基于快速成型及逆向工程技術(shù)的臉部假體實(shí)驗(yàn)研究

陳若瀚 陳盛貴 四庫(kù)

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

快速成型 (Rapid Prototyping，RP)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種原型制造技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工件的三維模型，并快速制作其實(shí)體模型，無(wú)需任何附加的傳統(tǒng)工模具或機(jī)械加工?？焖俪尚图夹g(shù)具有快速、靈活以及適合任何形狀、高度柔韌性、高度集成化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域［1］。逆向工程 (Reverse Engineering，RE)是基于一個(gè)已獲得的實(shí)體模型構(gòu)造其設(shè)計(jì)概念，并可通過(guò)對(duì)重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物模型再設(shè)計(jì)的技術(shù)，主要技術(shù)內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)獲取;曲面重構(gòu)［2］。

由于意外事故或先天性發(fā)育異常引起的耳朵或鼻子等缺陷是臉部假體修復(fù)領(lǐng)域較為常見(jiàn)的病例。目前國(guó)內(nèi)的治療方法主要是采用技師進(jìn)行手工雕刻，因此假體的外觀以及和缺損面的貼合程度主要取決于技師的雕刻水平［3］。RP技術(shù)以其不受零件復(fù)雜程度限制的優(yōu)點(diǎn)為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的技術(shù)突破。目前，RP技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要在于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平、縮短時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用［4－6］。國(guó)際上將RP技術(shù)與RE技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)，然而國(guó)內(nèi)這方面的研究仍鮮有報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)將使用ATOS便攜式三維掃描儀、FreeForm自由設(shè)計(jì)軟件、FDM及TDP快速成型設(shè)備、真空注型設(shè)備、CAV軟件等快速成型及逆向工程技術(shù)為患者制作個(gè)性化、精度可靠、經(jīng)濟(jì)快捷、以及外形舒適的臉部假體，為醫(yī)學(xué)治療中的臉部假體制作提供一種新的工藝方案。

1 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)GOM公司的ATOS便攜式三維掃描儀完成數(shù)據(jù)采集工作。ATOS便攜式三維掃描儀在測(cè)量過(guò)程中可隨意繞著人體移動(dòng)，在距離臉部約700 mm處高速攝取實(shí)物表面數(shù)據(jù)，掃描系統(tǒng)可連續(xù)投影11種不同間距的光帶于臉部，通過(guò)光帶間距的變化及數(shù)碼攝像處理器的分析，在數(shù)秒內(nèi)便可得到表面數(shù)據(jù)［7］。在獲取患者的臉部數(shù)據(jù)過(guò)程中，患者應(yīng)素妝并佩戴防護(hù)眼鏡，掃描時(shí)保持身體直立10分鐘～15分鐘。掃描過(guò)程如圖1所示，掃描結(jié)果如圖2所示。

圖1 患者臉部掃描過(guò)程

圖2 患者臉部掃描數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

逆向工程的關(guān)鍵過(guò)程在于根據(jù)大規(guī)模散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)具有復(fù)雜曲面外形的三維計(jì)算機(jī)模型。由于光照條件的細(xì)微變化、人臉不光滑的表面以及部位遮擋、數(shù)據(jù)采集規(guī)劃等因素的影響，激光掃描數(shù)據(jù)通常會(huì)有一些需要彌補(bǔ)或平滑的區(qū)域，例如耳朵、鼻子等部位的不光滑區(qū)域會(huì)產(chǎn)生毛刺，因此需要對(duì)掃描獲取的臉部假體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯的逆向工程軟件有Imageware、FreeForm等。由于臉部假體的曲面較為復(fù)雜，F(xiàn)reeForm的觸感式操作更好，可通過(guò)觸覺(jué)編輯點(diǎn)云，因而選用FreeForm軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理更為合適，F(xiàn)reeForm觸感式操作器及軟件界面如圖3和圖4所示。

