仿生人工股骨頭部3D打印研究

林國金，徐鴻庚

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 背景分析

當(dāng)前醫(yī)學(xué)趨向于向數(shù)字化方向發(fā)展，其中數(shù)字化可簡要概括為將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過程。不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與生命科學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生了一門嶄新的交叉學(xué)科：數(shù)字骨科學(xué)，即在計(jì)算機(jī)中利用三維重建技術(shù)和使用模型處理數(shù)據(jù)的手段對人體進(jìn)行骨骼解剖及處理。這個(gè)概念最早由裴國獻(xiàn)[1]等人提出，志在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)與骨科學(xué)有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)獨(dú)立的臨床體系，促進(jìn)骨科技術(shù)的發(fā)展[2]。

現(xiàn)在正在迅速發(fā)展的數(shù)字骨科學(xué)能夠使用三維重建技術(shù)建立人體的骨骼模型，并在計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件中對模型進(jìn)行分析以及術(shù)前模擬，使手術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)能夠量化判斷[3]，而不是僅能夠依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)化判斷，對進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，減小手術(shù)創(chuàng)口，縮短手術(shù)時(shí)間，以及提高手術(shù)的準(zhǔn)確性均有重要意義。

2 技術(shù)過程

本文以股骨頸骨折為例，探求3D打印對于股骨頸骨折的術(shù)前規(guī)劃和教學(xué)工作中的作用。通過選擇不同的建模參數(shù)，總結(jié)出了一種較省時(shí)、精度較高的建模方法。并且通過對模型打印時(shí)所需的切片方式、打印角度進(jìn)行選取，優(yōu)化打印后的去支撐操作，得到結(jié)構(gòu)精度更高的股骨頭部模型。

3 對模型精度影響因素的研究

三維模型是根據(jù)骨骼的CT圖在Mimics軟件中經(jīng)過一系列的操作轉(zhuǎn)化而成的，因此建模過程中對各項(xiàng)功能的使用就成為了影響三維模型的關(guān)鍵因素。利用軟件進(jìn)行三維建模的流程如圖1。

圖1 建立三維模型的流程圖

（1）骨骼分離對模型精度的影響

根據(jù)建模流程圖，在閾值分割后將目標(biāo)股骨與肌肉等組織分離開，但是并不能分離股骨頭與髖臼，需要進(jìn)行一些后續(xù)處理操作。使用CT Bone Segmentation功能，選取所需骨塊上面的點(diǎn)，將非目標(biāo)骨塊上的點(diǎn)設(shè)置為Undesired Seed Point，建立出的蒙板。利用蒙板計(jì)算三維模型，通過選擇更多股骨中的點(diǎn)可將模型進(jìn)一步完善，可觀察到股骨完整的被分離了出來，并且蒙板對骨骼邊界的識別效果較好。骨骼分離操作前后的股骨模型如圖2。

圖2 骨骼分離操作前后的股骨模型

（2）光順處理對模型精度的影響

在根據(jù)蒙板進(jìn)行三維模型計(jì)算時(shí)，選擇的高的質(zhì)量參數(shù)，得到的模型精度更好，同時(shí)表面的粗糙度也更高。因此需要對模型進(jìn)行光順處理。為保證股骨頭的大小與實(shí)際一致，包覆操作時(shí)不選擇擴(kuò)張結(jié)果選項(xiàng)；由于模型為實(shí)心模型，沒有生成薄壁結(jié)構(gòu)，故不需要選擇薄壁保護(hù)；從解剖圖冊上可觀察到股骨頭表面相對光滑，因此對小于1 mm的間隙予以閉合操作；最小細(xì)節(jié)選用不同的參數(shù)，對光順處理后的模型進(jìn)行截圖對比，如圖3所示。可觀察到隨著最小細(xì)節(jié)值的增大，模型表面越來越光滑，但是取值過大會存在細(xì)節(jié)丟失問題。

圖3 陶瓷馬外形圖

對模型進(jìn)行切片查看，觀察細(xì)節(jié)處與CT圖像的吻合程度，結(jié)果表明在最小細(xì)節(jié)為0.5 mm時(shí)，模型切片與CT圖像相符合且表面較光滑。

