基于RE/RP/RT技術(shù)人工骨的快速成形

王宏松，萬曼華，彭福官

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西 九江 332007)

骨骼在人體中起著支撐、連接、運(yùn)動(dòng)、保護(hù)、傳導(dǎo)等重要作用，然而因病理、創(chuàng)傷等其它原因?qū)е氯梭w骨缺損、骨腫瘤病例日益增多。由于骨骼結(jié)構(gòu)不規(guī)則，個(gè)體缺損的形狀和尺寸不一致，所以在形態(tài)上保證和原缺損部位一致有較大難度，而且個(gè)體與個(gè)體之間差異較大[1]?，F(xiàn)代手術(shù)不僅僅停留在傳統(tǒng)修補(bǔ)完整性的基礎(chǔ)上，更強(qiáng)調(diào)的是功能上的完整性和視覺上的美觀性。如果植入的骨骼與患區(qū)周圍組織匹配不佳，需對人工骨臨時(shí)進(jìn)行塑形、拼對等工藝。既延長了手術(shù)時(shí)間，又影響了手術(shù)效果[2]。這就使得人工骨骼不能批量化制造，必須根據(jù)病人的實(shí)際情況，專門設(shè)計(jì)個(gè)性化的植入骨骼，并制定個(gè)性化治療方案。將數(shù)字制造等先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用于骨骼的設(shè)計(jì)與制造解決了骨骼形狀復(fù)雜和匹配精度不高等問題。既滿足了患者的個(gè)性化需求又降低了對醫(yī)師的技術(shù)要求。大大提高了人工骨骼的外形精度和缺損部位的配合精度，同時(shí)又減少了病人的痛苦時(shí)間，增加了手術(shù)一次性成功的幾率，使個(gè)體化設(shè)計(jì)、制造的普及成為可能。

1 人工骨的數(shù)字化開發(fā)流程

自1998年美國副總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”的概念以來，諸如數(shù)字流域、數(shù)字城市、數(shù)字化生存、數(shù)字人體等以數(shù)字為前綴的新概念大量涌現(xiàn)。數(shù)字制造即為全球數(shù)字化浪潮的重要一環(huán)，其內(nèi)涵包括數(shù)字設(shè)計(jì)、數(shù)字制造裝備和數(shù)字制造技術(shù)等研究領(lǐng)域，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、協(xié)同開發(fā)、制造過程和制造模式等方面帶來一系列變革[3]。人工骨的數(shù)字化開發(fā)包含:反求工程(RE)、快速成形(RP)和快速制造(RT)，其開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 人工骨的開發(fā)流程Fig.1 The artificial bone development process

1.1 逆向工程技術(shù)

逆向工程是在快速成形技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)工程技術(shù)。它需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形、計(jì)算機(jī)輔助制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等先進(jìn)技術(shù)對其進(jìn)行處理和管理，進(jìn)一步修改和再設(shè)計(jì)。逆向工程主要包括模型數(shù)據(jù)的獲取點(diǎn)、云數(shù)據(jù)的預(yù)處理和曲面重構(gòu)[4]。文中利用醫(yī)學(xué)重構(gòu)軟件MIMICS對人體頭蓋骨進(jìn)行曲面的重構(gòu)。

1.2 RP 技術(shù)

快速成形(Rapid Prototyping)是一種由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，快速生成任意復(fù)雜三維實(shí)體的制造技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)是將計(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)激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)基于一體，從根本上突破了機(jī)械制造中傳統(tǒng)的受迫加工和去除成形兩種加工方法，采用了生長型制造的全新工藝方法。常用的RP成形工藝有:液態(tài)光敏聚合物選擇性固化(SLA)、薄片材料選擇性切割(LOM)、選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)、熔融堆積成形(FDM)、三維打印成形(TDP)。隨著生物制造科學(xué)的發(fā)展，RP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在4個(gè)方面[5]:手術(shù)策劃、植入性假體的制作、控制釋放給藥系統(tǒng)、組織工程支架。應(yīng)用場合不同，對快速成形的材料和工藝要求各不一樣，具體見表1。

表1 RP應(yīng)用特點(diǎn)和適用場合Table1 The characteristics and application occasions of Rapid Prototyping

1.3 快速模具制造技術(shù)

在醫(yī)療領(lǐng)域，快速模具制造技術(shù)(Rapid Tooling，即RT)主要用于假體、組織工程支架等制作。由于其需要生物活性材料、高分子材料等，往往RP技術(shù)不能直接得到，所以RT技術(shù)是快速成形技術(shù)RP的自然延伸。

按照模具所能成形的產(chǎn)品批量來分，RT模具可分為:快速軟模、快速過渡模和快速正式批量生產(chǎn)模具。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，模具往往具有個(gè)性化的特點(diǎn)，故試制中常采用硅橡膠模具。軟模的制造周期短，成本低，彈性好，產(chǎn)品易于脫模，而且具有很好的再現(xiàn)性能，能良好地再現(xiàn)母模上的細(xì)小特征。

2 基于RERPRT技術(shù)人工骨的成形

根據(jù)患者的實(shí)際情況，醫(yī)生建議進(jìn)行開顱手術(shù)，然后進(jìn)行假體植入，因此需對頭蓋骨進(jìn)行個(gè)體化的設(shè)計(jì)和制造。具體流程如下:頭骨邊界曲線的提取(MIMICS)—頭蓋骨的CAD三維模型重構(gòu)(RE)—頭蓋骨的CAM制造(RP)—頭蓋骨的快速硅橡膠模具制造(RT)。

