Bài viết giới thiệu quá trình ứng dụng công nghệ thiết kế ngược và công nghệ CAD/CAM để khôi phục lại phần đầu xương ống chân của một bệnh nhân từ dữ liệu hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (chụp CT).
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược, kết hợp công nghệ CAD/CAM kỹ thuật y sinh Applying reverse engineering technology and CAD/CAM technology in biomechanics Nguyễn Thiên Bách*, Trương Hoành Sơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: thienbach.bk2008@gmail.com Tel: +84-979015929; Mobile: 0979015929 Tóm tắt Từ khóa: Ảnh cắt lớp vi tính; Khơi phục hình dạng; Làm mượt bề mặt; Mật độ lưới; Tạo mẫu nhanh Trong giai đoạn nay, với phát triển công nghệ thơng tin, vật liệu mới, máy móc thiết bị đại, công nghệ thiết kế ngược không ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp mà ứng dụng lĩnh vực y tế Ở đó, giúp phục hồi thay phận thể, cơng cụ hỗ trợ thích hợp với cá nhân Bài báo giới thiệu q trình ứng dụng cơng nghệ thiết kế ngược công nghệ CAD/CAM để khôi phục lại phần đầu xương ống chân bệnh nhân từ liệu hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (chụp CT) Đây công nghệ mới, bắt đầu ứng dụng nước có y học phát triển, đáp ứng nhu cầu lớn bệnh nhân, khơi phục lại khả vốn có người khơng may bị tai nạn hay bệnh tật, góp phần vào thành công ca phẫu thuật giảm thời gian trình điều trị Abstract Keywords: Computer tomography; form restoration; surface smoothing; Density of mesh; Rapid prototyping Nowadays, with the development of information technology, new materials, modern of machinery and equipment, reverse engineering is not only widely applied in the industries but also in the medical field In that respect, it has helped us restore and replace the body parts, creating tools that are tailored to each individual This article introduces the application of reverse engineering technology and CAD/CAM technology to restore a patient's tibiabased on computerized tomography (CT) data This is a new technology that has started to be used in countries with developed medicine to meet the needs of patients, to restore the inherent capabilities of humans when they are unfortunately lost by accident or illness, contributing to the success of the surgery and reduces the length of the course of treatment Ngày nhận bài: 30/06/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Tái tạo phận thể người từ hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) để phục vụ điều trị thay ứng dụng nhiều nước có y học phát triển Cùng với việc ứng dụng ngày rộng rãi công nghệ CAD/CAM lĩnh vực y sinh học [1] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược kết hợp với công nghệ CAD/CAM công nghệ tạo mẫu nhanh, sử dụng để xây dựng mơ hình giải phẫu cho chẩn đốn điều trị, cải thiện hiệu độ xác phân tích y học chẩn đốn Phương pháp tái tạo mơ hình 3D bao gồm giai đoạn chính: Chọn loại liệu đầu vào; Thu thập liệu đầu vào; Phân tích xử lý liệu; Sử dụng kết xử lý liệu để ứng dụng vào y học cách chế tạo mơ hình thay Kỹ thuật xử lý liệu việc xây dựng lại mơ hình giải phẫu từ liệu đầu vào, điều đòi hỏi kỹ sử dụng phần mềm yêu cầu đặc biệt liên quan tới y học Trong kỹ thuật dựng hình bề mặt, bề mặt mơ hình giải phẫu dựng lại từ hình ảnh chụp cắt lớp (CT), hình ảnh chụp X-quang, hình ảnh quét 3D Phương pháp