改进的3D-BoNet算法应用于点云实例分割与三维重建

为了更好地利用点云数据重建室内三维模型,本文提出了一种基于3D-BoNet-IAM算法的室内场景三维重建方法。该方法通过改进3D-BoNet算法提高点云数据的实例分割精度。针对点云数据缺失问题,提出了基于平面基元合并优化的拟合平面方法,利用拟合得到的新平面重建建筑表面模型。在S3DIS和ScanNet V2数据集上验证3D-BoNet算法的改进效果。试验结果表明,本文提出的3D-BoNet-IAM算法比原始算法分割精度提高了3.3%;对比本文建模效果与其他建模效果发现,本文方法的建模效果更准确。本文方法能够提高室内点云数据的实例分割精度,同时得到高质量的室内三维模型。

3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景:通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的:介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法:以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论:在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到专家们的重视。3D打印生物墨水的材料各种各样,有天然材料也有合成材料,还有一些不需要任何额外生物材料的细胞聚集体,并且各种材料在实际运用中的功效各不相同。未来会有越来越多的生物墨水被研制用于组织工程,需要通过充足的实验模拟及设备测试来对生物墨水的可打印性进行分析,从而满足实际的医用需求。

3D打印导板技术联合多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸

背景:近年来,随着3D打印技术的发展,使得外科手术走向个性化、精准化。3D打印导板技术可实现术前规划、术中导航,使得外科手术更加精准。临床中重度僵硬性脊柱侧弯矫形术中仍面临置钉准确性不高导致螺钉松动甚至引起神经并发症的问题,现有关于3D打印导板技术指导重度僵硬性脊柱侧弯术中置钉的研究不多。目的:评价3D打印导向模板技术联合后路多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸的临床效果。方法:回顾性分析3D打印导向模板椎弓根螺钉置入后联合施行后路多次转棒去旋转技术治疗重度脊柱侧凸6例患者的临床资料,男3例,女3例,手术时年龄15-23岁,平均(18.17±3.49)岁。分析术后2周和术后18个月时脊柱侧弯相关参数的变化,进行统计学分析。结果与结论:(1)手术时间280-540 min,平均(340.83±102.20)min,术中出血量1000-4000 mL,平均(2000.00±1073.70)mL,固定节段9-14个椎体,平均(11.83±1.72)个椎体,矫形过程中未出现螺钉松动;(2)所有患者均获得随访,术后2周全脊柱正侧位片显示冠状位主弯的cobb角、冠状面C_(7)铅垂线和S1正中线的距离、矢状面C_(7)铅垂线和S1后缘的距离、顶椎偏移、胸椎后凸角、腰椎前凸角均获得明显矫正,主弯的cobb角平均矫正率62.22%,术后18个月随访各参数较术后2周无明显变化,矫形效果满意,无感染和内固定断裂;(3)围术期切口延迟愈合1例,经过换药处理瘢痕愈合,未出现神经并发症;(4)结果表明3D打印导向模板结合后路多次转棒去旋转技术治疗重度僵硬性脊柱侧凸畸形安全有效,矫形效果满意。

3D Slicer三维影像重建技术在显微血管减压术治疗原发性三叉神经痛中的应用

目的探讨3D Slicer三维影像重建技术在显微血管减压术(MVD)治疗原发性三叉神经痛(PTN)中的应用价值。方法回顾性分析2020年1月至2022年12月MVD治疗的56例PTN的临床资料。术前行3D-TOF-MRA、3D-FIESTA扫描,并应用3D Slicer软件进行三维影像重建,了解血管与神经的关系、责任血管走行并模拟手术;术中显微镜下不能充分暴露或操作困难时,应用神经内镜进行观察及操作。结果55例术中确认存在责任血管,其中12例在神经内镜下确认;1例术中未发现责任血管。53例术前三维重建影像发现的责任血管与术中发现一致;3例术前三维重建影像为阴性,包括术中证实为静脉压迫2例、未发现责任血管1例。42例术后疼痛即刻消失,明显减轻13例,无变化1例。术后出现面部麻木4例、口周疱疹1例,对症治疗后缓解。术后随访15~47个月,BNI疼痛分级Ⅰ~Ⅱ级53例,Ⅲ级2例,Ⅳ级1例;有效率为94.6%。结论应用MVD治疗PTN时,3D Slicer三维影像重建技术有助于术前明确责任血管及其走行,可模拟手术以优化手术规划,减少术中不必要的探查与牵拉。神经内镜可弥补显微镜视野盲区,有助于暴露责任血管,减少责任血管遗漏,并可辅助确认及调整棉片的位置,提高手术效果。

