基于Geomagic Qualify檢測和提高激光快速成型法制造肋骨實體的精確度

阮 征，王永武，陳勇，梁學炎，伍 斌

1.上海交通大學附屬第一人民醫(yī)院胸外科，上海 200080；2.同濟大學附屬同濟醫(yī)院胸外科，功能材料實驗室，上海 2000652；3.上海瑞瓏汽車技術有限公司，上海 201600；4.上海質(zhì)子汽車有限公司，上海 201600

肋骨幾何外形的重要性不僅體現(xiàn)在胸廓的美觀程度，也對應著相應的生物力學性能[1]。年齡、礦物質(zhì)、脊柱和胸壁畸形均會影響到肋骨的結構和幾何外形，從而改變正常的生物力學性能，造成功能受損[2-3]。胸部腫瘤、感染等因素導致肋骨破壞或需要外科切除，導致胸壁缺損、軟化。臨床研究發(fā)現(xiàn)，骨性結構的缺損會導致胸壁缺乏有效的立體結構支撐，外觀形態(tài)會發(fā)生明顯的改變，同時也會導致胸壁順應性的下降，從而影響呼吸和運動的功能[4，5]?，F(xiàn)有的重建材料能夠解決胸壁重建所需要的機械強度和材料的組織相容性、生物安全性。然而，未能夠解決肋骨結構所具有復雜的、立體的幾何外形。Thomas認為，胸壁重建的目的除了保證胸廓的穩(wěn)定性和密閉性外；還要維持良好的胸廓的外形，解決手術側的胸壁收縮，避免造成胸廓成形術樣改變[6]。后者往往受到忽視。

解決問題的關鍵是能夠制造出，具有生理幾何外形和一定力學性能的人工肋骨（假體）。現(xiàn)有的文獻尚無報道設計和制造具有完整幾何外形的人工肋骨。由于肋骨的曲面比較復雜，其幾何外形各不相同，精確制造出人工肋骨存在較大困難。傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術，如車刨削或采用鑄造、沖壓等進行肋骨的制造，需要完成繪圖、工藝設計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié)，技術上也存在很大的困難。更為重要的是，傳統(tǒng)的方法制造肋骨，多是以標準的解剖結構為對象進行加工制造。因此，不能夠滿足于臨床“個性化”治療的需要。在臨床實際操作中，也不可能提供進行加工制造的原型肋骨，這似乎是人工肋骨制造方面的困難之一。

近年來，隨著計算機輔助設計和制造技術、數(shù)字化影像技術的發(fā)展快速成型制造技術已經(jīng)在醫(yī)學領域發(fā)揮了重要的作用。如進行制造個性化人工假體、解剖/疾病模型、組織工程支架、術前的策劃、術中導航和醫(yī)學教育等[7-9]。成功應用于顱腦外科、骨科、整形外科等。

鑒于快速成型制造技術在醫(yī)學領域制造人工假體和解剖模型的成功經(jīng)驗，以及該技術所體現(xiàn)出的快速性、先進性和精確性的特點，考慮到設計和制造具有完全幾何外形的人工肋骨的空白及預期的臨床應用的價值，我們采用數(shù)字化掃描技術獲取肋骨的圖像數(shù)據(jù)，結合計算機輔助設計技術，應用快速成型制造技術來制作具有完全幾何外形的人工肋骨。同時，應用激光三維掃描儀結合Geomagic Qualify分析，測定人工肋骨的精確性，根據(jù)掃描結果的分析，確定產(chǎn)生較大偏差的部位，進行重點的優(yōu)化設計和改進制造，希望制造出完全符合真肋幾何外形的人工肋骨。

1 材料和方法

1.1 實驗動物的準備和處理

動物飼養(yǎng)和實驗均遵守1996年版的動物飼養(yǎng)和使用條例，并得到同濟大學附屬同濟醫(yī)院動物飼養(yǎng)和使用管理委員會的同意。

選取1條健康的雄性雜種犬，2歲，體重18 kg左右。在對犬進行胸部CT掃描前，應用氯胺酮（10 mg/kg）進行鎮(zhèn)靜。對犬實施安樂死時，先予異氟醚吸入，再靜脈推注戊巴比妥鈉（200 mg/kg）。犬安樂死后，即解剖出肋骨骨架，取右第7肋骨的皮質(zhì)部分作為設計和制造的肋骨原型，進行對照研究。

