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
CƠ Y SINH

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

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 mơ hình thay thế .............................................. 29

1

1.2.5. Các ứng dụng MRE ............................................................................. 30
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 34
Chương 2 ............................................................................................................... 35
KHƠI PHỤC MƠ 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. Khơi phục mơ 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 hồn thiện mơ hình và
nâng cao chất lượng bề mặt.................................................................................... 62
2.3.5. Kết quả và đánh giá mơ hình sau xử lý ............................................... 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 69
Chương 3 ............................................................................................................... 70
TÁI TẠO LẠI MÔ HÌNH BẰNG CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH
VÀ CƠNG NGHỆ CNC ................................................................................................ 70

2


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. Mơ hình hố sự lắng đọng hợp nhất .................................................... 73
3.1.5. In 3D .................................................................................................... 75
3.2. Tái tạo lại mơ hình bằng cơng 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 mơ hình ....................... 90
3.3.1. Tách mặt ngồi của mảnh cấy ghép .................................................... 90
3.3.2. Dùng phần mềm Cimatron E7 để lập trình gia cơng bề mặt ............... 93
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 96
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ........................................... 97
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 99

3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Thiên Bách – Tác giả luận văn
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi và chưa
được công bố trong bất cứ cơng trình nào khác. Các số liệu và kết quả trong luận văn là
trung thực.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thiên Bách

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

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

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng số
Bảng 1.1

Tên bảng
Dạng dữ liệu tùy thuộc vào đầu vào của MRE

Trang

22

So sánh ưu nhược điểm của phương pháp tiếp xúc và không
Bảng 1.2

tiếp xúc

26

Bảng 3.1

Sai số các điểm ở khu vực 1

83

Bảng 3.2

Sai số các điểm ở khu vực 2

84

Bảng 3.3

Sai số các điểm ở khu vực 3

85

\

6

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Q trình chuyển vật thể có thật thành bản vẽ (dữ liệu số)

14

Hình 1.2

Các bước của quá trình MRE

20

Hình 1.3

Sự tác động qua lại giữa các bước của MRE

21

Hình 1.4

Các loại ứng dụng MRE

31

Hình 2.1

Phần mềm 3D Slicer

38

Hình 2.2

Giao diện người dùng của phần mềm 3D - Slicer

42

Hình 2.3

Các modul của phần mềm 3D-Slicer

43

Hình 2.4

Tải dạng dữ liệu của bệnh nhân lên phần mềm

43

Hình 2.5

Hình ảnh CT của bộ phận

44

Hình 2.6

Tùy chỉnh cửa sổ theo dõi hình ảnh

44

Hình 2.7

Modul hiển thị hình ảnh 3D của đối tượng

45

Hình 2.8

Kích hoạt hiển thị hình ảnh

45

Hình 2.9

Hình ảnh 3D được hiển thị

46

Hình 2.10 Chọn chế độ dạng CT-bone

46

Hình 2.11 Hình ảnh xương chân của bệnh nhân

47

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

48

Hình 2.13 Chế độ cắt Crop

49

Hình 2.14 Chọn khu vực lấy mẫu

49

Hình 2.15 Modul Crop

50

Hình 2.16 Miền lấy mẫu được lựa chọn

50

Hình 2.17 Chế độ chỉnh sửa – Editor

51

Hình 2.18 Trục tọa độ chỉnh sửa

51

Hình 2.19 Lựa chọn màu hiển thị - Số 2

52

7


Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 2.20 Chế độ chỉnh sửa miền lấy mẫu

54

Hình 2.21 Thay đổi độ lớn của cơng cụ chỉnh sửa

55

Hình 2.22 Chỉnh sửa các lớp

55

Hình 2.23 Lưu và lựa chọn miền lấy mẫu

56

Hình 2.24 Miền lấy mẫu được hiển thị

56

Hình 2.25 Giao diện người dùng của phần mềm Blender

57

Hình 2.26 Import mơ hình để chỉnh sửa

58

Hình 2.27 Vị trí lưu file

58

Hình 2.28 Mơ hình từ 3D slicer

59

Hình 2.29 Lựa chọn cơng cụ xử lý

59

Hình 2.30 Modul “smooth”

60

Hình 2.31 Chỉnh sửa độ mịn

60

Hình 2.32 Mơ hình sau chỉnh sửa độ mịn

61

Hình 2.33 Export lại file

61

Hình 2.34 Lưu file

62

Hình 2.35 Giao diện người dùng của Geomagic Studio 2012

63

Hình 2.36 Mơ hình được import vào

63

Hình 2.37 Khu vực bề mặt chưa tốt

64

Hình 2.38 Cơng cụ chỉnh sửa bằng tay

64

Hình 2.39 Điều chỉnh độ mịn của mơ hình

65

Hình 2.40 Sai số của mơ hình

66

Hình 2.41 Sai số của mơ hình

66

Hình 2.42 Lưu lại file dưới dạng STL

67

Hình 2.43 So sánh bề mặt sau xử lý

68

Hình 3.1

Nguyên lý phương pháp SLA

71

8

Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

Hình 3.2

Nguyên lý phương pháp SLS

72

Hình 3.3

Nguyên lý phương pháp FDM

74

Hình 3.4

Nguyên lý phương pháp in 3D

76

Hình 3.5

Kết quả in 3D mẫu

77

Hình 3.6

Hiệu ứng bậc thang khi in 3D

78

Hình 3.7

Kết quả sau khi xử lý bề mặt mẫu

80

Hình 3.8

Kết quả scan 3D mơ hình

81

Hình 3.9

Mơ hình lấy từ phần 2.2.4 (Mở trong phần mềm xử lý kết
quả scan 3D)

