快速成型制造技術論文
快速成型制造技術論文
快速成型技術是一種先進而科學的原型制造技術，其主要根據(jù)計算機輔助設計來對工件進行三維模型設計，下面是小編為大家精心推薦的快速成型制造技術論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>
快速成型制造技術論文篇一
應用快速成型技術重建人工顱骨
【摘要】 應用CAD/CAM技術和快速成型技術，建立個性化設計、制造人工顱骨的快速響應體系。通過螺旋CT掃描、CAD三維重建成像、三種快速成型工藝，制成與患者顱骨缺損部位幾何形態(tài)相同的個性化實體模型，應用翻模工藝和EH復合型生物活性人工骨材料，制成患者骨修復治療用顱骨。結果顯示人工顱骨幾何外形與骨缺損部位非常吻合，與健康側對稱，臨床效果非常滿意。三種快速成型工藝中，選擇性激光燒結法工藝較適合于個性化實體模型制作。完成整個制作流程的最快時間為2d。應用快速成型技術重建顱骨制作系統(tǒng)為顱骨缺損患者提供了一種可有效提高臨床治療效果和修復美學效果的新技術。
【關鍵詞】 快速成型;三維重建;顱骨;生物活性人工骨;個性化
Abstract：To build up an agile manufacturing architecture of individualized skull plate based on the technologies of CAD/CAM and rapid prototyping. The patients with skull defect were scanned with CT and reconstructed CAD 3-dimentional cranium images. Simulated models which were similar to their own skulls were made by the three kind of machines of rapid prototyping preprocessing, then skull plat were prepared with bioactive artificial bone materials according to the models by the technic of plaster cavity block.The Results indicated that the contour of reconstructed skull were very coincidence, and symmetric with skull defect. The clinical results were satisfactory. The Selected Laser Sintering technic is fit for the manufacture of models of skull defect. The fastest time for accomplish the livelong process is two days.The agile manufacturing architecture of individualized CAD/CAM techniques for skull reconstruction used bioactive artificial bone materials can provide a new means to treatment skull defect, improve operation accuracy, save time and rise beautiful outlook.
Key words：Rapid prototyping;3-dimentional reconstruction;Skull;Bioactive bone;Individuation
1 引 言
快速成型技術(rapid prototyping, RP)是20世紀80年代中期誕生的一種新技術，其綜合了計算機輔助設計(CAD)計算機輔助制造(CAM)技術、數(shù)據(jù)處理技術、數(shù)控技術、激光技術、精密機械驅(qū)動技術和材料科學等先進理念，將任何一個三維實體都視作為多個二維平面沿某一軸向疊加而成。RP技術已在航空航天、汽車設計、模具制造諸領域得到廣泛應用。目前隨著計算機三維重建技術的發(fā)展和相關處理軟件的開發(fā)、完善，RP技術在醫(yī)學領域方面的應用成為研究熱點，其中在腦顱骨創(chuàng)傷方面的應用如顱骨板的計算機三維重建和個性化設計制造成為了現(xiàn)實[1-2],并且結合生物活性人工骨材料的應用,為復制出與患者顱骨缺損部位幾何形態(tài)高度吻合、具有良好骨融合性的顱骨定制體提供了強有力的技術保障。另一方面便于醫(yī)生的臨床操作。RP技術的應用不僅可有效縮短臨床手術時間，而且可明顯提高臨床治療效果和修復美學效果[3]。這項工作必須整合幾方面的資源和相關專業(yè)人員，建立一套快速有效的響應機制，包括數(shù)據(jù)文件傳輸、數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換處理和顱骨定制體制作體系。我們將四年來的工作以及臨床使用1 000多例的體會報告如下。