1.2 犬肋骨圖像數(shù)據(jù)的采集和文件格式的轉換

鎮(zhèn)靜后的實驗犬，胸部接受64排螺旋CT掃描(lightspeed VCT，GE healthcare)，層距和層厚均取0.625 mm。以DICOM格式保存于光盤，輸入個人計算機。

應用圖像編輯處理OsiriX軟件，讀取犬肋骨的DICOM格式CT圖像。采用多平面重建，對所需要的相應肋骨的圖像按其長軸方向進行分層，輸出為新的DICOM圖像，然后采用ROI（region of interest）的分割功能，選取第7肋骨皮質(zhì)部分做為原型，利用閾值分割和區(qū)域增長功能去除軟組織，得到第7肋骨的分割后圖像，利用3D表面重建對第7肋圖像進行三維重建，結果輸出為STL格式的文件。

1.3 犬肋骨實體的制造

應用UG軟件（Siemens PLM Software）對犬第7肋骨的STL文件進行處理，對肋骨圖形中干擾和多余的數(shù)據(jù)進行刪除，丟失的數(shù)據(jù)進行修補，再對數(shù)字化的肋骨進行平滑、降噪和松弛處理，最大限度的還原犬第7肋的解剖結構和幾何外形，建立犬肋骨的實體模型，把處理好的STL文件導入到快速成型機，形成分層、添加支撐、形成刀軌等操作，應用SLA快速成型機（SPS600B，陜西恒通智能機器有限公司，中國），以14120光敏樹脂（Somos公司，美國）為原料，加工每層厚度為0.1 mm，設計加工精度±0.1 mm，激光光斑直徑:0.1 mm。以1:1 的比例加工犬右第7肋骨實體Ⅰ。

1.4 犬肋骨實體Ⅰ精確度的測定

三維掃描系統(tǒng)由柔性臂（CimCore，美國星科）和三維激光掃描系統(tǒng)（Perceptron，美國普賽）組成。分別對肋骨實體Ⅰ和犬肋骨原型進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，以STL的格式保持。然后，應用Geomagic Qualify（Geomagic，美國杰魔）軟件，以犬真肋骨原型作為測量的參考模板，而制作肋骨假體作為測試對象，應用最佳擬合（Best Fit)的方法把肋骨實體與真肋擬合同一坐標下的進行3D比較，最終的結果通過不同的顏色(即色譜)來區(qū)分，分析結果同時顯示正負偏值、標準偏差、百分偏差等。

1.5 犬肋骨實體Ⅱ的制作和精確度測定

根據(jù)肋骨實體Ⅱ進行激光掃描和Geomagic Qualify分析的結果，確定與肋骨原型偏差較大的部位。應用OsiriX軟件和UG軟件，再次進行圖像處理和輔助設計，重點是產(chǎn)生較大偏差部位的改進和優(yōu)化。應用光固化成型法制造肋骨實體Ⅱ。再次應用激光掃描和Geomagic Qualify進行測定精確度。

2 結果

2.1 應用醫(yī)用CT掃描

結合計算機輔助設計和光固化成型技術，制造出具有完全幾何外形的肋骨實體Ⅰ。

圖1為UG軟件處理后犬肋骨的IGS格式（計算機截圖）

圖2為快速成型制作的犬肋骨實體和肋骨原型

2.2 應用三維激光掃描系統(tǒng)和Geomagic Qualify軟件測定肋骨實體Ⅰ的精確度

激光掃描犬肋骨及肋骨實體Ⅰ，各獲取接近3萬的點云數(shù)據(jù)。以犬肋骨為模板，其設定范圍±0.5mm，應用點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計測定。不同的顏色代表肋骨實體與犬肋骨之間不同的差異程度（見圖3，4）。