82

Hình 3.10 Để 2 mơ hình tự link với nhau

83

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

84

Hình 3.12 Kế quả so sánh khu vực 1

85

Hình 3.13 Kết quả so sánh ở khu vực 2

86

Hình 3.14 Kết quả so sánh ở khu vực 3

88

Hình 3.15 Sai số khi chuyển sang *.stl

91

Hình 3.16 Phương pháp cắt lát thích nghi trực tiếp

92

Hình 3.17 Phần mặt được trích xuất

92

Hình 3.18 Bề mặt sau khi được xử lý

94

Hình 3.19 Sai số của bề mặt sau xử lý

94

Hình 3.20 Import mơ hình vào Cimatron

95

Hình 3.21 Chương trình gia cơng thơ bề mặt

95

Hình 3.22 Chương trình gia cơng tinh bề mặt

96

Hình 3.23 Mơ phỏng q trình gia cơng thơ và tinh của bề mặt

96

9


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 mơ 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 cơng nghệ thiết kế ngược để xây dựng lại mơ 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 mơ hình đồ họa ba
chiều từ các thiết bị X-quang, chụp cắt lớp, chụp cộng hưởng tử, scan 3D… để tạo ra
các mơ 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 mơ 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 vơ cùng cần thiết và rất có ý nghĩa trong q trình phát triển nền y học hiện đại, nó
giúp cho chúng ta có thể thay thế, khơi phục gần như hồn tồn với các đặc điểm riêng

10


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 cơng nghiệp, việc sử dụng được các mơ 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 mơ 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
q trình ứng dụng cơng 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 khơng nhỏ trong q 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 cịn 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, khơng chỉ giảm được chi phí
mà cịn tăng độ tin cậy, không ảnh hưởng tới cuộc sống của người bệnh. Tuy nhiên
việc áp dụng cơng nghệ này cịn có một số vấn đề sau:
-

Độ chính xác của mơ hình sau khơi 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 mơ 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 mơ hình sau khi khơi 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
11

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 q trình ứng
dụng của nó trong cơ y sinh.

-

Chương 2: Tìm hiểu và sử dụng các cơng cụ, phần mềm chun dụng để xây
dựng lại mơ hình 3D của mẫu, từ đó nâng cao độ chính xác của mơ 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 mơ 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 cơng 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.

12

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Tổng quan về công nghệ thiết kế ngược
1.1.1. Cơng 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. Q trình sao chép hình dạng, kích
thước của một chi tiết, bộ phận mà khơng có bản vẽ kỹ thuật, tài liệu liên quan hoặc
mơ hình máy tính (3D) được gọi là thiết kế ngược. Thiết kế ngược cũng được định
nghĩa là q trình lấy mơ 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 mơ hình ngun 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 mơ 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 mơ
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,
13

gỗ, cao su hoặc xốp mà chưa cần phải có bản vẽ mơ hình CAD, sau khi ý tưởng và mẫu
mã được phê duyệt sẽ tiến hành lấy mơ hình CAD của sản phẩm để thiết kế chi tiết,
chỉnh sửa nhỏ nếu cần và lập hồ sơ công nghệ. Lúc này, với mơ hình mẫu thật sẽ tiến
hành số hóa mơ hình bằng các phương pháp khác nhau như qt 3D, lấy tọa độ bằng
đầu dị q 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 khơng 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 mơ 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 cơng CNC[2].

Hình 1.1 – Q 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 khơng có tài liệu kỹ thuật. Đưa ra phương pháp khôi phục các

14


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 khơng cịn trên thị trường nữa[1].
Cơng 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 khơng cịn 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 khơng cịn 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 khơng có dữ liệu CAD
hoặc dữ liệu đã cũ.

