới sản xuất, khái niệm về thiết kế ngược đang được áp dụng hợp pháp để sản xuất sản phẩm mới hoặc các biến thể của sản phẩm cũ Thuật ngữ “ngược” xuất phát từ khái niệm trao đổi dữ liệu hai hướng giữa thế giới số và vật lý Tác dụng chính trong việc phát triển thiết kế có hỗ trợ máy tính (CAD), kỹ thuật phân tích (CAE) và sản xuất (CAM) là tạo ra một sản phẩm trong máy tính và mang lại kết quả cho thế giới thực CAD được cho là có khả năng xác định một phần đơn giản hoặc phức tạp hoàn toàn từ các đặc điểm của nó Các thành phần của CAE như phần mềm phân tích kết cấu, nhiệt, động học, động lực học, dòng chất lỏng, chất khí Phần mềm CAM sẽ đưa ra các phương pháp chế tạo tối ưu sao cho có chất lượng và năng suất cao nhất Ngày nay, kỹ thuật ngược được áp dụng trong việc tạo bề

mặt các bộ phận cơ khí có hình dạng hình học phức tạp như cánh tuabin, bánh răng, động cơ xe hơi, vỏ bọc, bộ khí đốt [1]

1.1.3.2 Ứng dụng trong hàng không và hàng hải

Cách tiếp cận công nghệ thiết kế ngược đã được sử dụng bởi Boeing và các công

ty hàng không vũ trụ khác để tạo ra hàng ngàn phụ tùng từ việc chuyển đổi dữ liệu kế thừa vào môi trường CAD Phương pháp ứng dụng kỹ thuật ngược là chìa khóa cho tương lai của sản xuất hàng không vũ trụ Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ hiện đại sử dụng kỹ thuật ngược vì những lý do chính sau:

- Để tạo các bộ phận cũ không có mô hình CAD

- Để khắc phục các trở ngại trong trao đổi dữ liệu

- Để giải quyết các vấn đề phát sinh từ sự khác biệt giữa mô hình chính CAD và công cụ thực tế hoặc phần được xây dựng

- Để xác nhận chất lượng và hiệu suất bằng kiểm tra hỗ trợ máy tính và phân tích

kỹ thuật

Một ứng dụng khác trong hàng hải đó là việc đo và tái cấu trúc hình dạng của một thân tàu hoàn chỉnh và các bộ phận của tàu Điều này là một nhiệm vụ thường xuyên định kỳ trong lĩnh vực đóng tàu và sửa chữa tàu[1]

1.1.3.3 Ứng dụng trong y học

Đối với lĩnh vực y tế hiện nay đã bắt đầu đưa công nghệ thiết kế ngược vào ứng dụng Đó là các ngành công nghiệp thiết bị y tế, đặc biệt là trong việc thực hiện thay thế các bộ phận nhân tạo vào cơ thể con người Áp dụng hình ảnh được quét kết hợp với việc phân tích phần tử hữu hạn trong kỹ thuật ngược đã giúp các kỹ sư có thể xây dựng chính xác các bộ phận và có thể tùy chỉnh phù hợp nhất với từng bệnh nhân Các yêu cầu cơ bản cho kỹ thuật ngược trong y học và thiết bị y tế là sự phù hợp với đặc điểm sinh lý của tế bào sống, cơ quan con người và sự liên hệ giữa chúng Các kỹ sư và

nhà khoa học đã phải làm theo hướng ngược lại đó là chụp và dựng lại các bộ phận để

có thể quan sát được các bộ phận bên trong cơ thể và các yếu tố sinh học phải có để hiểu được cơ chế tái tạo các chức năng sinh học của các bộ phận này[1]

Thiết kế ngược trong cơ y sinh, các kỹ sư trước tiên phải lựa chọn các vật liệu được sử dụng và thiết bị y tế chuyên dùng cần có, sau đó hình dạng hình học của bộ phận cần phải được số hóa chính xác và lựa chọn phương án chế tạo nó Kỹ thuật ngược đang được sử dụng trong một số lĩnh vực y tế như: nha khoa, máy trợ thính, đầu gối nhân tạo, chân tay giả, khôi phục và chỉnh hình, các vấn đề về tim, phụ kiện hỗ trợ điều trị như ốp chân, ốp tay[1]

Dựa trên các yêu cầu đặc biệt trong lĩnh vự y tế, với sự hỗ trợ của các thiết bị như máy chụp cắt lớp, máy chụp cộng hưởng từ, máy quét 3D và máy tính có thể xây dựng các mô hình, thiết bị có thể tùy chỉnh cho từng bệnh nhân Sự phát triển của các ứng dụng công nghệ thiết kế ngược cũng phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ liên quan như: để làm cho máy trợ thính không dây nhỏ hơn, tinh vi hơn và hiệu quả hơn với chi phí thấp hơn; các ứng dụng của kỹ thuật ngược để chỉnh hình đầu gối, hông, hoặc cột sống khi cấy ghép được dễ dàng hơn[1]