掃描后經(jīng)Geomagic Qualify分析發(fā)現(xiàn)，最大的正偏差1.764，負偏差-2.126，平均0.183/-0.253，標準 偏 差 0.346；百 分 偏 差 中 ，-0.25～-0.167，-0.167～-0.083，-0.083～0，0～0.083，0.083～0.167，0.167～0.250，分 別 是 8.074% ，15.043% ，17.091%，15.324% ，11.458%，5.173% ；標 準 偏 差中，-2～-1標準偏差，-1～0標準偏差，0～+1標準偏差，+1～+2標準偏差，分別是4.725%，18.174%，61.295%，9.347%。有3.589%的點云數(shù)據(jù)超過正偏差的設定值，8.249%超過負偏差的設定值，總計有11.83%的點云數(shù)據(jù)超過設定的正負偏差的設定值。也就是說，絕大多數(shù)點云數(shù)據(jù)（88.17%）在設定的范圍內(nèi)波動。

2.3 改進后的肋骨實體Ⅰ的精確度

最大的正偏差 0.782，負偏差 0.964，平均 0.123/-0.255，標準偏差 0.247；百分偏差中，-0.25～-0.167，-0.167～-0.083，-0.083～0，0～0.083，0.083～0.167，0.167～0.250，分 別 是 9.027% ，9.877%，14.781%，16.530%，12.243%，5.392%；標準偏差中，-2～-1標準偏差，-1～0標準偏差，0～+1標準偏差，+1～+2標準偏差，分別是 13.045%，25.178%，42.942%，14.741%。有 0.206%的點云數(shù)據(jù)超過正偏差的設定值，7.616%的點云數(shù)據(jù)超過負偏差的設定值，總計有7.822%的點云數(shù)據(jù)超過設定的正負偏差的設定值。也就是說，更多數(shù)點云數(shù)據(jù)（92.178%）在設定的范圍內(nèi)波動（見圖5）。

圖3應用Geomagic Qualify軟件以最佳擬合的方法比較犬真肋和肋骨實體（計算機截圖）

圖4應用Geomagic Qualify軟件測定肋骨實體Ⅰ后自動生成的報告（節(jié)選）

圖1 UG軟件處理后，建立肋骨的實體模型Fig 1 Rib prosthesis model using UG software

圖2 肋骨實體（下）和犬肋骨（上）Fig 2 Rib prosthesis(down)and rib prototype(up)

圖3 掃描后真犬肋（左側）和肋骨實體（右側），以最佳擬合方法進行比較Fig 3 Rib prosthesis(left)and rib prototype(right)best fit based on scaning(down)

圖4-1 3D色譜分析：肋骨實體Ⅰ與肋骨原型差異圖Fig 4-1 Chromatographic analysisof Rib prosthesisⅠand rib prototype

圖4-2 肋骨實體Ⅰ，點云數(shù)據(jù)百分偏差分布圖Fig 4-2 The percentage deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

圖4-3 肋骨實體Ⅰ，點云數(shù)據(jù)標準偏差分布圖Fig 4-3 The standard deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

圖5-1 肋骨實體Ⅰ，點云數(shù)據(jù)的百分偏差分布圖Fig 5-1 The percentage deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

圖5-2 肋骨實體Ⅰ，點云數(shù)據(jù)的標準偏差分布圖Fig 5-2 Thestandard deviation of a point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

圖5應用Geomagic Qualify軟件測定肋骨實體Ⅱ后自動生成的報告（節(jié)選）

3 討論

3.1 成功制造具有完全幾何外形的肋骨實體

應用CT或MRI進行掃描，結合計算機輔助設計和快速成型技術制造解剖模型或模具，是項較成熟的技術[3-5]。我們采用醫(yī)用CT掃描技術，把DICOM格式的犬肋骨數(shù)據(jù)經(jīng)過OSIRIX軟件的處理，重建肋骨的三維結構并轉化成STL格式文件，再應用輔助設計軟件UG的處理，確立實體模型，形成IGS格式文件，輸入至激光快速成型機，制造出具有幾何外形的肋骨實體，與影像學或?qū)嵨镌偷男螒B(tài)、尺寸完全一致，直觀而準確地復制了肋骨。根據(jù)制造工藝的設定，其精確度可達±0.1 mm，使制造的肋骨實體與真肋（原型）幾乎完全一致。

