仿生人工股骨頭部3D打印研究

林國金，徐鴻庚

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

1 背景分析

當前醫學趨向于向數字化方向發展，其中數字化可簡要概括為將信息轉化為數字化模型，并利用計算機進行處理的過程。不斷發展的計算機技術、信息技術與生命科學相結合，產生了一門嶄新的交叉學科：數字骨科學，即在計算機中利用三維重建技術和使用模型處理數據的手段對人體進行骨骼解剖及處理。這個概念最早由裴國獻[1]等人提出，志在實現數字化技術與骨科學有機結合，形成一個獨立的臨床體系，促進骨科技術的發展[2]。

現在正在迅速發展的數字骨科學能夠使用三維重建技術建立人體的骨骼模型，并在計算機相關軟件中對模型進行分析以及術前模擬，使手術相關數據能夠量化判斷[3]，而不是僅能夠依靠醫生的經驗化判斷，對進行術前規劃，減小手術創口，縮短手術時間，以及提高手術的準確性均有重要意義。

2 技術過程

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

3 對模型精度影響因素的研究

三維模型是根據骨骼的CT圖在Mimics軟件中經過一系列的操作轉化而成的，因此建模過程中對各項功能的使用就成為了影響三維模型的關鍵因素。利用軟件進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

根據建模流程圖，在閾值分割后將目標股骨與肌肉等組織分離開，但是并不能分離股骨頭與髖臼，需要進行一些后續處理操作。使用CT Bone Segmentation功能，選取所需骨塊上面的點，將非目標骨塊上的點設置為Undesired Seed Point，建立出的蒙板。利用蒙板計算三維模型，通過選擇更多股骨中的點可將模型進一步完善，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

在根據蒙板進行三維模型計算時，選擇的高的質量參數，得到的模型精度更好，同時表面的粗糙度也更高。因此需要對模型進行光順處理。為保證股骨頭的大小與實際一致，包覆操作時不選擇擴張結果選項；由于模型為實心模型，沒有生成薄壁結構，故不需要選擇薄壁保護；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；最小細節選用不同的參數，對光順處理后的模型進行截圖對比，如圖3所示。可觀察到隨著最小細節值的增大，模型表面越來越光滑，但是取值過大會存在細節丟失問題。

圖3 陶瓷馬外形圖

對模型進行切片查看，觀察細節處與CT圖像的吻合程度，結果表明在最小細節為0.5 mm時，模型切片與CT圖像相符合且表面較光滑。

（3）打印方式規劃對模型精度的影響

FDM打印涉及CAD/CAM、數據編程、材料編制、材料制備、參數設置以及后處理等多個環節[4-5]。通過規劃合理的打印方式，以得到精度更高的模型。規劃主要針對打印角度的規劃、支撐結構的生成和切片處理操作。

骨骼模型是表面形狀不規則的模型，可選用多種不同的打印角度進行打印，尋找一種合適的角度十分重要。在規劃打印角度時，要遵循45°原則，通常超過45°擺放零件時表面質量較好，但也需要考慮生成支撐或者輔助連接來完成打印，小于45°擺放零件時會使樣件表面出現較為明顯的層紋。由于材料粘結時會在其內部產生收縮應力，好的擺放角度能夠減少材料的收縮，防止樣件發生變形。規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）。

圖4 四種打印角度

不同的打印角度會生成不同的支撐結構。通過旋轉角度，查找不同擺放角度下的孤島結構，發現股骨頭向上60°比40°的情況下、股骨頭向下45°比0°的情況下，生成的支撐結構更少。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構如圖5所示。

圖5 兩種打印角度下的支撐結構

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）打印工藝參數對模型精度的影響

1）分層厚度：是進行3D打印時每一成型層的厚度。由于FDM打印方式為材料的逐層堆積，當制作曲面時，無法避免的會造成表面的臺階型結構，臺階的大小與分層厚度有關，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量。但是同時分層厚度也不能過小，過小會導致零件的成型層增加，制造時間增加，因此要根據打印時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，而不同的狀態對材料的打印性能有關鍵作用。打印溫度過高，材料則偏向液態，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的溫度。

3）打印速度：加工模型時，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生坍塌或拉絲的現象；打印速度過慢，前一層完全冷卻后才進行下一層的打印，可能會使零件有開裂的傾向。

根據在不同參數條件下打印的對比結果，得到最佳的參數設定值如下：

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打印機實現模型的制造，在經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 結語

本研究針對股骨頸穩定型骨折模型從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前規劃和教學工作中的作用。通過選擇不同的建模參數，總結出了一種較省時、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、打印方式的規劃以及打印工藝參數的規劃對模型精度的影響。

在打印后通過對模型支撐結構的去除等后處理操作，最終完成了模型的制造，為骨科手術的術前規劃、導航模版的制作等提供了更有效的建模方案。