Công nghệ thiết kế ngược cũng được sử dụng để tái tạo lại các bộ phận ngay trước và ngay sau tai nạn trong ngành hàng không, ô tô và các ngành vận tải khác Các lĩnh vực khác như: thiết kế thời trang; trong ngành công nghiệp hóa chất; kiến trúc và

kỹ thuật dân dụng; phòng trưng bày nghệ thuật cũng đã được ứng dụng công nghệ này[1]

1.2 Công nghệ thiết kế ngược trong kỹ thuật cơ y sinh

Khi RE được sử dụng trong nghiên cứu và phát triển y học, nó được gọi là MRE

Đó là việc sử dụng các dữ liệu của bênh nhân hoặc đối tượng của y sinh học để xây dựng lại mô hình 3D các cấu trúc giải phẫu của đối tượng liên quan và phát triển các sản phẩm y học khác nhau để nghiên cứu và ứng dụng trong cơ học y sinh Độ chính

xác yêu cầu của MRE phụ thuộc vào các ứng dụng riêng biệt Ví dụ, đối với các lĩnh vực như: răng hàm mặt; đối tượng y sinh để đào tạo thì độ chính xác được yêu cầu không cao bằng RE trong công nghiệp, sai số có thể cho phép tới hàng trăm micron Tuy nhiên đối với dụng cụ phẫu thuật và cấy mô như cột sống, hông và đầu gối, độ chính xác yêu cầu rất cao [4]

Mục tiêu cuối cùng cho tất cả các quá trình RE là thu được dữ liệu 3D của đối tượng từ các quá trình khác nhau trong y học như: Hình ảnh chụp X-quang, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hưởng từ, dữ liệu quét 3D Có 2 loại dữ liệu được sử dụng phổ biến để xây dựng mô hình 3D phục vụ thiết kế cơ khí, chỉnh sửa, nghiên cứu và phát triển sản phẩm là [4]:

- Dạng lưới tam giác và đa giác

Bề mặt NURBS là đầu ra chủ yếu của quá trình RE mà chúng ta cần phải thu được trong các ứng dụng có yêu cầu độ chính xác cao NURBS là dạng cơ bản để định nghĩa độ chính xác của các đường cong và bề mặt tự do NURBS được sử dụng cho các

- Có thể ước lượng hợp lý, nhanh bởi số lượng ổn định và thuật toán chính xác

- Không thay đổi dưới phép cộng tuyến cũng như sự thay đổi luật phối cảnh

- Tổng quát hóa của đường cong không hữu tỷ B spline và bề mặt và đường cong không hữ tỷ và hữu tỷ Bezier

Hình 1.2 – Các bước của quá trình MRE

Về cơ bản, phương pháp MRE được thể hiện ở hình 2, trong đó thể hiện trạng thái của chuỗi dữ liệu để xây dựng lại mô hình hình học 3D của đối tượng khi nghiên cứu

và phát triển MRE Có 4 giai đoạn cơ bản[4]:

- Giai đoạn 1: Đầu vào MRE

- Giai đoạn 2: Thu thập dữ liệu

- Giai đoạn 3: Phân tích và xử lý dữ liệu

- Giai đoạn 4: Nghiên cứu và phát triển ứng dụng cơ y sinh

1.2.1 Giai đoạn 1 – Đầu vào của MRE

Đầu vào của MRE là rất quan trọng đối với dữ liệu thu được để nghiên cứu và ứng dụng trong y học Điều này không chỉ phụ thuộc vào việc sử dụng công nghệ và phương pháp thu thập dữ liệu mà còn phải xử lý và phân tích dữ liệu Nó điều khiển yêu cầu về độ chính xác từ mô hình 3D được xây dựng [4]

Hình 1.3 – Sự tác động qua lại giữa các bước của MRE Bước cuối cùng của việc ứng dụng MRE là xây dựng lại mô hình giải phẫu của một cá nhân nào đó, phẫu thuật và phân tích các vấn đề về nha khoa, chế tạo dụng cụ phẫu thuật, chế tạo mô hình trong đào tạo y học, khoa học thị giác và đo thị lực, phẫu thuật chỉnh hình, thay thế xương giả, và các vấn đề khác liên quan tới y học Bảng 2 trình bày các dạng dữ liệu đầu vào của MRE đối với các ứng dụng khác nhau trong y

học Đầu vào MRE có thể là bệnh nhân hoặc đối tượng vật lý, cũng có thể là mẫu y học được lấy từ các thông tin về hình học của đối tượng cần nghiên cứu và chúng được ghi lại để sử dụng cho việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng khác trong y học [4] Bảng 1.1 – Dạng dữ liệu tùy vào các ứng dụng của MRE

- Đầu vào: Bệnh nhân

- Loại dữ liệu: Hình ảnh CT hay MRI Cấy ghép phẫu thuật cranio-maxillofacial

- Bệnh nhân

- Mẫu thạch cao

- Dữ liệu đầu vào: Hình ảnh CT; MRI; đám mây điểm

Mô phỏng: Mô phỏng vị trí cấy ghép trên mô hình 2D & 3D, xác định kênh ống hàm dưới, tính toán mật độ xương và lập kế hoạch phẫu thuật

