利用計算機輔助設計醫(yī)用樹脂假體重建外形

吳 杰，李 悅

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北省唐山市 063020； 2.華北理工大學，河北省唐山市 063000）

利用計算機輔助設計醫(yī)用樹脂假體重建外形

吳 杰1，李 悅2

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北省唐山市 063020； 2.華北理工大學，河北省唐山市 063000）

通過計算機開展采集技術，實現(xiàn)了計算機識別與人工識別的結合。讓所需要進行設計的假體的輪廓曲線能夠更好地進行拾取，且所拾取到的模型會表現(xiàn)出更清晰的邊緣，呈現(xiàn)出完整的曲線輪廓，為后續(xù)的假體重建工作提供了良好的穩(wěn)定性。再通過高新技術及新材料，進行從三維立體模型到實體原型的加工，讓假體制作能夠更加快速地實現(xiàn)從設計到實體轉(zhuǎn)化，排除了一些傳統(tǒng)工藝中的復雜程序。在很大程度上滿足了醫(yī)生以及患者的設計需求。通過鏡像技術，能夠達到精準的設計效果。本文主要對利用計算機輔助設計醫(yī)用樹脂假體重建外形進行了探討。

計算機輔助設計 醫(yī)用樹脂 假體外形

隨著高新科技的不斷發(fā)展，計算機輔助設計技術以及計算機輔助制造等多項先進技術可以完美地實現(xiàn)從三維模型到應用型原型的設計、加工與制定。同時，利用好計算機輔助設計，還可以有效地避免諸多復雜程度的限制，實現(xiàn)快速成形。近年來，利用計算機影像數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)了對人體樹脂假體的外形重建。通過計算機開展采集技術，實現(xiàn)了計算機識別與人工識別的結合。讓所需要進行設計的假體的輪廓曲線能夠更好地進行拾取，并且所拾取到的模型會表現(xiàn)出更清晰的邊緣，呈現(xiàn)出完整的曲線輪廓，為后續(xù)的假體重建工作提供了良好的穩(wěn)定性。再通過高新技術及新材料，進行從三維立體模型到實體原型的加工，讓假體制作能夠更加快速地實現(xiàn)從設計到實體轉(zhuǎn)化，排除了一些傳統(tǒng)工藝中的復雜程序。在很大程度上滿足了醫(yī)生以及患者的設計需求［1-3］。

1 利用計算機輔助設計技術進行形狀采集

在進行假體外形重建設計過程中，需要對其進行形狀的采集。這項技術包括了激光掃描、陰型、陽型數(shù)字化等機制，通過這些選項可以有效地實現(xiàn)初始化的模板造型設計，然后再利用計算機輔助設計技術，對所設計的數(shù)字化模型進行各種類型的修正。修改方式也隨著新技術的不斷發(fā)展，逐漸提高了設計精準度，這項技術包括了使用疊置照片、斷層掃描技術、甚至X光片等來進行模型的建立。從當前發(fā)展趨勢來分析，激光掃描儀是最為高新的科技，這項技術能夠有效地實現(xiàn)一些最為常見的變量通過磁跟蹤等技術來進行定位。通過磁跟蹤這項技術，可以真實有效地形成一套精細的圖像，實現(xiàn)對假體模型的輔助形狀采集工作。在進行形狀采集工作過程中，每一項技術都有技巧，通過對這些技巧的不斷使用與熟練，可以得到精準度非常高的圖像。對于這些技術而言，所具有的特征是在進行影像采集時，不需要對所采集的形狀進行接觸，因此受到的影響因素較少，不易造成影像變形，讓所采集到的形狀的體積能夠與實體保持相應的等同，從而通過后續(xù)修正技術可以有效地判斷體積變化。此外，對于這種高新技術，同樣也存在一定的缺陷。對于人體皮下組織的密度，無法利用這種形狀采集技術來實現(xiàn)，需要結合超聲波記錄來獲取到相關的組織密度。