3D MERGE与3D SPACE STIR序列在腰椎间盘突出症检查中的应用比较

目的:对比三维多回波恢复梯度回波(3D MERGE)、三维可变反转角快速自旋回波(3D SPACE STIR)序列在腰椎间盘突出症(LDH)检查中的应用效果。方法:选择2020年1月~2022年11月收治的135例LDH患者,回顾性分析患者临床和磁共振成像(MRI)资料,所有患者均接受常规MRI扫描及3D MERGE、3D SPACE STIR序列扫描,对比3D MERGE、3D SPACE STIR序列测量神经根直径的一致性,评价两种序列的图像质量参数[信噪比(SNR)、对比噪声比(CNR)]、图像清晰度评分。结果:3D MERGE和3D SPACE STIR序列测量的L3~S1神经根直径比较差异无统计学意义(P>0.05),且两组序列测量的L3、L4、L5和S1直径均显示出较高相关性(r=0.957,0.986,0.975,0.972,P<0.05);3D MERGE序列的SNR及CNR均高于3D SPACE STIR序列,神经根显示分级、图像清晰度评分优于3D SPACE STIR序列,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:3D MERGE、3D SPACE STIR序列在LDH神经根直径测量中具有极高一致性,3D MERGE序列较3D SPACE STIR序列能够更清晰显示神经跟的解剖形态,图像质量更好。

3D打印技术在腓骨头上入路治疗复杂胫骨平台后外侧骨折中的临床应用

目的探讨3D打印技术在腓骨头上入路治疗复杂胫骨平台后外侧骨折中的临床应用价值。方法回顾性分析67例接受腓骨头上入路治疗的复杂胫骨平台后外侧骨折患者的临床资料,根据术前是否采用3D打印模拟手术将患者分为3D打印组35例和常规组32例。比较2组患者的手术时间、术中出血量、术中透视次数,观察术后切口感染、腘血管损伤、腓总神经损伤等并发症发生情况。随访骨折愈合时间,术后6个月评估Rasmussen评分,末次随访时评估美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分。结果67例患者随访时间为14~22个月;2组各有1例患者发生术后切口感染,均未发生腘血管损伤、腓总神经损伤、下肢深静脉血栓等并发症;3D打印组患者手术时间、术中出血量、术中透视次数均短于或少于常规组,差异有统计学意义(P<0.05);2组患者骨折愈合时间、术后6个月Rasmussen评分、末次随访时HSS评分比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论3D打印技术应用于复杂胫骨平台后外侧骨折患者的腓骨头上入路治疗中,可以优化手术方案,缩短手术时间,减少术中出血量和透视次数。

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景:在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的:针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法:从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论:①通过实验得出,加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍;在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶,此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%,但抗压强度从230000 Pa降低到95000 Pa;②结果显示,使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160000 Pa的皮肤支架,该支架具有清晰的三维多孔结构。

3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能数值模拟研究

为深入研究3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能,基于3D打印混凝土永久模板叠合柱及同尺寸整体现浇对照柱试验建立构件数值模型,模拟分析其轴压荷载-位移响应及失效形态。针对界面粘结性能、现浇混凝土抗压强度、打印模板厚度、荷载偏心距等参数开展3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能计算分析,研究表明:叠合柱轴压极限承载力随着薄弱界面剪切强度、刚度及现浇混凝土抗压强度的增大而增大。由于打印材料的抗压强度高于现浇混凝土,叠合柱抗压极限承载力提升率与打印模板厚度呈近似线性关系,叠合圆柱的抗压极限承载力随着荷载偏心距的增大而降低,呈近似线性负相关。此外,偏心距对叠合圆柱极限承载力下降幅度的影响大于现浇圆柱。