Các đồ gá để hỗ trợ quá trình loại bỏ các khối u trong phẫu thuật tái tạo xương

Đào tạo &

mô phỏng

phẫu thuật

Mô hình đào tạo y khoa cho bác sĩ phẫu thuật

và bác sĩ y khoa để nâng cao kỹ năng phẫu thuật cũng như học & thực hành khám sức

- Bệnh nhân

- Đối tượng y sinh

- Mẫu thạch cao

khỏe, thủ thuật y tế nói chung và kỹ năng lâm sàng

- Dữ liệu đầu vào: Hình ảnh CT; MRI; đám mây điểm

Mô hình 3D ảo cho mô phỏng y tế, phân tích y sinh học và nghiên cứu

Mô phỏng và nghiên cứu thấu kính tiếp xúc và hình dạng mắt

Khoa chỉnh

hình

Phát triển cấy ghép hông và đầu gối cũng như các dụng cụ phẫu thuật như tấm chỉnh hình, dụng cụ cố định và ốc vít

Mô hình 3D để phân tích và nghiên cứu y sinh học

Kỹ thuật

mô

Thiết kế và sản xuất giàn giáo kỹ thuật mô - Bệnh nhân

- Đối tượng y sinh

- Dữ liệu đầu vào: Hình ảnh CT; MRI;

Mô hình hóa 3D cấu trúc xương để phân tích và nghiên cứu y sinh học

đám mây điểm

1.2.2 Giai đoạn 2 – Thu thập dữ liệu

Việc thu nhận dữ liệu MRE được chia thành 2 phương pháp chính: Phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc

- Phương pháp không tiếp xúc: Bộ số hóa không tiếp xúc sử dụng laser, giao thoa ánh sáng Máy quét laser chiếu sáng một điểm hoặc một đường ánh sáng mỏng trên bề mặt của vật thể Các hệ thống chiếu sáng một dòng sẽ có tốc độ thu thập

dữ liệu điểm nhanh hơn hàng trăm lần so với các hệ thống chiếu sáng bằng một điểm sáng Máy quét miền phẳng cho hiệu quả quét nhanh hơn so với máy quét điểm, và rất thích hợp cho các đối tượng lớn Tất cả đều sử dụng một kỹ thuật được gọi là phương pháp tam giác quang học để xác định vị trí của các điểm trong không gian 3D Một chùm tia laser trực tiếp được phát ra từ một máy ảnh

ở một khoảng cách và được định hướng ở một góc giữa chùm tia với vật quét

Hệ thống của máy ảnh sẽ thu ánh sáng phản xạ từ vật thể Từ vị trí của điểm sáng được thấy bởi cảm biến và được tính toán phạm vi và góc giữa laser và điểm chiếu sáng của đối tượng Trong một hệ tọa độ đã thiết lập, các tọa độ (x,

y, z) của điểm có thể thu được bằng các phép đo này Số hóa bằng laser cho phép số hóa các chi tiết phức tạp nhất và các bề mặt khó đo nhất Độ chính xác của các thiết bị này có thể lên tới 0.1mm Số hóa bằng laser không phải là không

có giới hạn của nó Bởi vì quá trình này dựa trên phân tích ánh sáng phản chiếu nên nó có thể bị sai khi ánh sáng phản xạ từ một số loại bề mặt nhất định Các vật thể có bề mặt sáng bóng hoặc có màu sáng có khuynh hướng làm méo mó ánh sáng laser phản chiếu Tương tự như vậy, các đối tượng trong suốt và mờ có thể phản chiếu một số ánh sáng từ bên trong chúng, làm hỏng các tọa độ bề mặt

Laser số hóa hoạt động tốt nhất với màu trắng hoặc ánh sáng màu xám đối tượng với một kết thúc mờ phẳng Đối với vật thể có bề mặt khó quét có thể sử dụng sơn hoặc bột lên bề mặt đối tượng để khắc phục các vấn đề nói trên Trong

y tế và công nghiệp, chẳng hạn như MRI (chụp cộng hưởng từ) và CT (chụp cắt lớp vi tính) là các phương pháp không tiếp xúc có được dữ liệu chiều từ bên

trong của một vật thể [13]

- Phương pháp tiếp xúc đang được sử dụng các thiết bị cảm ứng với cánh tay robot, máy CMM và máy CNC để số hóa một bề mặt Với phương pháp không tiếp xúc, hình ảnh mặt cắt ngang 2D và đám mây điểm thể hiện hình dạng hình học của đối tượng được lưu giữ lại bởi nguồn năng lượng (ánh sáng, âm thanh hay từ trường) lên một vật Khi đó nó được truyền hay phản xạ năng lượng được quan sát thấy Dữ liệu hình học của đối tượng sau đó được tính toán bởi việc sử dụng phép đo tam giác, thông tin giao thoa sóng và xử lý hình ảnh Điều này không có liên quan giữa phần cứng RE và đối tượng cho tới khi xử lý dữ liệu thu thập được [4]

