計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)數(shù)字骨科入門(mén)（二）

尹慶水 萬(wàn)磊

繼續(xù)教育

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)數(shù)字骨科入門(mén)（二）

尹慶水 萬(wàn)磊

1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人體骨骼快速成型技術(shù)的起源

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，借助功能強(qiáng)大、性能完備的計(jì)算機(jī)軟件，人們可以獲得擁有足夠分辨率的三線曲線模型、表面模型以及實(shí)體模型，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design,CAD）應(yīng)運(yùn)而生了。

快速原型技術(shù)(rapid prototyping,RP)，又稱(chēng)快速原型制造技術(shù)(rapid prototyping manufacturing, RPM)，是國(guó)外20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)?，F(xiàn)代熱聚合物及對(duì)其控制能力的發(fā)展加之激光技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了三維軟件和原型技術(shù)的結(jié)合，RP技術(shù)由此誕生。近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，RP技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及模具制造等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。在骨科學(xué)領(lǐng)域，RP技術(shù)有助于更加形象地認(rèn)識(shí)骨骼正常結(jié)構(gòu)的空間特征，準(zhǔn)確診斷復(fù)雜性骨折，設(shè)計(jì)手術(shù)方案以及評(píng)價(jià)術(shù)后生物力學(xué)穩(wěn)定性等等。

CAD人體骨骼快速成型（computer aided design-reverse prototyping,CAD-RP）技術(shù)是以CAD為 基 礎(chǔ) ，綜 合 了 逆 向 工 程（reverse enginreering,RE）和快速自動(dòng)成型技術(shù)，并與人體骨骼解剖學(xué)相結(jié)合的一種新型人體三維成型技術(shù)。它集CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing,CAM）、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)于于一體，基于離散—堆積成型原理，利用人體二維斷層圖像信息(CT/MRI)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模，采用相應(yīng)處理軟件轉(zhuǎn)換生成數(shù)控加工命令，并將加工材料(紙、液態(tài)樹(shù)脂及粉末材料等)層層固化或堆積，由點(diǎn)到線，由線到面，由面到體，經(jīng)激光燒結(jié)，疊加生成實(shí)物的三維CAD模型，最后制造出1：1的人體骨骼立體實(shí)物模件。

2 CAD-RP技術(shù)的相關(guān)設(shè)備

第一臺(tái)RP設(shè)備于1987年誕生于美國(guó)3D公司。此后，RP技術(shù)發(fā)展迅猛，設(shè)備種類(lèi)層出不窮，材料固化方法多種多樣。目前，就材料固化方面，可分為激光和非激光燒結(jié)法、固體表層造型法、層片制造法、熔化沉積法、選區(qū)粘結(jié)法和激光氣相沉積法等，且每種方法都有其各自的特點(diǎn)。選擇性激光燒結(jié)法是最早應(yīng)用的RP技術(shù)，初期占有較大市場(chǎng)份額，但其可用材料范圍窄、成本高，成型件耐熱、耐負(fù)荷、著色能力較低，因此已逐漸被其它方法所取代；溶化沉積法成型速度快，成本低，但零件尺寸小，精度差，應(yīng)用受到一定限制；層片制造法選取紙或塑料薄片等成本較低的材料，且激光只照射每一層的輪廓邊緣，成型速度快，但產(chǎn)品表面質(zhì)量差；選擇性激光燒結(jié)法運(yùn)用激光進(jìn)行燒結(jié)，塑料、陶瓷、金屬等材料均可成型，成型件耐熱、耐負(fù)荷和著色能力較強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