2 材料和方法
2.1 制作流程
計算機三維設計重建、定制人工顱骨的流程見圖1。
2.2 CT數(shù)據(jù)采擷
需實施顱骨修補的患者通過螺旋CT機行全頭顱平掃，螺旋CT機應選擇4排管以上的, 掃描時不需加強;螺旋掃描層厚要求≤5 mm，掃描范圍由聽眶線向上掃描至顱頂，缺損部需顯露骨窗周邊20 mm以上，并含對稱側;橫斷面數(shù)據(jù)重建層厚≤2.5 mm，要求重建層厚與重建間距(interval)完全相同(例：上海市第九人民醫(yī)院采用通用公司16排螺旋CT機平掃，掃描層厚取5 mm，重建層厚取1.25 mm，重建間距取1.25 mm，效果滿意)。重建數(shù)據(jù)不要壓縮，其中定位篇與平篇須分別打包，存于不同文件夾，如兩者無法分開，則舍棄定位篇;將數(shù)據(jù)用標準DICOM(digital imaging and communications in medicine)文件格式刻錄進光盤或存入U盤。
2.3 模型的三維重建
采用MIMICS、MedGraphics等一類處理軟件將DICOM圖像文件自動讀入，層間隔參數(shù)與掃描重建層厚相同，通過對骨組織區(qū)域識別、提取和三維疊加，完成顱骨缺損幾何模型的三維重建。重建好的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出為快速成型機可識別的STL格式文件。
2.4 快速成型機制造
通過對STL文件進行“切片”軟件處理，得到有特定厚度的一系列片層信息及掃描加工路徑信息格式文件，由這些信息經(jīng)過程序處理依次控制快速成型機，通過黏結、光固化或燒結等工藝將模型材料逐層堆積，最終完成顱骨缺損模型實體。本研究采用了以下三種制造工藝：
(1)分層實體添加法(laminated object manufacturing，LOM)，采用新加坡KINEGRY公司ZIPPY?1型快速成型機，以紙片為原料，通過激光燒蝕逐層黏結制成。
(2)立體光固化成型法(stereo lightgrapy apparatus，SLA)，又稱光敏液相固化法，采用西安交通大學研制的CPS250B型快速成型機，以光敏固化樹脂液為原料，通過紫外光照射逐層固化制成。
(3)選擇性激光燒結法(selected laser sintering，SLS)，采用北京隆源自動化成型有限公司生產(chǎn)的AFS-320型激光快速成型機，以HPS工程塑料粉末為原料，通過激光照射逐層燒結制成。
2.5 顱骨板翻制成型
將快速成型機制造完成的顱骨缺損模型實體翻制成石膏陰模，然后在石膏陰模腔中填入生物活性人工骨材料，待材料固化、脫模、修整后即可制得患者骨修補治療所需要的人工顱骨。生物活性人工骨材料采用由上海第二醫(yī)科大學研制、上海倍爾康生物醫(yī)學科技有限公司生產(chǎn)的EH復合人工骨(又稱EH復合型骨水泥，產(chǎn)品注冊號：國食藥監(jiān)械(準)字2004第3460378)。此產(chǎn)品由粉劑(羥磷灰石顆粒)和塑型劑(EAM醫(yī)用樹脂)兩部分組成，粉劑和塑型劑按一定比例調(diào)和后，可在室溫下20 min內(nèi)固化。
2.6 臨床應用
對顱骨板作常規(guī)高壓蒸汽滅菌后，使用縫合絲線或顱骨鎖固定及配套的EH復合型骨水泥對骨界面進行填塞固定。
3 結果與討論
3.1 CT數(shù)據(jù)處理
存儲進光盤或U盤的患者CT數(shù)據(jù)文件的總容量大約在120兆左右，這包括了定位篇數(shù)據(jù)、平篇數(shù)據(jù)和三維圖像數(shù)據(jù)，其中定位篇數(shù)據(jù)和三維圖像數(shù)據(jù)對快速成型機復制模型而言非必需。因此，如果采用異地網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸途徑，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞澈凸?jié)約時間，往往可采取僅傳輸平篇數(shù)據(jù)的方法解決。平篇數(shù)據(jù)的容量大約在40兆～60兆左右，傳輸前可先通過WinZip或WinRAR壓縮軟件進行文件壓縮。