Tuy nhiên, do hầu hết các ứng dụng trong y học là xử lý trên các đối tượng có các dạng hình học phức tạp và cấu trúc kết cấu bên trong của đối tượng y sinh, kỹ thuật tiếp xúc được sử dụng ít hơn kỹ thuật không tiếp xúc trong việc xử lý dữ liệu MRE Tuy nhiên, đối với ứng dụng mà yêu cầu độ chính xác cao, phương pháp tiếp xúc lại được sử dụng Bảng 3 thể hiện ưu điểm và nhược điểm của phương pháp tiếp xúc và không tiếp xúc Phục thuộc vào ứng dụng sử dụng cuối cùng và yêu cầu độ chính xác, công nghệ thu thập dữ liệu thích hợp sẽ được lựa chọn [4]

Bảng 1.2 – So sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp

Tiếp xúc

(i) Độ chính xác cao; (ii) Chi phí thấp;

(iii) Khả năng đo khe sâu và túi; và (iv) Không nhạy cảm với màu hoặc trong suốt

(i) Thu thập dữ liệu chậm; và

(ii) Sự biến dạng của các vật mềm bằng đầu dò

để hoàn thành nhiệm vụ

(i) Các giới hạn có thể xảy ra đối với các bề mặt có màu hoặc trong suốt hoặc phản xạ; và (ii) độ chính xác thấp hơn

Quá trình thu thập dữ liệu đầu ra của MRE có thể theo 2 loại:

- Đám mây điểm

- Hình ảnh mặt cắt 2D

Sau đó có đầu vào cho toàn bộ quy trình sử lý dữ liệu MRE để nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong y học Khi ánh sáng laser và ánh sáng cấu trúc được sử dụng làm nguồn dự báo, đầu ra của quá trình thu thập dữ liệu MRE là dạng đám mây điểm Khi công nghệ CT và MRI được xử dụng thì đầu ra là dạng hình ảnh mặt cắt 2D [4]

1.2.3 Giai đoạn 3 – Phân tích và xử lý dữ liệu

Dựa trên 2 loại dữ liệu thô đầu ra của quá trình thu thập dữ liệu, bao gồm đám mây điểm và dạng mặt cắt 2D Sử dụng các cách xử lý dữ liệu khác nhau và các công

cụ liên quan để có được các mô hình 3D đúng của các cấu trúc giải phẫu hoặc đối

tượng quan tâm cho việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng y học được thể hiện trong hình 2 [4]:

1.2.3.1 Đầu vào dạng đám mây điểm

Đầu vào dạng đám mây điểm thường đòi hỏi phải quét các đối tượng để nắm bắt được toàn bộ hình dạng hình học hoặc một khu vực quan tâm trên đối tượng Do

đó, cần thiết để kết hợp, sắp xếp hoặc liên kết đám mây điểm từ nhiều lần quét với nhau để tất cả các điểm đám mây trong chuỗi được sắp xếp trong định hướng đúng của chúng Thêm vào đó, một số lỗi nhất định có thể sảy ra khi quét dữ liệu như: điểm có thể được đặt ở các vùng không mong muốn hoặc chồng chéo lên nhau Điều này là do các điểm đã được quét nhiều lần khi quét các hình dạng phức tạp Do đó tối ưu hóa dữ liệu sau đó là một việc rất quan trọng Trong bước này, có 2 cách lấy điểm phổ biến sau đây được sử dụng[4]:

- Giảm điểm

- Điểm lấy mẫu

Chức năng lấy mẫu được sử dụng để giảm thiểu số điểm trong dữ liệu đám mây điểm để dễ dàng làm việc và làm cho dữ liệu có cấu trúc tốt hơn Cuối cùng, dữ liệu đám mây điểm tối ưu cuối cùng là tam giác để tạo lưới tam giác 3D hoặc các mô hình

đa giác của các mô hình 3D mô hình lưới tam giác sau đó được tối ưu hóa, thao tác và kiểm soát hoặc chuyển đổi thành mô hình 3D NURBS CAD để đáp ứng yêu cầu từ ứng dụng sử dụng cuối cùng[4]

Đối với dữ liệu dạng đám mây điểm thu được từ máy quét laser hoặc máy đo tọa

độ, mô hình 3D được nội suy thành các dạng bề mặt khác nhau chẳng hạn như bề mặt bậc hai, bề mặt Bézier, bề mặt B-spline Trong các phương pháp này, yêu cầu dữ liệu đầu vào là dạng đám mây điểm Do đó, trước khi các đám mây điểm được áp dụng cho hình ảnh y tế, dữ liệu điểm đám mây của vùng cần nghiên cứu (ROI) sẽ được trích xuất

ra để xử lý Hình dạng xây dựng lại bằng cách sử dụng các phương pháp này sẽ mất

nhiều thời gian và sẽ không thể tránh khỏi hiện tượng bậc thang hoặc hiện tượng răng cưa Ngoài ra, tham số hóa là một quá trình bắt buộc để có thể lập sơ đồ vị trí của các điểm trong một đám mây điểm và giá trị kích thước của bề mặt xây dựng lại Đối với các mô hình phức tạp, độ chính xác mô hình sau khôi phục có thể thấp [14]