biểu diễn bề mặt dạng lưới tam giác, đa giác dạng NURBS (Non - Uniform Rational B-Spline) [2] Do đó, nghiên cứu sử dụng phần mềm CAD chuyên dụng để xây dựng lại mơ hình giải phẫu xương ống chân bệnh nhân từ hình ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) Mơ hình 3D thu qua việc xử lý liệu chụp CT dùng làm lệu ban đầu Sau đó, sử dụng phần mềm thiết kế 3D thông dụng để xây dựng lại, làm mượt bề mặt tái tạo lại để đạt độ xác cho phép Cuối cùng, từ mơ hình xử lý làm đầu vào để lập trình CAM cho cơng nghệ tạo mẫu nhanh Vật liệu dùng cho tạo mẫu nhanh lựa chọn phù hợp với đặc điểm hoạt động xương đảm bảo điều kiện thay thể người CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơng nghệ thiết kế ngược Q trình chép chi tiết, cụm sản phẩm có, mà khơng có vẽ, tài liệu mơ hình máy tính gọi thiết kế ngược Thết kế ngược định nghĩa trình lấy mơ hình CAD hình học từ điểm 3D thu cách quét, số hóa phận, sản phẩm có Q trình thu thập liệu số thực thể vật lý thành phần, gọi kỹ thuật đảo ngược [3] Công nghệ thiết kế ngược ứng dụng rộng rãi lĩnh vực như: công nghiệp; hội họa; y tế [2] 2.2 Công nghệ thiết kế ngược y sinh Với độc đáo thể người đưa thiết kế ngược vào ứng dụng khoa học đời sống ngành công nghiệp thiết bị y tế, đặc biệt việc cấy ghép phận nhân tạo vào thể người Áp dụng hình ảnh quét với phân tích phần tử hữu hạn kỹ thuật ngược giúp kỹ sư xây dựng xác phần tùy chỉnh phù hợp với bệnh nhân Các yêu cầu cho công nghệ thiết kế ngược y tế đặc điểm sinh lý tế bào sống, quan thể người thông tin liên hệ chúng Trong công nghệ thiết kế ngược, kỹ sư trước tiên phải xác định vật liệu sử dụng cho phần cần thay thiết bị y tế đặc trưng, sau phải số hóa xác hình dạng hình học phận thể xác định quy trình chế tạo Thiết kế ngược sử dụng số lĩnh vực y tế: nha khoa, máy trợ thính, đầu gối nhân tạo tim, dụng cụ phẫu thuật cấy mô cột sống, hông đầu gối[3], đào tạo y học, khoa học thị giác đo thị lực; chỉnh hình; xương giả; dụng cụ hỗ trợ trị vấn đề kỹ thuật khác [2] 2.3 Các bước ứng dụng thiết kế ngược y sinh Q trình xây dựng lại mơ hình y sinh qua giai đoạn bản: (i) Chọn dạng liệu đầu vào; (ii) Thu thập liệu; (iii) Phân tích xử lý liệu; (iv).Tái tạo lại mơ hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3.1 Chọn dạng liệu Dữ liệu đầu vào cho thiết kế ngược y sinh có số dạng sau: hình ảnh mặt cắt 2D (dạng chụp cắt lớp vi tính - CT, hình ảnh chụp cộng hưởng từ - MRI) hình ảnh dạng đám mây điểm (Point Cloud) [2] 2.3.2 Thu thập liệu Có phương pháp lấy liệu là: phương pháp tiếp xúc phương pháp không tiếp xúc Phương pháp tiếp xúc dùng máy CMM máy CNC để số hóa bề mặt Đối với phương pháp khơng tiếp xúc, hình dạng đối tượng thể hình ảnh mặt cắt ngang 2D, hình ảnh 3D dạng đám mây điểm Trong hầu hết ứng dụng y học phương pháp không tiếp xúc sử dụng phổ biến phương pháp tiếp xúc Trong có nhiều trường hợp bắt buộc phải sử dụng phương pháp không tiếp xúc việc điều trị nghiên cứu phận bên da xương, tim mạch Tuy nhiên, ứng dụng mà yêu cầu độ xác cao, phương pháp tiếp xúc lại sử dụng [2] Một số thiết bị sử dụng phương pháp không tiếp xúc là: Máy chụp cắt lớp vi tính, máy chụp cộng hưởng từ, dòng máy scan 3D 2.3.3 Phân tích xử lý liệu Q trình chế tạo phận thay y tế ln u cầu xử lý ảnh việc chuyển đổi ảnh CT thành mơ hình bề mặt 3D Các mơ hình bề mặt 3D lưu loạt