RP技術(shù)的主要用途是制造用于設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的產(chǎn)品模型。RP模型在材質(zhì)方面有所不同，但外形及尺寸則與傳統(tǒng)加工方法制造的產(chǎn)品模型相差無(wú)己，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可進(jìn)行功能性試驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過(guò)表面處理，仿真程度高。目前通過(guò)RP技術(shù)制造的模具主要包括由軟材料制成的成型模(蠟?zāi)！h(huán)氧樹(shù)脂模、硅橡膠模、低熔點(diǎn)合金鑄造模等)以及由陶瓷或金屬基合成材料制成的硬型腔模。制造硬模時(shí)可用RP零件作母模，首先制作環(huán)氧樹(shù)脂?；蚱渌牧宪浤?，在軟模中澆注陶瓷或石膏模，進(jìn)而澆鑄鋼水制成鋼模；或者在軟模中澆注混合有化學(xué)粘結(jié)劑的鋼粉，進(jìn)行燒結(jié)制成鋼模。另外，RP技術(shù)也可用于制作特殊部件，如個(gè)體化的人體骨骼。RP技術(shù)制作模具和產(chǎn)品的成型設(shè)備，均需讀取CAD系統(tǒng)生成的STL或CLI等文件格式數(shù)據(jù)，不同的文件格式數(shù)據(jù)對(duì)其精度有較大影響，因此研究CAD系統(tǒng)對(duì)RP設(shè)備具有相當(dāng)重要的意義。

3 CAD-RP技術(shù)在骨科的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用范圍

在骨科基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，CAD-RP技術(shù)常被用于仿生制造與假體工程。通過(guò)RP技術(shù)制作的人工骨骼，其突出特點(diǎn)是微孔的數(shù)量、大小、分布及形狀均可人工控制。這種人工骨骼不僅與被代替的骨骼在形狀上基本保持一致，而且具有極好的生物相容性和生物可降解性，可以在體內(nèi)逐步被再生骨骼組織所替代。這種載體框架的內(nèi)部由于具有微孔結(jié)構(gòu)，組織液和成骨細(xì)胞容易長(zhǎng)入，因此可以形成一種有利于細(xì)胞粘附、增殖和功能發(fā)揮的微環(huán)境，以此達(dá)到與組織工程并行生長(zhǎng)、加速材料降解和成骨過(guò)程、促進(jìn)組織修復(fù)的目的，較好地實(shí)現(xiàn)了制造先進(jìn)性與生物活性的一體化。在假體工程方面，學(xué)者們通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)制造出新型復(fù)合個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)，術(shù)中假體與異體骨、對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)的匹配情況良好。目前絕大多數(shù)骨科器械的研發(fā)均采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與分析。

在骨科臨床研究方面，CAD-RP技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間。目前，骨科CAD-RP技術(shù)主要用于以下臨床環(huán)節(jié)：（1）計(jì)算機(jī)三維重建，虛擬還原骨骼/骨折三維形態(tài)；（2）有限元計(jì)算，進(jìn)行應(yīng)力分布預(yù)測(cè)；（3）計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)，進(jìn)行手術(shù)可行性研究和結(jié)果預(yù)演；（4）計(jì)算機(jī)個(gè)體化測(cè)量，指導(dǎo)骨折復(fù)位；（5）三維模型成型輸出，可供醫(yī)生了解掌握患處形態(tài)、進(jìn)行術(shù)前模擬操作及向病人宣教等；（6）手術(shù)模板打印，消毒后直接用于手術(shù)操作，可進(jìn)行置釘、矯形等復(fù)雜手術(shù)。目前國(guó)內(nèi)已在三踝骨折、跟骨骨折、股骨頸骨折、骨盆骨折、下肢矯形、膝關(guān)節(jié)修復(fù)、骨腫瘤、寰樞椎不穩(wěn)、脊柱側(cè)彎、脊柱后凸畸形等疾病的治療中開(kāi)展了CAD-RP技術(shù)的基礎(chǔ)和臨床研究。