1.2.3.2 Đầu vào dạng hình ảnh mặt cắt

Đối với máy chụp cắt lớp (CT) hoặc máy chụp cộng hưởng từ (MRI), các hình ảnh thường được lưu trữ ở định dạng DICOM Tuy nhiên, với các ứng dụng sử dụng hệ thống chụp ảnh micro CT sẽ cho ra các dạng dữ liệu khác nhau như BMP hoặc PNG,

độ phân giải hình ảnh của các hệ thống micro CT này có thể đạt tới một vài micron [4]

Để xử lý được các hình ảnh này đòi hỏi phải có các công cụ và gói phần mềm xử

lý hình ảnh chuyên dụng mới có thể tái tạo lại mô hình 3D của các đối tượng cần nghiên cứu Có hai bước cơ bản để tái tạo mô hình 3D từ hình ảnh các lát cắt 2D:

- Phần chia hình ảnh

- Khoanh vùng khu vực quan tâm (ROI)

Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để phân đoạn và xác định ROI của đối tượng nghiên cứu, là công việc cần thiết cho quá trình xây dựng lại mô hình 3D Các

kỹ thuật đó dựa trên giá trị xám của các điểm ảnh Các đối tượng có thể được xác định dựa trên một giá trị giới hạn của vật chất tái tạo các thành phần y sinh gọi là cường độ mật độ, đơn vị là Hounsfield (HU) Giá trị này thường nằm trong các khoảng và được đưa ra cụ thể trong các nghiên cứu về y học, ví dụ như đối với xương thì giá trị HU nằm trong khoảng 100-500 HU Dựa vào giá trị này mà có thể lọc ra phần quan tâm (xương hay mô mềm….) Các đối tượng cần quan tâm sẽ chứa tất cả các điểm ảnh trong các hình ảnh có giá trị cao hơn hoặc bằng giá trị tới hạn đó Đồng thời giá trị pixel phải nằm giữa hai giá trị ngưỡng đó để trở thành một phần của đối tượng cần quan tâm Cùng với sự phát triển công nghệ đã cung cấp được khả năng phân chia hoặc

lọc ra các đối tượng riêng biệt như xương, cơ, mô mềm dựa vào giá trị tới hạn của cường độ mật độ, điều này rất có lợi cho việc tách cấu trúc giải phẫu [4]

Đầu ra của quá trình phân đoạn hình ảnh (ROI) là các mô hình lưới tam giác 3D, các đường viền 2D của ROI hoặc các cấu trúc giải phẫu Tương tự với trường hợp dữ liệu đầu vào dạng đám mây điểm, các mô hình dạng lưới tam giác 3D sẽ được tối ưu hóa hoặc chuyển đổi thành các mô hình 3D dạng NURBS CAD để đáp ứng yêu cầu về

độ chính xác của mô hình nghiên cứu[4]

1.2.4 Giai đoạn 4 – Chế tạo mô hình thay thế

Giai đoạn này là bước cuối cùng của quy trình ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong kỹ thuật cơ y sinh Đó là quá trình chế tạo một mô hình thật để thay thế cho các bộ phận trên cơ thể người hoặc dùng để nghiên cứu hoặc giảng dạy Mô hình 3D sau khi xử lý xong ở giai đoạn 3 dưới dạng lưới 3D tam giác có thể được sử dụng ngay để chế tạo bằng cách sử dụng các phần mềm hỗ trợ gia công CAM, hoặc các phương pháp chế tạo tiên tiến khác [4] Hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo mẫu đang được ứng dụng Trong đó phổ biến nhất là phương pháp tạo mẫu nhanh hoặc dùng máy CNC để gia công các mô hình Quy trình chế tạo các mô hình đó cũng phải trải qua 3 bước cơ bản đó là: (i) Lựa chọn vật liệu; (ii) Chế tạo sản phẩm; (iii) Đánh giá chất lượng sản phẩm

- Lựa chọn vật liệu: Vật liệu được lựa chọn phải phù hợp với các lĩnh vực áp dụng, các tính chất cơ, lý, hóa phải được lựa chọn dựa trên các tham số, thông

số kỹ thuật đã được mô phỏng kiểm nghiệm Ngoài ra, khi lựa chọn vật liệu cũng cần phải xem xét tới tính công nghệ của nó

- Chế tạo sản phẩm: Mô hình có thể được chế tạo bằng các phương pháp gia công CNC, phương pháp tạo mẫu nhanh…Hiện nay, trong lĩnh vực chế tạo mô hình

sử dụng trong y tế thì phương pháp tạo mẫu nhanh đang được ứng dụng phổ biến nhất với các ưu điểm vượt trội như: thời gian chế tạo nhanh, tiết kiệm chi

phí, có thể chế tạo những khu vực phức tạp Tuy nhiên, trong một số trường hợp yêu cầu vật liệu thay thế không thể in 3D thì phương pháp sử dụng máy CNC để gia công khuôn sau đó đúc ra phần thay thế vẫn được sử dụng và mang lại hiệu quả [10]