沉浸式3D虚拟仿真实验平台构建

为解决传统实践教学在时间、空间上的局限性,增强实践教学的互动性,以虚拟智慧城市中的物联网创新应用为研究对象,结合虚拟现实技术,在实验内容和教学模式中融入价值创造和创业素养,构建融入“创新实验路径”和“多层次综合实验项目”的物联网专业沉浸式3D虚拟仿真实验平台。采用布鲁姆教学目标分类法设计3D虚拟仿真实验教学目标,并按照IAPVE的实施模型,构建基于3D虚拟仿真实验平台的教学实施模型和考核评价模型。实施结果表明,该3D虚拟仿真实验平台及教学实施和考核评价模型可指导实践教学改革,实现学生综合能力的全面协同提升。

3D smart mA调控技术对不同BMI患者图像采集时间质量及辐射剂量的影响

目的:分析3D智能管电流(3D smart mA)调控技术对不同体质量指数(BMI)患者图像采集时间、质量及辐射剂量的影响。方法:择取的180例行胸部CT扫描患者选自西安交通大学第一附属医院2021年6月至2022年12月期间所收治,按照BMI将患者分为三组,A组(18.5 kg/m^(2)≤BMI≤23.9kg/m^(2),n=75)、B组(23.9kg/m^(2)0.05);两位医师对肺部不同层面图像质量(IQS)评分进行评价,Kappa一致性非常好(Kappa值=0.768、0.812、0.861);三组肺部不同层面IQS评分对比,差异无统计学意义(P>0.05);三组肺部不同层面CT对比,差异有统计学意义,且随着BMI增加而下降(P<0.05),三组肺部不同层面图像标准差(SD)值对比,差异无统计学意义(P>0.05);三组容积CT剂量指数(CTDIvol)对比,差异无统计学意义(P>0.05);A组DLP、ED均低于B、C组,B组DLP、ED低于C组(P<0.05)。结论:不同BMI患者应用3D smart mA调控技术,在保证图像质量的前提下,可有效降低辐射剂量。

基于正逆向设计结合的3D打印实践教学

以装配体零件为载体,以正逆向设计结合为思想,以项目式教学为依托的3D打印实践教学项目,引导学生自主创新,注重产品质量。实践过程中部分零件采用正向设计并打印制作成型,其余零件则采用逆向设计并打印制作成型,组装获得完整装配体。教学实施效果表明,实践环节中的产品废品率显著下降,同时学生的课堂参与度显著提升。基于正逆向设计结合的教学方法突破传统的3D打印实践教学思路,锻炼了学生项目管理、自主创新、主动思考解决问题等综合能力,贯彻落实了学生质量观意识的培养。

直链淀粉含量对淀粉基凝胶3D打印适应性的影响

该研究探讨了直链淀粉含量对淀粉基凝胶的三维打印适应性的影响。通过对淀粉凝胶的物理性质的探究,揭示了淀粉凝胶的打印性能、流变学性能和晶体结构之间的关系。结果表明,所有淀粉基凝胶均表现出剪切稀化和类固体特性。直链淀粉含量对淀粉基凝胶的硬度、弹性、黏附性和回复性有显著影响。直链淀粉与支链淀粉比例为2∶8的淀粉基凝胶打印效果最好,其硬度、黏附性和回复性分别为(43.5±0.6)g、(138.0±3.1)g·s和(0.102±0.003),而且其网络结构规则,热稳定性好,淀粉结晶有序。利用计算流体动力学对三维打印过程进行模拟,发现在支链淀粉中加入直链淀粉会增加凝胶的黏度,从而降低其打印速度,因此直链淀粉与支链淀粉比例为2∶8的淀粉基凝胶适于进行3D打印。该研究表明,可以通过调节凝胶中直链淀粉的比例提高淀粉基凝胶的三维打印适应性。

3D打印结合叙事医学在骨科住培医师教学中的应用研究

目的:研究3D打印结合叙事医学教学方法在骨科住培医师教学中的应用价值。方法:选取骨科住培医师80人,随机分为试验组及对照组,比较两组学员的理论能力、实践能力、人文关怀能力及教学满意度。结果:试验组的实践能力、人文关怀能力及教学满意度均显著高于对照组(P<0.05)。结论:应用3D打印结合叙事医学的教学方法具有良好的教学效果。