3.2 臨床應用或預期應用價值

應用激光快速成型技術成功制造肋骨實體，無疑為將來制造能夠直接應用于臨床的肋骨假體奠定了技術基礎。目前，應用CT掃描和光固化成型法制造的肋骨實體，尚不能夠直接應用于臨床，主要原因是光敏材料成型過程中可能存在有害物質(zhì)，同時，材料的力學性能有限，不易消毒等[10]。但其在設計和制造過程中，所涉及肋骨數(shù)據(jù)的采集、格式轉換、CAD軟件的處理和實體模型的建立，其整個過程在不同的快速成型方法中是一致。因此，應用其他的快速成型法進行肋骨的制造也是可行的，如激光燒結法或三維打印技術制作人工肋骨，可能是更接近臨床應用的方法。以肋骨實體為母模，進行翻模制作金屬的人工肋骨是完全可行的，能夠體現(xiàn)出完整的幾何外形和足夠的力學性能。對于大面積的胸壁重建，需要進行硬性支撐，也可以考慮此方法，并且符合金屬植入物的材料安全性和消毒的要求。

目前，在胸壁重建中，尚缺乏具有完全幾何外形和一定力學性能的肋骨假體，往往應用金屬或樹脂進行胸壁的硬性支撐，可能造成移植固定困難、松動，斷裂，移位，甚至引發(fā)感染，造成被迫去除移植物或二次手術。若是因為感染或壞死需要應用重建，現(xiàn)有的重建材料多數(shù)不是最佳的選擇[5，11]。

因此，設計制造符合生理幾何外形和生物力學性能的人工肋骨假體成為臨床的需要，也有廣闊的市場前景。理想的人工肋骨假體能夠起到替代肋骨，穩(wěn)定胸壁，改善胸壁順應性，從而有利于呼吸運動和內(nèi)臟的保護。

快速成型技術所具有快速，便捷，精確地制造任意復雜的三維幾何實體的技術特點，符合人工肋骨假體的要求。頜面外科、神經(jīng)外科的臨床經(jīng)驗表明，應用快速成型技術制造的假體或修復體的邊緣與弧度能夠精確地擬合缺損部位的自然形態(tài)，且術中無需修整，大大縮短了手術時間[12-13]。

3.3 肋骨實體Ⅰ精確度的測量

Geomagic Qualify是逆向校核軟件，可對設計制造原型與已有實際零件之間進行自動的3D比對和誤差分析。以直觀易懂的圖形比較來顯示兩者的差異，進行二維和三維幾何形狀尺寸標注，通過整體的測量和比較，可以更準確地找出問題點，幫助設計師理解問題，解決問題。根據(jù)設定誤差等級進行色階分析，色譜代表誤差的分布形態(tài)，顏色越深誤差越大，上下代表兩個不同方向的誤差。

我們將激光快速成型技術制作的肋骨實體與犬肋骨原型，分別進行三維激光掃描后獲取點云數(shù)據(jù)，導入Geomagic Qualify軟件中，以真肋為模板，進行3D測量和比較誤差分布圖及其偏差分布圖。發(fā)現(xiàn)肋骨實體Ⅰ與真肋原型之間，最大的正偏差1.764，負偏差-2.126，平均偏差 0.183/-0.253，標準偏差0.346。顯然，肋骨假體與真肋原型的幾何外形有很高的相似度。從技術角度來說，肋骨假體具有較高的精確度。