- Đánh giá chất lượng sản phẩm: Việc đánh giá chất lượng sản phẩm trong y tế yêu cầu khắt khe hơn rất nhiều trong công nghiệp Đối với các mô hình sau khi chế tạo xong, phương pháp quét 3D lại các bề mặt sản phẩm bằng các máy scan hiện đại đang được ứng dụng nhiều và đem lại hiệu quả cao Kết quả của quá trình quét 3D bề mặt sẽ được đem so sánh với bề mặt của mô hình 3D đầu vào bằng các phần mềm hỗ trợ như GOM Inspect hoặc các mô đun đi kèm Kết quả

so sánh sẽ cho thấy các miền dung sai với hiển thị số hoặc màu sắc khác nhau

Từ đó người dùng sẽ dễ dàng để đưa ra các kết luận về mô hình Tuy nhiên, các phương pháp đo tiếp xúc như CMM vẫn được sử dụng với các trường hợp bề mặt đủ lớn và không quá phức tạp

1.2.5 Các ứng dụng MRE

Trên thế giới hiện nay đã có hơn 75 ứng dụng công nghệ thiết kế ngược trong y học Các ứng dụng này đã được tiến hành từ những năm 2000 Hình 1.4 thể hiện các ứng dụng đó bao gồm cấy mô và mô phỏng, chế tạo dụng cụ phẫu thuật, mô phỏng trong đào tạo phẫu thuật, khoa học thị giác và đo thị lực, chỉnh hình, tái tạo mô kỹ thuật Sau đây là mô tả ngắn gọn về các ứng dụng MRE điển hình được thể hiện trong hình 1.4 [4]

Hình 1.4 - Các loại ứng dụng MRE Hình 1.4 (1-3): Xây dựng mô hình 3D CAD của đầu người với việc thu thập dữ liệu bằng phương pháp không tiếp xúc, sử dụng máy quét 3D Các mô hình 3D NURBS này đã được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại mũ bảo hiểm

Hình 1.4 (4): Xây dựng lại mô hình 3D NURBS của đầu gối từ dữ liệu chụp cắt lớp CT và chụp cộng hưởng từ MRI để phân tích và mô phỏng cơ sinh học

Hình 1.4 (5): Xây dựng mô hình 3D NURBS của tai từ dữ liệu đám mây điểm thu thập được bằng cách quét laser vỏ tai Các mô hình này đã được sử dụng để nghiên cứu, thiết kế và sản xuất các thiết bị trợ thính

Hình 1.4 (6): Dựng lại mô hình 3D mảnh vá của hộp sọ bị khuyết tật từ các hình ảnh CT của bệnh nhân và cấy mô sọ não người để tái tạo sọ Dữ liệu 3D của hộp sọ bị khuyết tật được sử dụng để thiết kế các phần cấy ghép phù hợp với hình dạng chỗ khuyết tật Sau đó phần khuyểt được tạo mẫu bằng công nghệ tạo mẫu nhanh, hoặc CNC để chế tạo khuôn sau đó chế tạo ra phần khuyết bằng vật liệu sinh học

Hình 1.4 (7): Xây dựng lại mô hình 3D của tim người từ hình ảnh CT Mô hình 3D này được sử dụng cho nghiên cứu cơ sinh học cũng như sự phát triển của nguyên mẫu nhân tạo tim cho việc đào tạo y khoa

Hình 1.4 (8-9): Xây dựng lại các mô hình 3D của khuỷu chân và bàn chân từ dữ liệu quét tia lazer của các mô hình thật và hình ảnh chụp CT Các mô hình được sử dụng để phát triển các thiết bị hỗ trợ cá nhân Các thiết bị hỗ trợ điều trị gãy xương và khuỷu tay

Hình 1.4 (10): Thiết kế hình dạng mới của ghế xe với phần hỗ trợ thắt lưng, tối ưu hóa chế tạo và được thử nghiệm dựa trên các mô hình 3D của cơ thể con người

Hình 1.4 (11): Một bệnh nhân khối u xương trên hộp sọ được điều trị bằng cách

sử dụng MRE Các mô hình 3D của sọ và khối u xương được xây dựng từ hình ảnh CT Thiết bị này sau đó được thiết kế và sử dụng làm công cụ để loại bỏ khối u Đồng thời, các phần được thiết kế và chế tạo để có thể phù hợp với những chỗ khuyết tật sinh ra sau khi khối u đã được gỡ bỏ

Hình 1.4 (11, trái): Thể hiện các mô hình 3D của xương sọ với khối u của xương

và đồ gá để loại bỏ khối u Hình 1.4 (11, phải) thể hiện ô cấy đối với từng cá nhân được thiết kế để vừa với lỗ hổng khuyết tật

Hình 1.4 (12): Hình ảnh 3D của đầu người bao gồm cả hai mô cứng và mềm, được xây dựng từ hình ảnh CT và MRI Nó được sử dụng để kiểm tra các thiết bị y tế cũng như phát triển các mô hình đào tạo y học