圖3 FreeForm觸感式操作器

圖4 FreeForm軟件界面

本實(shí)驗(yàn)采用SensAble公司的自由造型軟件FreeForm，該軟件的觸感式操作可讓患者、設(shè)計(jì)師以及醫(yī)生共同探討、設(shè)計(jì)臉部假體方案，并制作出患者滿(mǎn)意的假體外形。個(gè)性化臉部假體設(shè)計(jì)是為了設(shè)計(jì)出與患者自身吻合度極高的臉部假體而提出的，它可避免患者對(duì)設(shè)計(jì)師單方面設(shè)計(jì)出的假體產(chǎn)生不滿(mǎn)意以及降低醫(yī)療的難度，極大地提高了臉部假體的制作效果。設(shè)計(jì)師在處理患者的臉部假體原始模型時(shí)，患者、醫(yī)生可直接給予意見(jiàn)，且患者可親自操作FreeForm處理自己的臉部假體模型。FreeForm軟件操作簡(jiǎn)單，通過(guò)搖擺畫(huà)筆即可進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)FreeForm便捷地設(shè)計(jì)假體外形，運(yùn)用雕刻等功能對(duì)假體的相關(guān)部位進(jìn)行光順處理 (如圖5)，假體外形的逆向工程模型如圖6所示。

圖5 雕刻鼻子

圖6 鼻子的逆向工程模型

1.3 快速成型制造

RP技術(shù)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造 (CAM)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 (CNC)、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，將復(fù)雜的三維分工分解成簡(jiǎn)單的二維加工組合。具體加工過(guò)程為:首先在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型，然后對(duì)其進(jìn)行分層切片;接下來(lái)計(jì)算機(jī)根據(jù)模型各層輪廓的信息，控制材料在工作臺(tái)上一層一層地堆積;最后逐層疊加形成最終的三維產(chǎn)品［8］。目前應(yīng)用比較成熟的RP技術(shù)有熔融擠壓 (FDM)、三維打印 (TDP)、激光固化 (SLA)、激光燒結(jié) (SLS)和激光切紙(LOM)等5種，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)FDM、TDP兩種方法制作快速成型樣件，并對(duì)制作的樣件及復(fù)模件進(jìn)行精度分析。

1.3.1 FDM快速成型

本實(shí)驗(yàn)使用上海富奇凡機(jī)電科技有限公司的HTS－300熔融擠壓臺(tái)式快速成型機(jī)進(jìn)行FDM快速成型，精度為0.2 mm。FDM快速成型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材加熱溶化的成型方法。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出;材料迅速凝固，并與周?chē)牟牧夏Y(jié)。FDM快速成型樣件如圖7。

1.3.2 TDP快速成型

本實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)3D Systems公司的設(shè)備ProJet HD3000，精度為0.038 mm。TDP快速成型采用Multi－jet Modeling(MJM)技術(shù)與光硬化樹(shù)脂建構(gòu)模型。TDP快速成型樣件如圖8。

圖7 FDM快速成型樣件

圖8 TDP快速成型樣件

1.4 硅膠復(fù)模

FDM快速成型樣件需經(jīng)過(guò)后處理才能進(jìn)行硅膠模制作，以處理后的FDM快速成型件為樣本，制造硅膠模具，澆注樣件。TDP快速成型樣件進(jìn)行簡(jiǎn)單的拋光處理后即可進(jìn)行硅膠模制作。本實(shí)驗(yàn)采用上海福菲科技公司的VCM600真空注型機(jī)制作硅膠模 (如圖9所示)，并通過(guò)硅膠模澆注樣件，如圖10所示。

圖9 臉部假體硅膠模

圖10 鼻子澆注件

1.5 CAV分析

將快速成型件及硅膠復(fù)模件進(jìn)行激光掃描，為實(shí)驗(yàn)的精度分析提供數(shù)據(jù)，并形成臉部假體制作工藝的精度指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用GOM公司的軟件GOM Inspect進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的CAV(Computer Aided Verification)分析，形成2D檢測(cè)及色彩圖報(bào)告，GOM Inspect操作界面如圖11所示。