盡管如此，我們仔細分析后發(fā)現(xiàn)，有3.589%的點云數(shù)據(jù)誤差超過+0.5 mm的設定值，而8.249%點云數(shù)據(jù)超過-0.5 mm的設定值，總計11.838%的點云數(shù)據(jù)超過設定值的范圍，即誤差值在±0.5 mm外。通過Geomagic Qualify的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)在肋骨的兩端，灰色的部分代表誤差范圍大的部分，即肋椎關節(jié)面和肋骨-軟骨離斷處，有較大程度的誤差。其主要的原因是，CT掃描獲取圖像數(shù)據(jù)后，在區(qū)分肋椎關節(jié)時存在較大的困難。肋椎關節(jié)是復合關節(jié)，肋頭與胸椎椎體的側面肋凹形成肋頭關節(jié)，肋結節(jié)的關節(jié)面與胸椎橫突肋凹形成肋橫突關節(jié)，其間，附著有韌帶和纖維結締組織[14]。既使是最有經(jīng)驗的放射科醫(yī)師，在對此區(qū)域進行閾值區(qū)分和切割時也面臨困難，特別是肋骨頭所具有的不規(guī)則面或凹凸面。這也就是通常所說的，造成假體或?qū)嶓w模型產(chǎn)生誤差的主要原因是，即對制造原型（本研究指肋骨）數(shù)據(jù)的采集、提取中的人為因素干擾或失誤造成的[15-16]。另外，光敏樹脂材料可能存在固化收縮產(chǎn)生的輕微的變形或加工過程中參數(shù)設置的原因[17]，導致肋骨的兩端產(chǎn)生較大的誤差，但這不是主要因素。

3.4 肋骨實體精確度的提高

激光快速成型法制作的零部件有很高的精確度，通常并不涉及圖像信息的丟失、噪點、數(shù)據(jù)格式的轉換等，信息的完整性和連續(xù)性得到根本的保證。在臨床實際中，無法直接獲取所需制作的骨骼的數(shù)據(jù)，必須通過CT或MRI掃描后，經(jīng)過轉換數(shù)據(jù)格式、圖像編輯和處理，建立實體模型，才能被快速成型機所識別，進行加工制作。部分骨骼數(shù)據(jù)，由于疾病或損傷的關系，已經(jīng)發(fā)生結構的破壞或變形，只能夠通過采集對側健康的結構，再通過鏡像技術進行轉換獲取。因此，應用快速成型法制造醫(yī)用假體或解剖模型，過多的環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生相對較大的誤差，其精確度可能有所降低。關鍵是這些改變對于醫(yī)學領域來說是否可以接受。越是對外觀形態(tài)或功能要求高的部位，可能需要的精確度越高。對于肋骨假體來說，并不要求很高的精確度，按照現(xiàn)有的技術和方法制造的肋骨實體已經(jīng)能夠滿足設計的要求。

根據(jù)Geomagic Qualify分析的結果，確定肋骨實體與肋骨原型偏差較大的部位。誤差分析圖譜顯示，肋骨實體與犬肋骨點云數(shù)據(jù)的偏差大部分都在±0.5mm以內(nèi)，偏差在±0.5 mm以外的區(qū)域可以根據(jù)需要重新對肋骨的實體模型進行調(diào)整。再次應用OsiriX軟件，進行精細化的操作，特別是注重肋椎關節(jié)及肋骨-軟骨連接處圖像的切割和提取，再應用UG軟件，進行優(yōu)化處理和輔助設計，重新建立肋骨實體模型，再次制造的肋骨實體Ⅱ。經(jīng)過激光掃描和分析，分析改進后的肋骨實體Ⅱ的精確度有較為明顯的提高，表現(xiàn)在，最大的正偏差0.782，負偏差-0.964，平均 0.123/-0.255，標準偏差 0.247。其中，7.822%的點云數(shù)據(jù)超過設定值，更多的點云數(shù)據(jù)（92.178%）在設定的范圍內(nèi)波動。

根據(jù)結果提示我們，快速成型機制造工藝的精確度遠遠高于現(xiàn)有CT掃描所能夠提供的分辨率，使之不相匹配[18-19]。因此，我們應該采取更薄的CT層厚及層距，掃描出更細小的解剖結構。才能夠保證肋骨原始數(shù)據(jù)的完整性和真實性。在應用UG軟件處理時，工程技術人員對肋骨的正常結構也要熟知，避免數(shù)據(jù)處理過程中的錯誤導致解剖信息的丟失或添加。

基于醫(yī)用CT掃描，結合計算機輔助設計和激光快速成型法制造具有完全幾何外形的肋骨是可行的，具有無創(chuàng)、直觀、快速的技術特點。應用激光三維掃描結合Geomagic Qualify軟件分析，可測定肋骨實體的精確度，證明了快速成型法制造肋骨具有較高的精確度。同時，根據(jù)掃描所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生差異的部位，進行針對性改進，使之更加符合和接近制造原型（肋骨）的幾何外形結構。

[1]Brasiliense LB,Lazaro BC,Reyes PM,etal.Biomechanical contribution of the rib cage to thoracic stability[J].Spine Phila Pa 1976,2011,36(26):1686-1693.

