利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)醫(yī)用樹(shù)脂假體重建外形

吳 杰，李 悅

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

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)醫(yī)用樹(shù)脂假體重建外形

吳 杰1，李 悅2

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

通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)展采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)識(shí)別與人工識(shí)別的結(jié)合。讓所需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的假體的輪廓曲線能夠更好地進(jìn)行拾取，且所拾取到的模型會(huì)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(guò)高新技術(shù)及新材料，進(jìn)行從三維立體模型到實(shí)體原型的加工，讓假體制作能夠更加快速地實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到實(shí)體轉(zhuǎn)化，排除了一些傳統(tǒng)工藝中的復(fù)雜程序。在很大程度上滿足了醫(yī)生以及患者的設(shè)計(jì)需求。通過(guò)鏡像技術(shù)，能夠達(dá)到精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)效果。本文主要對(duì)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)醫(yī)用樹(shù)脂假體重建外形進(jìn)行了探討。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 醫(yī)用樹(shù)脂 假體外形

隨著高新科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助制造等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)可以完美地實(shí)現(xiàn)從三維模型到應(yīng)用型原型的設(shè)計(jì)、加工與制定。同時(shí)，利用好計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，還可以有效地避免諸多復(fù)雜程度的限制，實(shí)現(xiàn)快速成形。近年來(lái)，利用計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體樹(shù)脂假體的外形重建。通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)展采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)識(shí)別與人工識(shí)別的結(jié)合。讓所需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的假體的輪廓曲線能夠更好地進(jìn)行拾取，并且所拾取到的模型會(huì)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(guò)高新技術(shù)及新材料，進(jìn)行從三維立體模型到實(shí)體原型的加工，讓假體制作能夠更加快速地實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到實(shí)體轉(zhuǎn)化，排除了一些傳統(tǒng)工藝中的復(fù)雜程序。在很大程度上滿足了醫(yī)生以及患者的設(shè)計(jì)需求［1-3］。

1 利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行形狀采集

在進(jìn)行假體外形重建設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行形狀的采集。這項(xiàng)技術(shù)包括了激光掃描、陰型、陽(yáng)型數(shù)字化等機(jī)制，通過(guò)這些選項(xiàng)可以有效地實(shí)現(xiàn)初始化的模板造型設(shè)計(jì)，然后再利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型進(jìn)行各種類(lèi)型的修正。修改方式也隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸提高了設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，這項(xiàng)技術(shù)包括了使用疊置照片、斷層掃描技術(shù)、甚至X光片等來(lái)進(jìn)行模型的建立。從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)分析，激光掃描儀是最為高新的科技，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)一些最為常見(jiàn)的變量通過(guò)磁跟蹤等技術(shù)來(lái)進(jìn)行定位。通過(guò)磁跟蹤這項(xiàng)技術(shù)，可以真實(shí)有效地形成一套精細(xì)的圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)假體模型的輔助形狀采集工作。在進(jìn)行形狀采集工作過(guò)程中，每一項(xiàng)技術(shù)都有技巧，通過(guò)對(duì)這些技巧的不斷使用與熟練，可以得到精準(zhǔn)度非常高的圖像。對(duì)于這些技術(shù)而言，所具有的特征是在進(jìn)行影像采集時(shí)，不需要對(duì)所采集的形狀進(jìn)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(shí)體保持相應(yīng)的等同，從而通過(guò)后續(xù)修正技術(shù)可以有效地判斷體積變化。此外，對(duì)于這種高新技術(shù)，同樣也存在一定的缺陷。對(duì)于人體皮下組織的密度，無(wú)法利用這種形狀采集技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要結(jié)合超聲波記錄來(lái)獲取到相關(guān)的組織密度。