3.2 臨床意義

隨著數(shù)字化測(cè)量、計(jì)算機(jī)模擬、三維仿真等一系列計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，骨科學(xué)的臨床研究和治療技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字醫(yī)學(xué)時(shí)代。國(guó)外學(xué)者運(yùn)用RP技術(shù)對(duì)骨科患者進(jìn)行輔助診斷和治療，結(jié)果表明，該技術(shù)明顯提高了骨科手術(shù)術(shù)前診斷的準(zhǔn)確性，縮短了平均手術(shù)時(shí)間，優(yōu)化了手術(shù)方案，對(duì)患者的宣教工作亦獲得滿意效果。我科于2008年5月始開(kāi)展了CAD-RP技術(shù)，目前已實(shí)施了110例相關(guān)骨科手術(shù)，主要包括四肢復(fù)雜骨折的個(gè)體化手術(shù)、股骨頸置釘導(dǎo)向模板輔助股骨粗隆間/股骨頸骨折內(nèi)固定手術(shù)、骨腫瘤的綜合保肢治療、四肢畸形的截骨矯形、寰樞椎后路椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)向模板精確置釘、TARP鋼板的設(shè)計(jì)改良及手術(shù)方法改進(jìn)、脊柱側(cè)彎后凸畸形矯形術(shù)等。我們的研究結(jié)果顯示，CAD-RP技術(shù)有助于術(shù)前診斷、虛擬手術(shù)以及效果評(píng)估，可以進(jìn)行精確手術(shù)設(shè)計(jì)和術(shù)前模擬手術(shù)，改變了臨床手術(shù)依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和手感的傳統(tǒng)，縮短了年輕醫(yī)生的學(xué)習(xí)周期，提高了手術(shù)精確性；利用CAD數(shù)字化導(dǎo)向模板還可對(duì)畸形和解剖變異患者進(jìn)行高難度和高精度的個(gè)體化手術(shù)，最大限度地降低并發(fā)癥的發(fā)生率，從而提高手術(shù)的安全性。

3.3 存在問(wèn)題和注意事項(xiàng)

盡管CAD-RP技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但作為一種新型的技術(shù)，仍有其局限性和需要注意的問(wèn)題。例如，CAD數(shù)字化導(dǎo)向模板與骨骼的正常吻合主要依賴(lài)于骨性凸出結(jié)構(gòu)的良好顯露，依據(jù)骨性結(jié)構(gòu)的凹凸特點(diǎn)通過(guò)計(jì)算機(jī)反求法建立互補(bǔ)組件，在手術(shù)中需要對(duì)骨性凸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛剝離和充分顯露，術(shù)中創(chuàng)傷較大，因此應(yīng)注意肌肉韌帶附著點(diǎn)的修復(fù)。在數(shù)字化導(dǎo)向模板輔助寰樞椎后路椎弓根內(nèi)固定置釘術(shù)中，樞椎進(jìn)釘點(diǎn)位置位于下關(guān)節(jié)突后部，表面為斜坡?tīng)睿又M(jìn)釘角度需頭傾、內(nèi)斜，使用手鉆進(jìn)針時(shí)容易打滑，影響準(zhǔn)確性。故手術(shù)中可先依據(jù)導(dǎo)向模板定位標(biāo)記，垂直開(kāi)口后再依據(jù)導(dǎo)向模板設(shè)計(jì)的釘?shù)楞@孔。運(yùn)用股骨頸置釘導(dǎo)向模板輔助股骨粗隆間/股骨頸骨折手術(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮股骨頭在實(shí)際手術(shù)復(fù)位操作時(shí)前傾角和頸干角恢復(fù)的程度，合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向模板角度，必要時(shí)需要根據(jù)健側(cè)鏡像結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬復(fù)位，在此基礎(chǔ)上制作導(dǎo)板。

3.4 展望

在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，計(jì)算機(jī)的功能更加強(qiáng)大，軟件功能更加完善，能夠從CT/MRI或者虛擬人數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取特征參數(shù)或重要幾何細(xì)節(jié)，直接生成個(gè)體化骨骼模型；計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可設(shè)計(jì)出個(gè)體化內(nèi)固定器及個(gè)體化人工假體，結(jié)合組織工程學(xué)技術(shù)制作出具有組織活性的仿生人體骨骼植入物；CAD-RP技術(shù)還可與手術(shù)導(dǎo)航與機(jī)器人輔助技術(shù)等數(shù)字技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮更大作用。毫無(wú)疑問(wèn)，我們已經(jīng)步入了骨科數(shù)字化的新紀(jì)元，而CAD-RP技術(shù)將對(duì)骨科的基礎(chǔ)和臨床研究產(chǎn)生不可估量的影響。

（待續(xù)）

（本文編輯 白朝暉）

R68,R319

A

1674-666X(2009)02-0151-03

10.3969/j.issn.1674-666X.2009.02.020

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