Hình 1.4 (13): Phát triển mô hình đào tạo phẫu thuật từ hình ảnh CT/MRI Đây là một dự án tài trợ bở liên minh châu Âu: PRIMACORPS, CRAF 99-70074, “hiệu quả chi phí thực tế giảng dạy phẫu thuật cho tay trên thủ tục nội soi thông qua ứng dụng công nghệ RP CAD/ CAM và một vật liệu mới”

Hình 1.4 (14): Ống kính tiếp xúc đã được phát triển dựa trên phân tích 120 mắt hình của người châu âu Các phao mắt được thực hiện và sử dụng làm đầu vào MRE cho việc tái tạo lại hình dạng mắt 3D dựa trên việc quét bằng laser Các mô hình hình học trung bình của nhóm mắt được tính toán để thiết kế một thế hệ mới của ống kính tiếp xúc hình elip Menicon, nhà sản xuất ống kính tiếp xúc đầu tiên và lớn nhất của Nhật Bản, đang sản xuất 4 loại ống kính tiếp xúc hình elip dựa trên bộ dữ liệu được tạo lại của hình dạng mắt và hình học của chúng

Hình 1.4 (15): Các mô hình 3D của răng được xây dựng dựa trên việc quét bằng laser và hình ảnh micro CT để phát triển các nguyên mẫu răng giống răng thật cho việc đào tạo phẫu thuật

Hình 1.4 (16): Mô hình 3D của cấu trúc xương và mô phỏng FEA của nó được xây dựng từ hình ảnh micro CT

Hình 1.4 (17): Mô hình 3D của dàn răng và hướng dẫn khoan cho phẫu thuật nha khoa dựa trên quét laser Các mô hình 3D của các phôi nha khoa cũng có thể được sử

dụng không chỉ phát triển răng nhân tạo, mà còn phát triển thiết bị điều trị chỉnh nha

ra các mẫu thay thế, các đồ gá, các dụng cụ, công cụ tương thích với từng cá nhân Để làm được điều đó, công cụ hỗ trợ việc ứng dụng thiết kế ngược là một vấn đề quan trọng Chương 2 sẽ trình bày các công cụ được sử dụng và quá trình áp dụng nó để xây dựng lại một mô hình giải phẫu trên cơ thể người

Chương 2

KHÔI PHỤC MÔ HÌNH ĐẦU XƯƠNG ỐNG CHÂN TỪ DỮ LIỆU HÌNH ẢNH

CHỤP CẮT LỚP CT 2.1 Tổng quan

Quá trình chế tạo các bộ phận thay thế trong y tế luôn yêu cầu xử lý ảnh đó là việc chuyển đổi ảnh CT thành các mô hình bề mặt 3D Các mô hình bề mặt 3D như vậy có thể được lưu trong một loạt các định dạng khác nhau Hiện nay, định dạng phổ biến nhất được sử dụng là dạng *.STL Mặc dù hiếm khi được sử dụng, nhưng về mặt

lý thuyết có thể chuyển đổi hình ảnh CT thành các định dạng lát cắt sau đó có thể sử dụng cho quá trình chế tạo nên có thể bỏ qua quá trình chuyển đổi *.STL Tuy nhiên, các phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) hiện có sẵn trên thị trường sử dụng cho quá trình chế tạo các mô hình trong y tế vẫn yêu cầu định dạng *.STL Việc chuyển đổi các tập dữ liệu DICOM thành các mô hình bề mặt 3D đã được xác định là nguồn dữ liệu chính trong y tế Bước quan trọng nhất trong quy trình chuyển đổi này là phân đoạn hình ảnh CT [6] Phân đoạn hình ảnh là việc phân vùng hình ảnh thành các khu vực quan tâm (ROI) tương ứng với cấu trúc giải phẫu Hiện nay, có rất nhiều phương pháp phân đoạn hình ảnh khác nhau có sẵn cho cấu trúc xương Tuy nhiên, vẫn chưa rõ phương pháp phân khúc nào cung cấp các mô hình bề mặt 3D chính xác nhất [6] Vì vậy, trong chương này của luận văn sẽ đưa ra một phương pháp cho việc tái tạo mô hình 3D của một đoạn xương ống chân ở người bằng cách sử dụng các hình ảnh y tế thu được từ chụp CT Hình ảnh CT của một bênh nhân được lấy từ bộ dữ liệu trong kho dữ liệu được sử dụng làm nguồn nghiên cứu cho các lĩnh vực, và đã được chụp từ một bệnh nhân thực tế [5] Do đó, việc đầu tiên của chương này là phương pháp phân đoạn hình ảnh CT hiện đang được sử dụng cho phân đoạn xương trong y tế Việc thứ hai là sử dụng các phần mềm chuyên dùng để chỉnh sửa và nâng cao chất lượng bề mặt

mô hình đã phân đoạn ở bước trước

2.2 Các công cụ được sử dụng

Có rất nhiều sản phẩm liên quan đến CAD có thể cung cấp khả năng chuyển đổi một đối tượng thực sang mô hình 3D hoặc mô hình khối để có thể hỗ trợ quá trình RE Các định dạng tệp làm việc của CAD là *.DXF, *.STEP, *.IGES, *.STL và các định dạng khác Các sản phẩm này được thiết kế để hỗ trợ tạo ra các mô hình kỹ thuật số từ

mô hình vật lý bằng cách chuyển đổi các đám mây điểm từ quét sang đa giác, từ đa giác thành NURBS Các chương trình hỗ trợ thiết kế ngược có thể có nhiều công cụ để thực hiện thao tác hình dạng 3D chung, nhưng trọng tâm chính của chúng là quá trình chuyển đổi dữ liệu điểm thô từ thiết bị đầu vào thành đa giác sau đó có thể sử dụng hoặc biểu diễn dưới dạng bề mặt NURBS Mục đích là nâng cao khả năng của người thiết kế để kết hợp các mô hình vật lý vào quy trình thiết kế kỹ thuật số