2 結(jié)合羥磷灰石（HA）特性進(jìn)行形狀修整

在進(jìn)行醫(yī)用樹(shù)脂假體重建外形過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為臨床醫(yī)生提供了對(duì)假體進(jìn)行修型的平臺(tái)，可以在很大程度上提高修型的效果以及精準(zhǔn)度。利用HA可以更好地為人體骨骼提供一個(gè)良好的修正機(jī)會(huì)。所謂的HA所指的是人體骨骼組織的主要無(wú)機(jī)組成成分。通過(guò)相關(guān)的醫(yī)學(xué)技術(shù)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(shí)在身體機(jī)能的促進(jìn)下能夠長(zhǎng)出新的組織。相關(guān)的研究表明，HA所呈現(xiàn)出的晶粒越細(xì)，其生物活性就會(huì)表現(xiàn)越高。當(dāng)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(xiàng)技術(shù)對(duì)假體外形進(jìn)行精確的對(duì)線以及對(duì)稱(chēng)的修正，而且當(dāng)遇到修正錯(cuò)誤時(shí)，可以輕易地取消操作，重新進(jìn)行修正工作。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(duì)齊、對(duì)正功能來(lái)進(jìn)行形狀修整操作與練習(xí)，為今后的實(shí)際工作提供練習(xí)空間。利用好計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅可以降低醫(yī)生在進(jìn)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(zhǔn)度。利用好這項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些細(xì)節(jié)工作的及時(shí)調(diào)整（如對(duì)稱(chēng)性，假體直徑大小、假體目標(biāo)圍長(zhǎng)等）。這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行多種形式的添加與設(shè)計(jì)，通過(guò)編輯后進(jìn)行保存，在工作中可重復(fù)使用。

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)與圖像重疊技術(shù)的結(jié)合，可以輕松實(shí)現(xiàn)構(gòu)建假體形狀的工作。通過(guò)拍攝假體解剖位置（可以是假體的側(cè)面或正面），利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)中的影像縮放技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化模型圖像的縮放，形成有用的假體輪廓，同時(shí)也可把假體表面的特征進(jìn)行有效地展示。

臨床醫(yī)生通過(guò)圖像疊加技術(shù)，能夠非常容易地構(gòu)建一套脊柱形狀，再結(jié)合放射影像進(jìn)行疊加，應(yīng)用效果更加明顯。因此，利用好數(shù)字化模型形狀修正技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與假體實(shí)物保持一致的效果。而且當(dāng)積累了一定數(shù)量的假體模型之后，在今后設(shè)計(jì)工作中，可以按照不同的比例來(lái)修改，很大程度地節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，優(yōu)化了整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

3 醫(yī)用樹(shù)脂頜面骨骼重建外形設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)用HA材料與快速成型（RP）技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)頜面部骨骼重建

頜面部骨骼對(duì)于人體的組成形態(tài)而言復(fù)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(guò)患者自體骨骼移植手術(shù)，還需要對(duì)移植的骨骼進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間修整，對(duì)于面部所呈現(xiàn)的連續(xù)曲面修整無(wú)法達(dá)到高精準(zhǔn)度，從而很難達(dá)到患者要求。隨著生物材料技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)手術(shù)前進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的虛擬設(shè)計(jì)與修整，可以精準(zhǔn)判斷出受損面部的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括部位、受損程度以及受損處周邊的組織關(guān)系。再利用影像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于側(cè)面部外形為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化圖像進(jìn)行修整，可以有效地實(shí)現(xiàn)面部輪廓的對(duì)稱(chēng)性。結(jié)合當(dāng)前較先進(jìn)的RP技術(shù)，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為實(shí)體三維模型。通過(guò)具體的數(shù)據(jù)運(yùn)算，可以精準(zhǔn)計(jì)算出需要進(jìn)行植入的修復(fù)假體的虛擬數(shù)據(jù)信息。再利用RP技術(shù)來(lái)為患者設(shè)計(jì)出具有個(gè)性化要求的HA假體。這種快整成型技術(shù)所獲取到的假體，在進(jìn)行植入后可以有效地與區(qū)骨面進(jìn)行完美的貼合，而且利用好計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)A假體植入物精準(zhǔn)定位。不僅有效地縮短了手術(shù)時(shí)間，而且能夠更好地實(shí)現(xiàn)患者的面部對(duì)稱(chēng)性，有效地修復(fù)了受損骨骼，改變了患者的面部外形。