2 結合羥磷灰石（HA）特性進行形狀修整

在進行醫(yī)用樹脂假體重建外形過程中，計算機輔助設計為臨床醫(yī)生提供了對假體進行修型的平臺，可以在很大程度上提高修型的效果以及精準度。利用HA可以更好地為人體骨骼提供一個良好的修正機會。所謂的HA所指的是人體骨骼組織的主要無機組成成分。通過相關的醫(yī)學技術將其植入體內(nèi)后，身體組織能夠有效地將其材料中的鈣和磷等游離物質(zhì)吸收，同時在身體機能的促進下能夠長出新的組織。相關的研究表明，HA所呈現(xiàn)出的晶粒越細，其生物活性就會表現(xiàn)越高。當采集到一定的形狀數(shù)字模型后，臨床醫(yī)生可以利用這項技術對假體外形進行精確的對線以及對稱的修正，而且當遇到修正錯誤時，可以輕易地取消操作，重新進行修正工作。計算機輔助設計軟件提供了許多的模型模板，可以利用這些模型模板中已經(jīng)具備的修正、對齊、對正功能來進行形狀修整操作與練習，為今后的實際工作提供練習空間。利用好計算機輔助設計技術，不僅可以降低醫(yī)生在進行假體重建外形工作中的手工操作，還可以有效地提高整體工作的效率以及精準度。利用好這項技術，可以實現(xiàn)對一些細節(jié)工作的及時調(diào)整（如對稱性，假體直徑大小、假體目標圍長等）。這些數(shù)據(jù)可以進行多種形式的添加與設計，通過編輯后進行保存，在工作中可重復使用。

利用計算機輔助設計技術與圖像重疊技術的結合，可以輕松實現(xiàn)構建假體形狀的工作。通過拍攝假體解剖位置（可以是假體的側(cè)面或正面），利用計算機輔助設計技術中的影像縮放技術能實現(xiàn)對數(shù)字化模型圖像的縮放，形成有用的假體輪廓，同時也可把假體表面的特征進行有效地展示。

臨床醫(yī)生通過圖像疊加技術，能夠非常容易地構建一套脊柱形狀，再結合放射影像進行疊加，應用效果更加明顯。因此，利用好數(shù)字化模型形狀修正技術，可以實現(xiàn)與假體實物保持一致的效果。而且當積累了一定數(shù)量的假體模型之后，在今后設計工作中，可以按照不同的比例來修改，很大程度地節(jié)約了設計時間，優(yōu)化了整個設計流程。

3 醫(yī)用樹脂頜面骨骼重建外形設計

3.1 運用HA材料與快速成型（RP）技術的結合實現(xiàn)頜面部骨骼重建

頜面部骨骼對于人體的組成形態(tài)而言復雜程度很高，而且其骨髓呈現(xiàn)的曲面連續(xù)性非常多。如果通過患者自體骨骼移植手術，還需要對移植的骨骼進行較長時間修整，對于面部所呈現(xiàn)的連續(xù)曲面修整無法達到高精準度，從而很難達到患者要求。隨著生物材料技術以及計算機輔助設計技術的不斷發(fā)展，通過手術前進行計算機輔助設計軟件的虛擬設計與修整，可以精準判斷出受損面部的各項數(shù)據(jù)，包括部位、受損程度以及受損處周邊的組織關系。再利用影像技術來實現(xiàn)基于側(cè)面部外形為標準的數(shù)字化圖像進行修整，可以有效地實現(xiàn)面部輪廓的對稱性。結合當前較先進的RP技術，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為實體三維模型。通過具體的數(shù)據(jù)運算，可以精準計算出需要進行植入的修復假體的虛擬數(shù)據(jù)信息。再利用RP技術來為患者設計出具有個性化要求的HA假體。這種快整成型技術所獲取到的假體，在進行植入后可以有效地與區(qū)骨面進行完美的貼合，而且利用好計算機輔助設計技術，能夠?qū)A假體植入物精準定位。不僅有效地縮短了手術時間，而且能夠更好地實現(xiàn)患者的面部對稱性，有效地修復了受損骨骼，改變了患者的面部外形。

3.2 運用HA材料強塑性進行修復設計

當前，生物材料技術已經(jīng)在許多的醫(yī)療工作中得到了廣泛應用，尤其對于各種類型的重建手術以及創(chuàng)傷性組織恢復更為廣泛。HA類型的材料所設計制造的假體在口腔、顱頜面部等修復術中得到廣泛應用，主要是因為其材料的主要成分為HA。這種成分也是人體組織中骨骼以及牙齒的無機成分。而且該類型的生物材料，還具有相容性以及體內(nèi)降解緩慢的功效，能夠非常好地與人體骨骼形成有效的化學結合。不過值得一提的是，由于純度較高的HA晶粒硬度不高，而且脆性較強，利用計算機輔助設計出的假體模型又具有一定的強塑性。因此，純度較高的HA是無法直接作為醫(yī)學材料進行使用的，應該把這種生物材料與順丁烯二酸改性帶基丙烯酸環(huán)氧樹脂（EAM）以相應的比例混合。通過這種混合的材料，才能夠符合計算機輔助設計軟件所設計出來的高精準度的塑性需求。而且這種混合后的復合物，已經(jīng)經(jīng)過了臨床實驗證明，具有高機械強度，對于細胞毒性的危害程度也較低。因此，可以通過兩者的結合來為需要進行修復的患者提供更好地修復設計。