Hai nhà cung cấp phần mềm nổi tiếng về lĩnh vực thiết kế ngược đó là Paraform

và Raindrop's Geomagic Studio Hai hãng này đều cho ra những sản phẩm phần mềm

kỹ thuật ngược hàng đầu

- Reverse Engineering 2 (RE2) từ Dasault được cấu hình đặc biệt để làm việc với CATIA RE2 cung cấp một hệ thống 3D mạnh mẽ đặc biệt thích nghi với lưới mây điểm lớn có thể lên đến vài triệu cho các bộ phận cơ khí

- Một công cụ khác không kém hiệu quả đó là Quick Surface Reconstruction 2 (QSR2), cho phép phục hồi nhanh chóng và dễ dàng các bề mặt từ dữ liệu số hóa và cung cấp một số phương pháp tiếp cận tùy thuộc vào loại hình, phù hợp với hình dạng tự do, xác định hình dạng cơ khí (mặt phẳng, hình trụ, hình cầu)

và mở rộng bề mặt chính Công cụ phân tích các thuộc tính độ cong hoặc độ dốc, vì vậy người dùng có thể dễ dàng tạo phân đoạn đa giác trong các khu vực

bề mặt thích hợp QSR2 bao gồm các công cụ kiểm tra chất lượng của riêng mình

- CopyCAD là một gói từ Công ty DelCam nhằm tạo ra các bề mặt CAD trơn tru

từ dữ liệu số hóa, để sử dụng trong một loạt các ứng dụng phát triển sản phẩm

Nó tạo điều kiện cho quá trình tạo ra các bề mặt với độ cong cao

Tất cả các sản phẩm đều có chức năng chung đó là giải quyết việc nhập dữ liệu được số hóa, chỉnh sửa, đánh dấu, cắt ngang, tạo đường nét và kiểm tra chất lượng với chẩn đoán kết quả trong thời gian thực Các gói phần mềm có thể tự động bù bán kính đầu dò trong khi thu thập dữ liệu Đối với chất lượng tối ưu phần mềm sẽ tự động làm mỏng dữ liệu và sắp xếp lại các cạnh lưới, do đó giảm thời gian tính toán Một bước quan trọng là cuối cùng chuyển đổi hình dạng mong muốn, một bộ đa giác, thành một

bề mặt CAD[13]

2.2.1 Phần mềm 3D – Slicer

3D Slicer là ứng dụng CAD nguồn mở được thiết kế với tính năng chính là xử lý hình ảnh y học và hình ảnh hóa các dữ liệu ảnh 3D, phân tích hình ảnh, đọc ảnh DICOM, phân đoạn tương tác, kết xuất khối dữ liệu, hỗ trợ chế độ chụp ảnh màn hình,

nhiều module quan trọng như dữ liệu, thể tích, mô hình, các điểm chuẩn, các phép biến đổi, chỉnh sửa hình ảnh, các phép đo và xử lý màu sắc cho hình ảnh Sonic DICOM cũng là tiện ích có khả năng hiển thị file DICOM hỗ trợ cho ngành y tế, ưu điểm của Sonic DICOM chính là khả năng chỉnh sửa, xoá các tập tin này dễ dàng như: phóng to, thu nhỏ, di chuyển file

Hình 2.1 – Phần mềm 3D Slicer Với 3D Slicer, có thể điều chỉnh thể tích của dữ liệu ảnh trong từng cảnh qua chế độ Volumes, thay đổi giao diện hình ảnh bao gồm cửa sổ, các mức độ, các ngưỡng ảnh và chỉnh màu cho ảnh Bên cạnh đó, 3D Slicer cũng cung cấp nhiều tùy chọn hiển thị dữ liệu hình học như các mô hình VTK, các bề mặt FreeSurfer trong module Models, hỗ trợ thay đổi màu sắc, độ trong suốt và cắt ảnh

Ngoài ra, có thể tham khảo AutoCAD Drawing Viewer là trình xem ảnh CAD thuận tiện cần thiết cho những người làm các công việc liên quan đến thiết kế, đặc biệt AutoCAD Drawing Viewer còn cho phép chuyển đổi để lưu file CAD dưới nhiều định dạng khác nhau trên hệ thống

Ứng dụng của 3D – Slicer bao gồm:

- Xử lý hình ảnh DICOM và đọc hoặc ghi nhiều định dạng khác