淺談?dòng)?jì)算機(jī)信息處理技術(shù)提高人工假體的吻合度

徐銳光 楊書程 喬森 郭鈺堅(jiān)

1 山西省醫(yī)療器械檢測中心 （太原 030012）

2 太原市婦幼保健院 （太原 030012）

3 長治市第二人民醫(yī)院 （長治 046000）

0.引言

人工假體正確的形狀和尺寸是具備應(yīng)用的基礎(chǔ)條件之一，傳統(tǒng)的建模成型工藝無法精確提取病患輪廓，復(fù)原率不高，導(dǎo)致形狀尺寸誤差大，從而限制了使用。本文闡述了如何利用計(jì)算機(jī)信息處理軟件，將人工股骨頭假體的形狀尺寸快速正確的制作成型，從而提高假體在安裝部位的匹配程度。

1.人工假體節(jié)置換領(lǐng)域的現(xiàn)狀和問題

人工假體置換術(shù)作為有效的治療方法得到了廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)所用的人工股骨頭假體只能從固定規(guī)格的系列產(chǎn)品中選取，它與股骨腔吻合的效果較差，直接影像人工關(guān)節(jié)長期穩(wěn)定性、活動(dòng)度及人工關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能等。在國外，通過CT 掃描數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體成型，可制造出與病人骨骼完全一致的模型，用于診斷、治療及模擬手術(shù)過程等用途，同時(shí)具備較高的吻合度。

2.三維實(shí)體重建

2.1 數(shù)據(jù)的采集

首先要對病人預(yù)置換股骨頭處進(jìn)行CT 掃描，分別進(jìn)行俯視圖掃描、主視圖掃描，目的是為了得到清晰的股骨頭球面輪廓，如圖1 所示。

通過AutoCAD 中的光柵圖像參考功能將圖片依次導(dǎo)入，并進(jìn)行紅色標(biāo)記輪廓識(shí)別（圖2）。

2.2 圖像邊界輪廓提取與修整

刪除底片保留輪廓線，利用軟件將其進(jìn)行貝塞爾曲線修整，結(jié)合CT 掃描的尺寸數(shù)據(jù)按比例調(diào)整為建模尺寸如圖3。

目前關(guān)于三維重建的方法是，通過掃描儀將CT 實(shí)體照片以高分辨率模式掃描為電子照片格式，然后利用PS 對其進(jìn)行二值化處理，使用Freeman 進(jìn)行鏈碼提取并跟蹤輪廓，再將每個(gè)斷層外輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD 中，組成一個(gè)三維體數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲面重建，最終利用蒙皮法得到三維形體。這種方法可以制造出與病人骨形完全一致的假體，但類似僅需要考慮股骨頭與股骨腔吻合程度的問題而言，只需要精確提取股骨頭球面輪廓尺寸和形狀即可。

2.3 矢量化處理

采用軟件CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì)中的掃描、投影、放樣和布爾運(yùn)算功能更加快捷的實(shí)現(xiàn)建模。

首先將提取修整后的輪廓放入實(shí)體設(shè)計(jì)環(huán)境，右鍵編輯兩個(gè)方向的輪廓截面，以輪廓中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，按照2:3:5 的比例縮小輪廓，得到同心3 個(gè)相同的輪廓截面。然后按照主視圖和俯視圖輪廓顯示的高度，依次放置在底部、中間和頂部，并從上至下依次投影，以頂部底面為起始面，底部上面為終止面進(jìn)行放樣操作，如圖4。

最后將兩個(gè)方向上形成的實(shí)體利用三位球同心，進(jìn)行布爾加法運(yùn)算，得到組合實(shí)體（圖5 紅色區(qū)域），完成股骨頭的三維建模。

圖1.

圖2.

圖3.

圖4.

圖5.

3.快速原型制造

3.1 RPM 成型機(jī)

傳統(tǒng)的制造成型過程是利用鑄造制造出毛坯，然后對毛坯進(jìn)行磨光或拋光，形狀和精度是通過從毛坯上去掉多余的材料來保證的，吻合度不高，而快速成型的基本理念則是在計(jì)算機(jī)的控制下，將材料精確地堆積成型，無需加工即可制造。

將設(shè)計(jì)出的三維實(shí)體轉(zhuǎn)換呈快速成型機(jī)所能接收的STL 格式，輸入機(jī)器，該機(jī)的基本原理（圖6）是將實(shí)體模型切片成一系列具有一定厚度的薄層，計(jì)算機(jī)控制其激光束按薄片截面輪廓形狀將薄層材料切割出該層橫截面的形狀，然后層層堆積并得到實(shí)體。流程圖（圖7）

3.2 3D 打印成型

3D 打印技術(shù)是根據(jù)CAXA 分層模型所獲得的兩維像素信息，利用噴嘴向待成型體床上噴射粘接劑，每打印完一層后，粉料床通過底部活塞向下移動(dòng)一段距離，并在粉料床的底部添加新的粉料，再根據(jù)計(jì)算機(jī)要求向新的粉料床噴射粘接劑，重復(fù)此過程，得到實(shí)體。主要應(yīng)用于制造陶瓷、金屬、金屬陶瓷復(fù)合材料及高分子材料的假體中。

圖6.

圖7.

4.結(jié)束語

近年來，假體移植手術(shù)不斷增多，不同病人骨骼又都不相同，導(dǎo)致固定規(guī)格假體的吻合度已不能完全滿足要求，而使用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，不僅能夠利用病人的CT 掃描數(shù)據(jù)提高吻合度，還可以通過快速成型實(shí)現(xiàn)縮短診療時(shí)間的目的，為手術(shù)的安全性、實(shí)時(shí)性提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

[1] 李世普.生物醫(yī)用材料導(dǎo)論.武漢理工大學(xué)出版社.2008

[2] 陸曉春.CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社.2005

[3] 徐躍，梁碧玲.醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué).人民衛(wèi)生出版社.2010

[4] 胡榮慧，巫北海，張紹祥，譚立文，王建，陸明.髖關(guān)節(jié)CT 三維重建與可視化研究.第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào).2007.14