4 醫(yī)用樹脂與計算機輔助技術的結合

4.1 計算機與雕刻機實現(xiàn)HA假體植入物的塑形

醫(yī)學假體的制造是借助計算機輔助設計影像所設計的重要成果。在制造所需要的假體時，可以利用計算機來控制雕刻機把數(shù)字化圖像制造成三維模型，而且HA與EAM的混合體具有可塑性。再借助先進的雕刻機，能夠更快捷、更安全、更精準地制造出假體植入體。這里需要提及的是，由于假體制造的高精要求，雕刻機需要進行定期的維護與校準，從而正常工作。相關數(shù)據(jù)表明，借助計算機輔助與雕刻機所制造出來的假體植入物，與設計時僅存在著1.1%的誤差率。

4.2 計算機輔助設計的HA假體植入物的效果分析

在醫(yī)學學術報告中對人體假體植入物的使用進行了分析，指出了假體植入有可能會造成患者出現(xiàn)系列并發(fā)癥。相關的數(shù)據(jù)顯示，使用計算機輔助設計的HA假體植入物，經(jīng)過長期的觀察并未發(fā)現(xiàn)有特別的吸收現(xiàn)象發(fā)生。而且通過計算機輔助設計所制造出來的這類型修復植入物，通過醫(yī)學影像檢查后證實，整個材料以及外型都保持較為完整。由于所設計的數(shù)據(jù)較為精準，與骨骼的結合處曲面也具有非常穩(wěn)定的連續(xù)性，沒有發(fā)現(xiàn)人體假體HA混合物植入物出現(xiàn)移位或者突出的問題發(fā)生。由于從設計到制造，整個過程都采用了計算機進行輔助，而且借助了計算機輔助設計/計算機輔助制造（CAD/CAM）以及RP技術制造的人體假體植入物沒有出現(xiàn)大范圍的并發(fā)癥?？梢哉f這項設計技術與生物材料，對于患者以及醫(yī)學貢獻都具有重要的作用。對之前許多的病例進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，通過計算機輔助軟件所收集到的數(shù)據(jù)、影像、三維模型以及術后面部三維數(shù)據(jù)分析，都顯示與設計效果保持一致。無論從修復功能以及患者面部對稱性都顯著提高。

5 結語

通過計算機輔助技術所設計出來的HA/EAM人體假體植入物，在CAD/CAM以及RP技術的支持下，為顱頜面部受損患者的修復手術帶來了非常好的效果。而且在借助先進的計算機影像技術、圖像三維重建技術等工作，讓整個修復手術的效果以及假體植入物的手術更加精準與安全。通過臨床觀察，這項技術具備了快捷、安全、精準度高、可塑性強、對稱性好、術后恢復快等特點。這項技術的發(fā)展，能夠改變以往在頜面部修復術中只能依靠經(jīng)驗來進行的局面，而且通過計算機輔助設計與HA混合物的完美結合，讓這項手術變得更加簡單、安全。

［1］ 俞析元，曹德軍，柴崗，等.計算機輔助設計定制化植入體在復雜眶周畸形治療中的應用［J］.組織工程與重建外科雜志，2014（1）：22-25.

［2］ 李瑞琦，張國平，任立忠，等.納米輕基磷灰石及其復合生物材料的特征及應用［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2008（19）：3747 -3750.

［3］ 湯京龍，奚廷斐.納米輕基磷灰石生物安全性的研究現(xiàn)狀［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2007（5）：943.

CAD medical resin for shape of prosthesis reconstruction

Wu Jie1， Li Yue2

（1.Tangshan Polytechnic College， Tangshan 063020， China；2.North China University of Science and Technology， Tangshan 063000， China）

The computer acquisition technique is used to integrate the artificial and computer recognition. Therefore， the profile curve of the prosthesis that needs to be designed can be collected more effectively and clearly. The model picked up shows the profile curve perfectly， which provides stability for later prosthesis reconstruction. The high tech technologies and new materials are applied as well to the process of physical prototype from 3D model， which accelerates the design of prosthesis to solid model by cancelling some conventional procedures and meets the requirements of doctors and patients. Furthermore， mirroring technology is used to obtain precious effect of the design. This paper provides an overview of computer aided design medical resin for shape of prosthesis reconstruction.

computer aided design； medical resin； shape of prosthesis

TP 391.7

B

1002-1396（2016）01-0096-03

2015-08-03；

2015-10-31。

吳杰，女，1983年生，碩士，講師，2009年畢業(yè)于華北煤炭醫(yī)學院社會醫(yī)學與衛(wèi)生事業(yè)管理專業(yè)，主要從事計算機應用方向的研究工作。聯(lián)系電話：15081560819；E-mail： wumaitiapds@foxmail.com。