分布式3D打印服务的实时多任务调度研究

针对分布式3D打印机(3DPs)在工业物联网(IIoT)中共享、协作、生产全球化的定制产品过程中,3D打印任务(3DPTs)在分布式3D打印机上分配工作量不平衡,以及提交的每个模型的定制属性和实时性等问题,文章提出了用于IIoT中个性化3D打印的实时绿色感知多任务调度架构,给出了一种稳健的在线分配算法,使得每个3D打印任务能够精确地满足用户定义属性,并且平衡了分布式3D打印机之间工作负荷,同时开发了一种基于优先级的自适应实时多任务调度(ARMPS)算法,实时调度每一个3D打印任务,满足3D打印任务的实时性以及动态性要求。在高负载下进行仿真实验,经性能评估测试,表明所提出的算法具有稳健性,调度架构具有鲁棒性和可扩展性。

3D打印环保混凝土的研究进展及发展趋势

探讨了将各类固体废弃物作为骨料、胶凝材料和纤维掺入混凝土制成可再生、可循环利用的绿色环保建筑材料的研究现状及进展,并对其制成的3D打印环保混凝土的可打印性、流变特性、可挤出性、可建造性、力学各向异性及耐久性作出评估和论证。

3D建模在播种机产品设计上三维艺术仿真

以SolidWorks2015仿真软件设计播种机为例,通过引入三维艺术,完成了播种机零部件结构的设计,并通过修改零部件特征完成了播种机3D模型和整机装配。经过SolidWorks 3D虚拟建模和装配,得出了如下结论:利用Solidworks2015对播种机进行3D建模和装配,符合播种机实际生产制造流程。

3D打印不同骨密度的椎间融合器优化设计

依据颈椎的原始数据,通过医学图像处理和逆向建模操作分别重建了颈椎C6段和C7段的模型,并将其装配形成颈椎C6~C7节段,得到椎间融合器基本数据。依据基本数据分别建立了矩形多孔、梯度多孔、八面体多孔椎间融合器模型。对融合器施加成年男性颈部所受到的最大力,通过有限元分析求解应力、应变以及最大变形量。计算设计的椎间融合器的弹性模量下降情况,对不同孔隙率的矩形多孔结构椎间融合器进行分析,并优化设计。结果可知,3种结构的融合器均有不同程度的弹性模量下降,而矩形结构椎间融合器的孔隙率在60%左右时,弹性模量下降得最多。

3D打印技术在骨科创伤疾病教学中的应用进展

创伤骨科解剖结构复杂,受伤机制及骨折类型多变,一直是医学教育的重点和难点。但是,传统的教学方法多借助课件和尸体标本等辅助讲授,医学生难以直观观察、认识和理解,教学效果欠佳。随着计算机和数字化虚拟技术的飞速发展,3D打印技术在创伤骨科疾病中已发展成一种重要的教学辅助手段。该技术用于创伤骨科临床教学的应用价值主要表现在:三维重建复杂解剖结构、判断骨折分型和并发症、推测骨折受伤机制、制定手术计划、提高学习热情和信心,从而不断提高教学质量。文章将对近年来3D打印技术在骨盆骨折、髋臼骨折和关节周围骨折教学应用中的研究进展进行分析与归纳,阐述应用现状和所存在的问题,以不断提升骨科创伤疾病的临床教学质量。

基于3D激光扫描技术的粗集料三维形态特征分析

为了能够建立精确的沥青混合料细观力学模型、优化混合料性能,需要先构建具有真实形态学特征的集料模型并计算分析集料形态参数,利用3D激光扫描技术采集了辉绿岩、石灰岩、玄武岩与卵石4种集料共500颗样本的三维点云数据,通过球谐函数简化集料模型,建立了三维集料样本库。归纳总结了现有集料的形态指标,通过皮尔逊相关性分析,选取F_(I)、A_(I)定量表征粗集料三维形态特征,对不同种类以及粒径集料的F_(I)、A_(I)进行统计分析。研究结果显示:当球谐序列阶数为10,三角形映射网格数为643时,简化后集料模型基本形状、体积与表面积均与真实集料非常接近;集料的F_(I)、A_(I)服从正态分布与对数正态分布,且随集料类型和粒径的变化而变化。

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.