2.1 RE技術(shù)提取原始影像

在醫(yī)學(xué)工程中，利用逆向工程獲取患者骨骼醫(yī)學(xué)影像的方法有多種，目前最常用的方法有:CT(Computer Tomography)掃描圖像、螺旋CT掃描、核磁共振掃描成像(MRI)以及三維激光掃描等。通過對患者頭部進(jìn)行CT掃描得到的醫(yī)學(xué)影像總共有100張，將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存后，導(dǎo)入CDviewer軟件，如圖2所示。

圖2 頭骨原始影像Fig.2 Skull original image

2.2 頭蓋骨的三維模型重構(gòu)

頭蓋骨的三維模型重構(gòu)(RE)常用的有兩種方法，一種是基于CAD系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)模型建立，這種方法通過CT掃描得到原始影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件導(dǎo)入到三維設(shè)計(jì)軟件PROE或者UG里進(jìn)行實(shí)體重構(gòu)，適用于有實(shí)體要求的人工骨骼;另外一種是將通過CT掃描獲得的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件里進(jìn)行三維實(shí)體重建，該技術(shù)屬于表面遮蓋重建，而遮蓋重建需要設(shè)置一個(gè)閾值范圍，所有在此閾值范圍內(nèi)的CT數(shù)據(jù)被保留下來進(jìn)行重建，其余數(shù)據(jù)全部舍棄[6]，它廣泛適用于骨科、神經(jīng)外科、頜面外科。文中采用MIMICS重建出三維模型，在第4個(gè)視圖窗口生成三維視圖，三維重建結(jié)果如圖3所示。

圖3 頭蓋骨三維重建Fig.3 The skulls three-dimensional reconstruction

2.3 RP 制造

通過MIMICS軟件里的C-SUP模塊自動(dòng)生成快速成形模型過程中所需的支撐結(jié)構(gòu)，然后通過CTM功能模塊生成虛擬模型，將文件導(dǎo)出為STL格式文件保存。再將STL格式文件導(dǎo)入到清華大學(xué)開發(fā)的MEM-300-E型熔融快速成形機(jī)系統(tǒng)中，如圖4所示。所用材料為ABS，成形工藝參數(shù):層厚為0.2 mm，噴嘴溫度為260℃，工作室溫度為60℃，其他參數(shù)默認(rèn)設(shè)置。成形后零件如圖5所示。

圖4 快速成形機(jī)Fig.4 Rapid prototyping machine

圖5 RP成形的頭蓋骨Fig.5 The skull by RP molding

2.4 快速模具制造

文中所用的RP成形材料為ABS工程塑料，不能直接植入人體，因此需要將RP成形的ABS頭骨作為母體，進(jìn)行快速模具的制造。軟模作為一種小批量用模具，具有制造周期短，成本低，彈性好，工件易于脫模，再現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，其工藝過程如下所述[7]。

1)根據(jù)FDM快速成形母模。在母模上，沿著選定的分模面貼一層膠帶，并用膠帶覆蓋住齒輪輪輻上的孔和軸孔，然后用強(qiáng)力膠將流道芯模粘結(jié)于母模。

2)制作木澆注框，用油泥密封縫隙，懸掛母模和流道芯模于澆注框之中。

3)注入硅橡膠，同時(shí)加入少量的液態(tài)硅橡膠和固化劑，以免有氣孔產(chǎn)生。

4)烘干固化后，描畫分模線，用刀沿著分模線向粘貼的膠帶紙方向切開澆注件。取出母模和澆注芯模具，最終得到上下模具。

制作好硅橡膠快速模后，澆注人體工程活性材料。制作出有一定力學(xué)強(qiáng)度，透氣性能好，無明顯的炎癥反應(yīng)、無免疫反應(yīng)和細(xì)胞毒性的人工頭蓋骨。

3 結(jié)語

從現(xiàn)代制造的角度出發(fā)，建立了醫(yī)學(xué)器官的數(shù)字制造系統(tǒng)，通過闡述RE，RP，RT的原理，結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)對人體頭骨的一部分進(jìn)行了三維實(shí)體的反求、三維實(shí)體的快速原型和基于RP母體的快速模具制造?，F(xiàn)代制造工程與醫(yī)學(xué)有機(jī)的結(jié)合，大大縮短了醫(yī)用模型、假體植入等的開發(fā)時(shí)間，縮短了手術(shù)等待時(shí)間，減輕了病人的痛苦，提高了一次性手術(shù)的成功率。

[1]李文超，徐子海，李春森，等.應(yīng)用數(shù)字調(diào)控壓模法制作顱骨修復(fù)材料的研究[J].中國微侵襲神經(jīng)外科雜志，2004，9(3):129 －131.

[2]涂強(qiáng)，丁煥文.快速成型制造個(gè)體化金屬植入物在骨科應(yīng)用的展望[J].中國矯形外科雜志，2009，17(19):1469－1472.

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[4]嚴(yán)慶光，孫存友，范金.人臉反求模型的注射成型翹曲變形分析與優(yōu)化[J].工程塑料應(yīng)用，2012，40(2):39－42.

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