định dạng khác Hiện nay, định dạng phổ biến sử dụng dạng *.STL Mặc dù, mặt lý thuyết chuyển đổi hình ảnh CT thành định dạng lát sau sử dụng cho việc tái tạo mơ hình, nên bỏ qua q trình chuyển đổi sang định dạng * STL [5] Tuy nhiên việc cho mơ hình khơng xác phần mềm CAD sử dụng cho việc chế tạo yêu cầu định dạng *.STL Bước quan trọng quy trình xử lý mơ hình 3D Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng linh hoạt tài liệu phần mềm có để xử lý hình ảnh CT để tái tạo lại mơ hình xương ống chân người - Từ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT) sử dụng phần mềm chun dụng 3D-Slicer để dựng lại mơ hình 3D từ mặt cắt 2D (Hình 1-a,b) Vì hình ảnh 3D tạo lên từ lát cắt 2D bề mặt khơng nhẵn, mịn (Hình 1-c) mơ hình cần phải đem xử lý bề mặt a) b) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 c) Hình Mơ hình 3D lấy từ ảnh chụp CT a) Hình ảnh qua phần mềm 3D-Slicer; b) Mơ hình dạng file *.stl lấy trực tiếp từ ảnh cắt lớp CT qua phần mềm 3D-Slicer c) Chât lượng bề mặt mơ hình - Để làm mượt bề mặt, sử dụng phần mềm Blender để chỉnh sửa thô bền mặt Ở đây, cắt bỏ phần khơng cần thiết, vá bề mặt hở Cuối sử dụng phần mềm Geomagic Studio 2012 để chỉnh sửa lại kích thước mắt lưới, dạng lưới tam giác hay đa giác, để bề mặt gần giống tinh bề mặt trước in 3D (Hình 2) a) b) Hình Bề mặt xương xử lý qua phần mềm a) Xử lý thô qua phần mềm Blender; b) Chỉnh sửa kích thước lưới qua phần mềm Geomagic Studio 2012 2.3.4 Chế tạo mơ hình thay Sau xử lý, mơ hình thay chế tạo phương pháp in 3D sau tùy vào yêu cầu độ xác bề mặt giới hạn phương pháp in 3D phải xử lý lại giấy mài, bột đánh bóng, sơn gia cơng lại máy CNC Tuy nhiên, với công nghệ in 3D đại ngày đặc biệt máy in 3D phục vụ lĩnh vực y sinh sản phẩm in 3D sử dụng trực tiếp mà không cần phải qua bước xử lý máy CNC [6] Máy CNC sử dụng vật liệu chế tạo không cho phép in 3D hay sử dụng máy CNC để làm khn sau đúc mơ hình thay [7] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a) b) Hình Mơ hình sau chế tạo phương pháp in 3D a) Mẫu sau in 3D; b) Mẫu sau xử lý bề mặt Mơ hình thực sau chế tạo xong cần phải kiểm tra độ xác so với mơ hình 3D cách scan lại bề mặt máy scan 3D, sau xử lý số liệu thu để đánh giá sai số KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong giai đoạn q trình ứng dụng công nghệ thiết kế ngược y sinh giai đoạn - giai đoạn xử lý liệu - quan trọng Ở giai đoạn người dùng linh hoạt sử dụng phần mềm khác để xử lý Trong báo này, tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng để xử lý liệu chụp CT phần mềm 3D - Slicer chuyên dùng để đọc dựng 3D trọng y học; phần mềm Blender phần mềm xử lý thô đơn giản thiết kế đồ họa cuối dùng phần mềm Geomagic Studio công cụ mạnh ứng dụng rộng rãi thiết kế ngược khơng y học mà cịn hội họa kỹ thuật Sau xử lý xong, chất lượng bề mặt cải thiện nhiều Sai số mơ hình sau xử lý so với mơ hình xây dựng lại từ ảnh chụp CT nằm khoảng -1,25 ÷ +1,25mm (Hình 4) Sai số phù hợp với kích thước lát cắt chụp CT, chiều dày lát cắt thường từ 0,3mm đến hàng chục mm tùy vào chế độ chụp hệ máy [8-9] Tùy theo chế độ chụp CT mà sai số khác Sai số q trình xử lý ảnh hưởng khơng đáng kể trường hợp Tuy nhiên mơ hình sau xử lý khơi phục sở hình ảnh CT nên yêu cầu độ nhẵn, mịn mơ hình quan trọng bước Mơ hình 3D sau chế tạo phương pháp in 3D xử lý bề