[2]Eisenschenk A,Witzel C,Lautenbach M,etal.Does chemotherapy impair the bone healing and biomechanical stability of vascularized rib and fibula grafts[J]?J Reconstr Microsurg,2007,23(1):35-40.

[3]Carrier J,Aubin CE,Trochu F,etal.Optimization of rib surgery parameters for the correction of scoliotic deformities using approximation models[J].JBiomech Eng,2005,127(4):680-691.

[4]Ferraro P,Cugno S,Liberman M,etal.Principles of chest wall resection and reconstruction[J].Thorac Surg Clin,2010,20(4):465-473.

[5]Thomas PA,Brouchet L.Prosthetic reconstruction of the chest wall[J].Thorac Surg Clin,2010,20(4):551-558.

[6]Winder J,Bibb R.Medical rapid prototyping technologies:state of the art and current limitations for application in oral and maxillofacial surgery[J].JOral Maxillofac Surg,2005,63(7):1006-1015.

[7]Mavili ME,Canter HI,Saglam-Aydinatay B,etal.Use of three-dimensional medical modeling methods for precise planning of orthognathic surgery[J].JCraniofac Surg,2007,18(4):740-747.

[8]Ciocca L,De Crescenzio F,Fantini M,etal.CAD/CAM and rapid prototyped scaffold construction for bone regenerative medicine and surgical transfer of virtual planning:a pilot study[J].Comput Med Imaging Graph,2009,33(1):58-62.

[9]Li MG,Tian XY,Chen XB.A brief review of dispensing-based rapid prototyping techniques in tissue scaffold fabrication:role of modeling on scaffold properties prediction[J].Biofabrication,2009,1(3):032001.

[10]劉利,梁延德.光固化快速成型用光敏樹脂[J].材料導報,2005,19(z1):229-231,238.

[11]Mahabir RC,Butler CE.Stabilization of the chest wall:autologous and alloplastic reconstructions[J].Semin Plast Surg,2011,25(1):34-42.

[12]Galantucci LM,Percoco G,Angelelli G,etal.Reverse engineering techniques applied to a human skull,for CAD 3D reconstruction and physical replication by rapid prototyping[J].JMed Eng Technol,2006,30(2):102-111.

[13]Goiato MC,Santos MR,Pesqueira AA,etal.Prototyping for surgical and prosthetic treatment[J].J Craniofac Surg,2011,22(3):914-917.

[14]劉正津,陳爾瑜.臨床解剖學叢書-胸部和脊柱分冊.[M]北京:人民衛(wèi)生出版社,1994:4-6.

[15]Schicho K,Figl M,Seemann R.Accuracy of treatment planning based on stereolithography in computer assisted surgery[J].Med Phys,2006,33(9):3408-3417.

[16]Robiony M,Salvo I,Costa F,etal.Accuracy of virtual reality and stereolithographic models in maxillo-facial surgical planning[J].Craniofac Surg,2008,19(2):482-489.

[17]袁慧羚,周天瑞,王麗敏,等.光固化快速成型的誤差分析[C].//泛珠三角第四屆塑性工程(鍛壓)學術年會論文集.2009:167-170.

[18]Esses SJ,Berman P,Bloom AI,etal.Clinical applications of physical 3D models derived from MDCT dataand created by rapid prototyping[J].AJRAm JRoentgenol,2011,196(6):W683-638.

[19]劉泗巖,盧光明,廖文和等.影像實物建模的醫(yī)學應用價值與局限[J].生物醫(yī)學工程研究,2011,30(1):58-62.