面向医用器官模型的彩色3D打印颜色再现研究

作     者：邵珠伟 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李效周

授予年度：2024年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：彩色3D打印颜色再现 医用器官模型 颜色预测 颜色再现评价 

摘      要：随着3D打印技术的快速发展,彩色3D打印已经成为能够生产具有真实颜色和复杂外观的实体制造技术,成功的应用于医用器官模型的设计与生成。这不仅推动了医用器官模型的设计和制造模式的变革,同时对颜色再现准确性提出了更高的要求。准确的颜色再现能实现与真实人体解剖结构相仿的颜色和细节,不仅可以帮助提高手术规划的准确性,还能加强模型在教学环境和临床实践中的实用性。但医用器官模型的颜色具有特殊性,其颜色再现不同于常规的彩色3D打印颜色再现。基于此,本文通过系统分析全彩色3D打印的颜色再现原理,确定了彩色3D打印医用器官模型的颜色再现特点属性;通过建立并优化底基呈色模型,实现面向基于彩色3D打印的医用器官模型颜色预测、再现与评价;通过彩色3D打印两类医疗器官模型即耳部皮肤模型和心脏模型,实现对其颜色再现规律的特性分析与评价。主要研究内容与结果如下: 使用3D建模软件Maxon Cinema 4D 2023对耳部皮肤模型和心脏模型进行优化及上色处理,采用Stratasys J750 3D打印机进行打印输出,实现两类医用器官模型的彩色3D打印,并对全彩色3D打印的器官模型进行颜色再现分析。 （1）采用最大化分区方法获取彩色3D打印的医用器官模型的色域属性。为解决彩色3D打印的色域问题,分别打印输出IT8.7/3标准测试梯尺和PANTONE皮肤色指南色卡,并利用最大化分区方法绘制出其色域,研究医用器官模型的色域属性。结果显示,医用器官模型的色域具有明显的窄色域的特点;（2）构建并优化底基呈色模型。为解决医用器官模型的彩色3D打印中材料与颜色再现的关联性问题,分别引入打印厚度、饰面修饰类型和颜色输入色度值,探究医用器官模型的彩色3D打印颜色再现特性。结果显示,三类参数对颜色的最终呈现存在着相互影响。其中,打印厚度与色度关联度的平均值为0.713,饰面修饰类型与色度关联度的平均值为0.759;所构建的打印厚度与L,a,b的底基呈色模型拟合函数的决定系数分别为0.96926,0.99559,0.97438;（3）根据底基呈色模型和医用器官的窄色域特点,设计并输出耳部皮肤模型和心脏模型,提出基于遗传算法优化BP神经网络和基于RBF神经网络模型的颜色再现模型。通过分析发现,耳部皮肤颜色再现的色度特点为:皮肤模型具有中等明度,微弱的红黄色调倾向,符合耳部皮肤模型的颜色外观。心脏颜色再现的色度特点为:心脏模型明度处于中等到略偏低的水平,稍显暗淡,而色调则倾向于红色,符合心脏模型的颜色外观;基于遗传算法优化BP神经网络的耳部皮肤颜色再现的预测平均色差值为0.7751,心脏颜色再现的预测平均色差值为1.7866,基于RBF神经网络的耳部皮肤颜色再现的预测平均色差值为3.4967,心脏颜色再现的预测平均色差值为4.5377,预测结果均符合颜色再现预期。