3.2 運(yùn)用HA材料強(qiáng)塑性進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，生物材料技術(shù)已經(jīng)在許多的醫(yī)療工作中得到了廣泛應(yīng)用，尤其對(duì)于各種類(lèi)型的重建手術(shù)以及創(chuàng)傷性組織恢復(fù)更為廣泛。HA類(lèi)型的材料所設(shè)計(jì)制造的假體在口腔、顱頜面部等修復(fù)術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠洳牧系闹饕煞譃镠A。這種成分也是人體組織中骨骼以及牙齒的無(wú)機(jī)成分。而且該類(lèi)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(xué)結(jié)合。不過(guò)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(qiáng)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出的假體模型又具有一定的強(qiáng)塑性。因此，純度較高的HA是無(wú)法直接作為醫(yī)學(xué)材料進(jìn)行使用的，應(yīng)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(shù)脂（EAM）以相應(yīng)的比例混合。通過(guò)這種混合的材料，才能夠符合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件所設(shè)計(jì)出來(lái)的高精準(zhǔn)度的塑性需求。而且這種混合后的復(fù)合物，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了臨床實(shí)驗(yàn)證明，具有高機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于細(xì)胞毒性的危害程度也較低。因此，可以通過(guò)兩者的結(jié)合來(lái)為需要進(jìn)行修復(fù)的患者提供更好地修復(fù)設(shè)計(jì)。

4 醫(yī)用樹(shù)脂與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的結(jié)合

4.1 計(jì)算機(jī)與雕刻機(jī)實(shí)現(xiàn)HA假體植入物的塑形

醫(yī)學(xué)假體的制造是借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)影像所設(shè)計(jì)的重要成果。在制造所需要的假體時(shí)，可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)控制雕刻機(jī)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(jìn)的雕刻機(jī)，能夠更快捷、更安全、更精準(zhǔn)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(jī)需要進(jìn)行定期的維護(hù)與校準(zhǔn)，從而正常工作。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，借助計(jì)算機(jī)輔助與雕刻機(jī)所制造出來(lái)的假體植入物，與設(shè)計(jì)時(shí)僅存在著1.1%的誤差率。

4.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的HA假體植入物的效果分析

在醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告中對(duì)人體假體植入物的使用進(jìn)行了分析，指出了假體植入有可能會(huì)造成患者出現(xiàn)系列并發(fā)癥。相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的HA假體植入物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所制造出來(lái)的這類(lèi)型修復(fù)植入物，通過(guò)醫(yī)學(xué)影像檢查后證實(shí)，整個(gè)材料以及外型都保持較為完整。由于所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，與骨骼的結(jié)合處曲面也具有非常穩(wěn)定的連續(xù)性，沒(méi)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(wèn)題發(fā)生。由于從設(shè)計(jì)到制造，整個(gè)過(guò)程都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，而且借助了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）以及RP技術(shù)制造的人體假體植入物沒(méi)有出現(xiàn)大范圍的并發(fā)癥。可以說(shuō)這項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)與生物材料，對(duì)于患者以及醫(yī)學(xué)貢獻(xiàn)都具有重要的作用。對(duì)之前許多的病例進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件所收集到的數(shù)據(jù)、影像、三維模型以及術(shù)后面部三維數(shù)據(jù)分析，都顯示與設(shè)計(jì)效果保持一致。無(wú)論從修復(fù)功能以及患者面部對(duì)稱(chēng)性都顯著提高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)所設(shè)計(jì)出來(lái)的HA/EAM人體假體植入物，在CAD/CAM以及RP技術(shù)的支持下，為顱頜面部受損患者的修復(fù)手術(shù)帶來(lái)了非常好的效果。而且在借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)影像技術(shù)、圖像三維重建技術(shù)等工作，讓整個(gè)修復(fù)手術(shù)的效果以及假體植入物的手術(shù)更加精準(zhǔn)與安全。通過(guò)臨床觀察，這項(xiàng)技術(shù)具備了快捷、安全、精準(zhǔn)度高、可塑性強(qiáng)、對(duì)稱(chēng)性好、術(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，能夠改變以往在頜面部修復(fù)術(shù)中只能依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的局面，而且通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與HA混合物的完美結(jié)合，讓這項(xiàng)手術(shù)變得更加簡(jiǎn)單、安全。

［1］ 俞析元，曹德軍，柴崗，等.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)定制化植入體在復(fù)雜眶周畸形治療中的應(yīng)用［J］.組織工程與重建外科雜志，2014（1）：22-25.

［2］ 李瑞琦，張國(guó)平，任立忠，等.納米輕基磷灰石及其復(fù)合生物材料的特征及應(yīng)用［J］.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，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(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，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(xué)院社會(huì)醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生事業(yè)管理專(zhuān)業(yè)，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的研究工作。聯(lián)系電話：15081560819；E-mail： wumaitiapds@foxmail.com。