基于RE/RP/RT技術人工骨的快速成形

王宏松，萬曼華，彭福官

(九江職業技術學院機械工程學院，江西 九江 332007)

骨骼在人體中起著支撐、連接、運動、保護、傳導等重要作用，然而因病理、創傷等其它原因導致人體骨缺損、骨腫瘤病例日益增多。由于骨骼結構不規則，個體缺損的形狀和尺寸不一致，所以在形態上保證和原缺損部位一致有較大難度，而且個體與個體之間差異較大[1]。現代手術不僅僅停留在傳統修補完整性的基礎上，更強調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周圍組織匹配不佳，需對人工骨臨時進行塑形、拼對等工藝。既延長了手術時間，又影響了手術效果[2]。這就使得人工骨骼不能批量化制造，必須根據病人的實際情況，專門設計個性化的植入骨骼，并制定個性化治療方案。將數字制造等先進制造技術應用于骨骼的設計與制造解決了骨骼形狀復雜和匹配精度不高等問題。既滿足了患者的個性化需求又降低了對醫師的技術要求。大大提高了人工骨骼的外形精度和缺損部位的配合精度，同時又減少了病人的痛苦時間，增加了手術一次性成功的幾率，使個體化設計、制造的普及成為可能。

1 人工骨的數字化開發流程

自1998年美國副總統戈爾提出“數字地球”的概念以來，諸如數字流域、數字城市、數字化生存、數字人體等以數字為前綴的新概念大量涌現。數字制造即為全球數字化浪潮的重要一環，其內涵包括數字設計、數字制造裝備和數字制造技術等研究領域，為產品設計、協同開發、制造過程和制造模式等方面帶來一系列變革[3]。人工骨的數字化開發包含:反求工程(RE)、快速成形(RP)和快速制造(RT)，其開發流程如圖1所示。

圖1 人工骨的開發流程Fig.1 The artificial bone development process

1.1 逆向工程技術

逆向工程是在快速成形技術和先進制造技術的基礎上發展起來的一項工程技術。它需要將實物樣件或手工模型轉化為CAD數據，以便利用快速成形、計算機輔助制造、產品數據管理等先進技術對其進行處理和管理，進一步修改和再設計。逆向工程主要包括模型數據的獲取點、云數據的預處理和曲面重構[4]。文中利用醫學重構軟件MIMICS對人體頭蓋骨進行曲面的重構。

1.2 RP 技術

快速成形(Rapid Prototyping)是一種由CAD模型直接驅動，快速生成任意復雜三維實體的制造技術?？焖俪尚渭夹g是將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數字控制(CNC)激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術基于一體，從根本上突破了機械制造中傳統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)。隨著生物制造科學的發展，RP技術已廣泛應用于生物醫學工程領域，主要表現在4個方面[5]:手術策劃、植入性假體的制作、控制釋放給藥系統、組織工程支架。應用場合不同，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應用特點和適用場合Table1 The characteristics and application occasions of Rapid Prototyping

1.3 快速模具制造技術

在醫療領域，快速模具制造技術(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技術不能直接得到，所以RT技術是快速成形技術RP的自然延伸。

按照模具所能成形的產品批量來分，RT模具可分為:快速軟模、快速過渡模和快速正式批量生產模具。在醫學領域，模具往往具有個性化的特點，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，產品易于脫模，而且具有很好的再現性能，能良好地再現母模上的細小特征。

2 基于RERPRT技術人工骨的成形

根據患者的實際情況，醫生建議進行開顱手術，然后進行假體植入，因此需對頭蓋骨進行個體化的設計和制造。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(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技術提取原始影像

在醫學工程中，利用逆向工程獲取患者骨骼醫學影像的方法有多種，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。通過對患者頭部進行CT掃描得到的醫學影像總共有100張，將CT連續斷層圖像數據以DICOM格式保存后，導入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

頭蓋骨的三維模型重構(RE)常用的有兩種方法，一種是基于CAD系統的醫學模型建立，這種方法通過CT掃描得到原始影像數據，通過數據處理軟件導入到三維設計軟件PROE或者UG里進行實體重構，適用于有實體要求的人工骨骼;另外一種是將通過CT掃描獲得的DICOM格式數據導入MIMICS軟件里進行三維實體重建，該技術屬于表面遮蓋重建，而遮蓋重建需要設置一個閾值范圍，所有在此閾值范圍內的CT數據被保留下來進行重建，其余數據全部舍棄[6]，它廣泛適用于骨科、神經外科、頜面外科。文中采用MIMICS重建出三維模型，在第4個視圖窗口生成三維視圖，三維重建結果如圖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模塊自動生成快速成形模型過程中所需的支撐結構，然后通過CTM功能模塊生成虛擬模型，將文件導出為STL格式文件保存。再將STL格式文件導入到清華大學開發的MEM-300-E型熔融快速成形機系統中，如圖4所示。所用材料為ABS，成形工藝參數:層厚為0.2 mm，噴嘴溫度為260℃，工作室溫度為60℃，其他參數默認設置。成形后零件如圖5所示。

圖4 快速成形機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，再現性好等優點，其工藝過程如下所述[7]。

1)根據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，然后用強力膠將流道芯模粘結于母模。

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，同時加入少量的液態硅橡膠和固化劑，以免有氣孔產生。

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。制作出有一定力學強度，透氣性能好，無明顯的炎癥反應、無免疫反應和細胞毒性的人工頭蓋骨。

3 結語

從現代制造的角度出發，建立了醫學器官的數字制造系統，通過闡述RE，RP，RT的原理，結合現代醫學技術對人體頭骨的一部分進行了三維實體的反求、三維實體的快速原型和基于RP母體的快速模具制造。現代制造工程與醫學有機的結合，大大縮短了醫用模型、假體植入等的開發時間，縮短了手術等待時間，減輕了病人的痛苦，提高了一次性手術的成功率。

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

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

[3]熊有倫，王瑜輝，楊文玉，等.數字制造與數字裝備[J].航空制造技術，2008(9):26 －28.

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

[5]張富強，王運贛.快速成形在生物醫學工程中的應用[M].北京:人民軍醫出版社，2009:3－4.

[6]徐亮，范蘆芳，周家鎮，等.對MimicsV1010軟件的三維實體重建方法的研究[J].中國現代藥物應用，2008，2(12):32－34.

[7]王運贛.快速模具制造及其應用[M].武漢:華中科技大學出版社，2003:34－44.