（3）打印方式規(guī)劃對模型精度的影響

FDM打印涉及CAD/CAM、數(shù)據(jù)編程、材料編制、材料制備、參數(shù)設(shè)置以及后處理等多個(gè)環(huán)節(jié)[4-5]。通過規(guī)劃合理的打印方式，以得到精度更高的模型。規(guī)劃主要針對打印角度的規(guī)劃、支撐結(jié)構(gòu)的生成和切片處理操作。

骨骼模型是表面形狀不規(guī)則的模型，可選用多種不同的打印角度進(jìn)行打印，尋找一種合適的角度十分重要。在規(guī)劃打印角度時(shí)，要遵循45°原則，通常超過45°擺放零件時(shí)表面質(zhì)量較好，但也需要考慮生成支撐或者輔助連接來完成打印，小于45°擺放零件時(shí)會使樣件表面出現(xiàn)較為明顯的層紋。由于材料粘結(jié)時(shí)會在其內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，好的擺放角度能夠減少材料的收縮，防止樣件發(fā)生變形。規(guī)劃的四種打印角度如圖4所示（角度以股骨模型的下表面為基準(zhǔn)）。

圖4 四種打印角度

不同的打印角度會生成不同的支撐結(jié)構(gòu)。通過旋轉(zhuǎn)角度，查找不同擺放角度下的孤島結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)股骨頭向上60°比40°的情況下、股骨頭向下45°比0°的情況下，生成的支撐結(jié)構(gòu)更少。股骨頭向上60°與股骨頭向下45°兩種打印角度下生成的支撐結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 兩種打印角度下的支撐結(jié)構(gòu)

對兩種打印角度下的模型通過切片處理操作，生成STL格式文件。

（4）打印工藝參數(shù)對模型精度的影響

1）分層厚度：是進(jìn)行3D打印時(shí)每一成型層的厚度。由于FDM打印方式為材料的逐層堆積，當(dāng)制作曲面時(shí)，無法避免的會造成表面的臺階型結(jié)構(gòu)，臺階的大小與分層厚度有關(guān)，分層厚度越大，臺階越明顯，使用較小的分層厚度可以提高零件的表面質(zhì)量。但是同時(shí)分層厚度也不能過小，過小會導(dǎo)致零件的成型層增加，制造時(shí)間增加，因此要根據(jù)打印時(shí)的精度要求合理選擇分層厚度的大小。

2）打印溫度：打印溫度指的是噴嘴的溫度，噴嘴溫度決定了打印材料的狀態(tài)，而不同的狀態(tài)對材料的打印性能有關(guān)鍵作用。打印溫度過高，材料則偏向液態(tài)，不容易控制；溫度過低，材料粘度加大，可能會堵塞噴嘴或者造成兩個(gè)成型層之間的脫離。最佳打印溫度是使材料保持在熔融狀態(tài)的溫度。

3）打印速度：加工模型時(shí)，如果打印速度過快，前一層來不及固化成型，可能會造成接下來打印的一層產(chǎn)生坍塌或拉絲的現(xiàn)象；打印速度過慢，前一層完全冷卻后才進(jìn)行下一層的打印，可能會使零件有開裂的傾向。

根據(jù)在不同參數(shù)條件下打印的對比結(jié)果，得到最佳的參數(shù)設(shè)定值如下：

層厚：0.1 mm；壁厚：1.2 mm；

打印溫度：190 ℃；打印速度：30 mm/s。

最終，利用FDM打印機(jī)實(shí)現(xiàn)模型的制造，在經(jīng)過模型后處理等操作后得到的股骨頭部模型如圖6所示。

圖6 股骨頭部模型

4 結(jié)語

本研究針對股骨頸穩(wěn)定型骨折模型從CT圖像到3D打印成品過程中的一系列問題進(jìn)行了研究。以股骨頸骨折為例，探求了3D打印對于股骨頸骨折的術(shù)前規(guī)劃和教學(xué)工作中的作用。通過選擇不同的建模參數(shù)，總結(jié)出了一種較省時(shí)、精度較高的建模方法，并研究了對模型精度的影響因素。研究了骨骼分離操作、光順處理操作、打印方式的規(guī)劃以及打印工藝參數(shù)的規(guī)劃對模型精度的影響。

在打印后通過對模型支撐結(jié)構(gòu)的去除等后處理操作，最終完成了模型的制造，為骨科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃、導(dǎo)航模版的制作等提供了更有效的建模方案。