3.2 快速成型技術工藝
快速成型技術自誕生以來，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十種工藝，本研究嘗試了其中的三種方法。圖2、圖3和圖4分別對應LOM法、SLA法和SLS法制造的顱骨缺損部位的實體模型。這三種工藝方法有各自的特點。
LOM法制成的模型表面精度較高，只須對輪廓線進行切割，適合做大件和實體件。但是制作過程中需要人員看護，以防止紙卷扯斷，且不適宜做薄壁原型，最終完成的蝕刻模型尚需人工剝離，產(chǎn)生的廢料多，原料利用率低，而且在型腔內(nèi)部殘留的碎紙片不易清除;成形件表面比較粗糙并有明顯的臺階紋;成形件強度差，易吸濕膨脹、分層，不易長期保存。
SLA法加工的產(chǎn)品有較高的精度和強度，表面質(zhì)量高，適合做小件和精細件，成形件適宜攜帶和保存。但是系統(tǒng)成本高，其使用的光固化樹脂價格昂貴，每千克達上萬元，且原料不宜長時間存儲;此外，在模型制造中需設計支撐。
SLS法選材廣泛，可燒結蠟粉、聚碳酸酯、工程塑料、陶瓷、金屬粉末等多種材料，材料利用率高，制造成本低，造型速度較快，而且燒結時無需支撐。但成形件強度和精度不是很高。本研究所使用的燒結材料為工程塑料，原料成本約為160元/kg。
綜合上述三種制作工藝，就性價比而言，我們認為SLS法比較適合顱骨缺損的重建和個性化制造。
3.3 生物活性人工骨材料
圖5系采用EH復合人工骨材料翻制成型的顱骨板，其幾何外形與骨缺損部位實體模型非常吻合，且與健康側對稱，很忠實地還原了患者缺損位顱骨的解剖形態(tài)。
目前世界范圍用于顱骨缺損修復的材料主要有羥磷灰石類生物活性陶瓷、鈦金屬板、高密度聚乙烯和硅橡膠等。但由于羥磷灰石類生物陶瓷脆性比較大，難塑型，因此，在臨床上應用受到限制。而另幾種材料由于存在臨床操作使用方便之優(yōu)點，因此較容易為醫(yī)生接受。然而這些材料在生物學性能方面與羥磷灰石材料有很大差別，均為生物惰性材料，長期植入人體后與骨組織之間界面清晰，不能與骨組織產(chǎn)生骨性結合。此外，這些材料產(chǎn)品均為預制件，缺乏個性化設計，對如額顳部等幾何形態(tài)比較復雜的部位應用時常常達不到滿意的美學效果。
EH復合人工骨材料的化學組成和物理特性與人體骨組織都特別相近。材質(zhì)由羥磷灰石粉劑顆粒和EAM醫(yī)用樹脂兩部分組成。EH復合人工骨固化后化學性能穩(wěn)定，不溶于水，是熱的良好絕緣體，抗壓強度、抗拉強度在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，密度與人體骨組織相當，不影響CT、MRI成像。EH復合人工骨在生物相容性方面仍然保持了羥磷灰石所具有的良好骨結合性[4-6]，同時具有室溫下可自行固化、塑型容易等特點，因此特別適合于取模澆注制造，對任何復雜的形狀都能勝任，在吻合性、圓弧度和固位模式方面均具有其獨到的優(yōu)點。
3.4 臨床效果
臨床常見病例除了顱骨缺損之外，還有一些比較特殊的病種，如眉弓塌陷、帶眼眶復合缺損等，復合人工骨材料更能發(fā)揮其長處，可任意截取和塑形(見圖6);對有些顳部凹陷處部位，可通過增加厚度進行適當墊高，以彌補由于軟組織缺失造成的術后表觀塌陷，從而得到較佳的美學效果。
采用計算機個性化設計重建、制造、修復的1 000多例顱骨缺損手術均一期愈合，無感染、排異等癥狀;個別修復前患癲癇的患者在顱骨缺損修復后病情得到改善;一些原來頭部畸形狀況嚴重的在缺損修復后外貌明顯得到改觀。無論是醫(yī)生還是患者都對術后美學效果感到滿意[7-11]，特別是對有些缺損部位非常大(近乎1/2顱骨區(qū)域)的或兩側貫串缺損的病例更能體現(xiàn)此修復技術的優(yōu)點(見圖7)。經(jīng)過1～3年的術后隨訪，所有病例的手術效果均非常滿意。
4 小結
國外從90年代起已有研究顱骨成型術的個性化設計[12]。近年來國內(nèi)也開始有報道應用計算機三維技術個性化設計顱骨板的個別案例[13-14]，但應用的材料多為鑄造鈦金屬，制作工藝較煩瑣且加工時間長。而本制作系統(tǒng)采用的材料是與骨組織化學組成相近的生物活性材料,具有良好骨結合性,加上計算機數(shù)字化技術，因此，制成的人工顱骨的外觀和理化性能與人體顱骨很相似，人工顱骨的幾何外形可以與患者缺損顱骨部位大小一致，能與周圍骨組織形成完美的嵌合銜接，達到良好的外觀美學效果，并有利于兩者之間的骨性結合。此外由于定制人工顱骨的制造周期短，最快的可在2 d內(nèi)完成，因此不僅適合國內(nèi)醫(yī)院的推廣使用，而且也適合未來國際市場的需求。
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