圖11 GOM Inspect界面

2D檢測(cè)及色彩報(bào)告如圖12所示，圖中顯示的不同著色代表掃描件與原始數(shù)據(jù)的差值，藍(lán)色代表差值為－0.2以下，綠色代表差值在－0.2到0.2之間，黃色代表差值在0.2到0.5之間，紅色代表差值在0.5以上。色彩圖清晰的顯示了臉部假體制作的精度情況，為患者臉部假體的外形效果提供了有效的反饋，在技術(shù)方面為減少醫(yī)患矛盾提供了新的途徑。

圖12 鼻子CAV分析圖

2 結(jié)果與討論

由FDM與TDP快速成型件的CAV分析圖可知，TDP成型件及其復(fù)模件的制作精度較高，在CAV分析圖中基本以綠色顯示，誤差相當(dāng)小。

由實(shí)驗(yàn)研究可知，TDP比FDM成型時(shí)間短，但成本比FDM成型高，主要由成型技術(shù)及設(shè)備的差異決定。TDP成型一個(gè)鼻子假體大約需要20分鐘，而FDM為40分鐘;TDP成型一個(gè)鼻子假體成本大約為1550元人民幣，而FDM為1200元人民幣。這兩種成型方法的成本是患者可接受的，但如果患者需要精度較高的假體時(shí)，可采用TDP快速成型方法制作臉部假體。

由于臉部假體所用材料自身的局限性及臉部假體經(jīng)常性暴露等因素，臉部假體的老化現(xiàn)象仍不可避免，患者需要在3年～5年后更換一次臉部假體。因此患者臉部假體治療結(jié)束后，醫(yī)院可以保存患者修復(fù)后的數(shù)據(jù)，并建成數(shù)據(jù)庫(kù);患者再次更換假體時(shí)，可直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)里的個(gè)人數(shù)據(jù)，進(jìn)行個(gè)性化處理后直接制作臉部假體，極大地節(jié)省了時(shí)間、人力及費(fèi)用。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)耳朵或鼻子等臉部假體修復(fù)中存在的問(wèn)題，本文通過(guò)ATOS便攜式三維掃描儀獲取患者臉部數(shù)據(jù)，應(yīng)用FreeForm軟件修復(fù)及個(gè)性化設(shè)計(jì)患者的臉部模型，并通過(guò)快速成型設(shè)備制作出臉部假體樣件，最后通過(guò)CAV軟件進(jìn)行精度分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)以上工藝流程，可經(jīng)濟(jì)快捷地制作出精度可靠的個(gè)性化臉部假體，為醫(yī)學(xué)治療中的臉部假體制作提供一種新的工藝方案。

［1］錢(qián)超，孫健.快速成型技術(shù)在口腔修復(fù)中的應(yīng)用［J］.國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2012，39(3):390－393.

［2］龔振宇，李國(guó)華，劉彥普，等.反求與快速成型技術(shù)在復(fù)雜頜面骨性病變修復(fù)中的應(yīng)用［J］.疑難病雜志，2011，10(10):767－770.

［3］黃雪梅，張文強(qiáng)，葉銘，等.基于快速成型技術(shù)的人耳贗復(fù)體的設(shè)計(jì)與制造［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(5):733－736.

［4］焦婷，葉銘，張富強(qiáng)，等.應(yīng)用快速原形法(FDM法)制作耳郭模型的基礎(chǔ)研究［J］.上海口腔醫(yī)學(xué)，2002，11(4):319－321.

［5］Sekou Singare，Qin Lian，Wei Ping Wang，et al.Rapid prototyping assisted surgery planning and custom implant design［J］.Rapid Prototyping Journal，2009，15(1):19 －23.

［6］Sekou Singare，Liu Yaxiong，Li Dichen，et al.Fabrication of customised maxillo-facial prosthesis using computer-aided design and rapid prototyping techniques［J］.Rapid Prototyping Journal，2006，12(4):206 －213.

［7］冉洋，龔媛媛，何鵬.應(yīng)用激光快速原形及逆向工程技術(shù)輔助個(gè)性化人工整形的實(shí)驗(yàn)研究［J］.激光雜志，2010，31(3):56－57.

［8］平雪良，高同軍，孟凡虹.一種提高快速成形系統(tǒng)精度的新切片算法［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(9):1121－1124.