-

Kiểm tra và kiểm soát chất lượng bằng cách so sánh phần chế tạo với mơ 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 mơ hình 3D từ các đối tượng, mơ hình có sẵn; phục chế tác phẩm điêu
khắc; chế tạo lại, phóng to, thu nhỏ để làm mơ 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

15

thể coi là một bước ngoặt trong việc nâng cao năng suất, chất lượng và đa dạng hóa sản
phẩm cơng 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 cơng nghiệp trên tồn 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 khơi 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 ơ tơ.
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 cơng nghiệp
Cơng 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, dịng 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
16

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 khơng có mơ 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 mơ hình chính CAD và
cơng 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 cơng 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

17


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, khơi 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 qt 3D và máy tính có thể xây dựng
các mơ 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 cơng 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, hơng,
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 cơng 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 mơ 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
18


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 u cầu
khơng cao bằng RE trong cơng 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 mơ 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

-

Dạng NURBS
Một dạng lưới đa giác hay tam giác bao gồm hướng, cạnh và mặt. Chúng được

định nghĩa là hình dạng của đối tượng. Bề mặt thường có hình tam giác, tứ giác, hoặc
đa giác lồi. Loại dữ liệu này là cách đơn giản nhất để mơ tả hình học của đối tượng, vì
vậy nó đươc xuất hiện trong hầu hết các hệ thống đồ họa máy tính. Tuy nhiên, nó
khơng mơ tả được chính xác hình dạng hình học.
Bề mặt NURBS là đầu ra chủ yếu của quá trình RE mà chúng ta cần phải thu
được trong các ứng dụng có u 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
lý do sau [4]:
-

Đưa ra một dạng toán học phổ biến cho cả 2 tiêu chuẩn về phân tích hình dạng
xác định và hình dạng tự do.

-

Cung cấp tính linh hoạt để thiết kế nhiều các trạng thái khác nhau của hình
dạng.

-

Giảm tiêu tốn bộ nhớ khi lưu trữ hình dạng.
19


-

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

-

Khơng thay đổi dưới phép cộng tuyến cũng như sự thay đổi luật phối cảnh.

-

Tổng qt hóa của đường cong khơng 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

20


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 mơ 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
u cầu về độ chính xác từ mơ 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 mơ 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 mơ 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

21


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 thơng 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
Ứng dụng

Đầu vào MRE và

Ví dụ

loại dữ liệu

Cấy ghép xương tái tạo cho bệnh nhân bị

Cấy ghép
cá nhân

khuyết tật sọ do tai nạn giao thông hoặc khối u

- Đầu vào: Bệnh nhân

xương

- Loại dữ liệu: Hình

Cấy ghép phẫu thuật cranio-maxillofacial

ảnh CT hay MRI

Cấy ghép: (i) Cấy ghép để tái tạo xương của sự
Cấy ghép

bắt buộc, (ii) Cấy ghép răng để tái tạo và thay

- Bệnh nhân

thế răng

- Mẫu thạch cao

nha khoa & Mơ phỏng: Mơ phỏng vị trí cấy ghép trên mơ
mơ phỏng

- Dữ liệu đầu vào:

hình 2D & 3D, xác định kênh ống hàm dưới,

Hình ảnh CT; MRI;

tính tốn mật độ xương và lập kế hoạch phẫu

đám mây điểm

thuật

Dụng cụ
phẫu thuật

Hướng dẫn khoan để phẫu thuật nha khoa và

- Bệnh nhân

cột sống

- Mẫu thạch cao

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

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

Đào tạo &

Mơ hình đào tạo y khoa cho bác sĩ phẫu thuật

- Bệnh nhân

mô phỏng

và bác sĩ y khoa để nâng cao kỹ năng phẫu

- Đối tượng y sinh

phẫu thuật

thuật cũng như học & thực hành khám sức

- Mẫu thạch cao

22


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

- Dữ liệu đầu vào:

sàng

Hình ảnh CT; MRI;
đám mây điểm

Mơ hình 3D ảo cho mơ phỏng y tế, phân tích y

sinh học và nghiên cứu
Phát triển thấu kính tiếp xúc

- Bệnh nhân

Khoa học

- Mẫu thạch cao

thị giác &

Mô phỏng và nghiên cứu thấu kính tiếp xúc và

- Dữ liệu đầu vào:

Đo thị lực

hình dạng mắt

Hình ảnh CT; MRI;
đám mây điểm

Phát triển cấy ghép hông và đầu gối cũng như

- Bệnh nhân

các dụng cụ phẫu thuật như tấm chỉnh hình,

- Đối tượng y sinh

Khoa chỉnh dụng cụ cố định và ốc vít
hình

- Mẫu thạch cao

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

Hình thái
học và

Hình ảnh CT; MRI;
đám mây điểm

Thiết kế và sản xuất các sản phẩm làm bằng

- Bệnh nhân

orthosis và ergonomic cá nhân như ghế và ghế

- Đối tượng y sinh

ngồi xe hơi, giày và các sản phẩm thể thao

- Mẫu thạch cao
- Dữ liệu đầu vào:

chân tay
giả

- Dữ liệu đầu vào:

Thiết kế và sản xuất bộ phận giả cá nhân

Hình ảnh CT; MRI;
đám mây điểm

Thiết kế và sản xuất giàn giáo kỹ thuật mô
Kỹ thuật
mô

- Bệnh nhân
- Đối tượng y sinh

Mơ hình hóa 3D cấu trúc xương để phân tích và

- Dữ liệu đầu vào:

nghiên cứu y sinh học

Hình ảnh CT; MRI;

23