mặt phương pháp đánh giấy ráp sơn bề mặt, kết sau so sánh với mơ hình 3D thể hình bảng Các kết cho thấy sai số nhỏ miền dung sai màu xanh nằm khoảng 0,04 - 0,06mm Một số vị trí có hình dạng bề mặt phức tạp có sai số lớn (khoảng 0,15 0,6mm) Hình bảng sử dụng làm sở để đánh đưa khuyến cáo sử dụng lựa chọn phương pháp chế tạo mẫu hợp lý trường hợp áp dụng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sai số mơ hình sau xử lý Hình Kết so sánh mẫu sau chế tạo mơ hình 3D Bảng Sai số số điểm mô hình KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp ứng dụng công nghệ thiết kế ngược y sinh Cụ thể sử dụng mơ hình giải phẫu xương người để làm đối tượng ứng dụng nghiên cứu Bằng việc thu thập liệu dạng hình ảnh CT, qua phần mềm: 3D - Slicer; Blender; Geomagic HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Studio cho mơ hình 3D với chất lượng bề mặt tốt, đảm bảo độ nhẵn, mịn Kết nghiên cứu sử dụng làm liệu đầu vào cho trình in 3D làm sở để so sánh độ xác sản phẩm in 3D, từ đưa kết luận để có hay không đạt tiêu chuẩn thay lên thể người DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU CT CAD CAM NURBS MRI CMM : Chụp cắt lớp vi tính (Computed Tomography) : Thiết kế có hỗ trợ máy tính (Computer-Aided Design) : Chế tạo có trợ giúp máy tính (Computer-Aided Manufacturing) : Dạng tổng quát đường mặt cong (Non-uniform Rational B-Spline) : Hình ảnh chụp cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging) : Máy đo tọa độ (Coordinate Measuring Machine) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Binkai Zhang, Xiang Wang , Xiao Liang, Jinjin Zheng, 2016 3D Reconstruction of human bones based on dictionary learning [2] L.C.Hieu, J.V.Sloten, L.T.Hung, L.Khanh, S.Soe, N.Zlatov, L.T.Phuoc, P.D.Trung, 2010 Medical reverse engineering applications and methods [3] Vinesh Raja and Kiran J.Fernandes (Eds.), 2008 Reverse Engineering an Industrial Perspectve Chapter 1: Introduct to Reverse Engineering, 2-3 [4] Information in https://www.embodi3d.com [5] Maureen van Eijnatten, Roelof van Dijk, Johannes Dobbe, Geert Streekstra, Juha Koivisto, Jan Wolff., 2017 CT image segmentation methods for bone used in medical additive manufacturing [6] Kuang-Hua Chang., 2015 e-Design: Computer-Aided Engineering Design Chapter 14: Rapid Prototyping, pp 743-786 [7] Lê Quang Bình, Đặng Văn Nghìn,Trần Đại Nguyên, Huỳnh Hữu Nghị, Bùi Anh Quốc Gia công khuôn đúc cho mảnh cấy ghép y học máy phay CNC từ liệu chụp hình cắt lớp [8] http://www.benhvien103.vn/vietnamese/bai-giang-chuyen-nganh/xquang/bai-giangtin-chi-cat-lop-vi-tinh/1188/ [9] Hà Hồng Kiệm, Nguyên lý chụp cắt lớp vi tính http://hahoangkiem.com/tu-vanva-chia-se-thong-tin/nguyen-ly-cua-chup-cat-lop-vi-tinh-ctscanner-334.html ...HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ứng dụng công nghệ thiết kế ngược kết hợp với công nghệ CAD/CAM công nghệ tạo mẫu nhanh, sử dụng để x? ?y dựng mơ hình giải... phần, gọi kỹ thuật đảo ngược [3] Công nghệ thiết kế ngược ứng dụng rộng rãi lĩnh vực như: công nghiệp; hội họa; y tế [2] 2.2 Công nghệ thiết kế ngược y sinh Với độc đáo thể người đưa thiết kế ngược... phù hợp với bệnh nhân Các y? ?u cầu cho công nghệ thiết kế ngược y tế đặc điểm sinh lý tế bào sống, quan thể người thông tin liên hệ chúng Trong công nghệ thiết kế ngược, kỹ sư trước tiên phải xác