临床医学快速成型技术作用

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1快速成型技术在临床医学上的应用

采用箔材(如纸等材料)的分层实体制造LOM(LanminatedObjectmanufacturing)方法,以事先涂有热熔胶纸为基本构形材料,厚度0.125mm,在计算机控制下,自动将三维数字化模型分割成与纸张同样厚的薄片(平面模型),用二氧化碳激光器逐层精确割出每层的轮廓形状,再逐层热压粘接成型。在不需要切削加工和模具的情况下,数小时内即可快速形成任意复杂形状的三维物体,成型件精度可达0.2mm,具有与硬木制品相当的硬度,稍作表面处理后可在200℃以下的环境中使用,如果用这种设备制作模具,完全可以用于医学高分子材料(如医用硅橡胶)件的模压制作[2]。

1.1数字化信息的提取

从医院的CT、核磁共振及光学扫描等设备中获取患者的DICOM格式文件,并保存于硬盘中。传统的边界提取是通过扫描仪将得到的CT图像扫入电脑,然后通过灰度信息识别其边界,并用一系列的简单曲线替代[1]。这样做存在图像配准误差,在替代过程中又损失了部分边界信息,降低了三维重建精度。所以,利用DICOMEDGE软件将DICOM文件直接打开,根据CT域值和曲率域值选择相应区域进行边界提取,而后并根据边界情况予以取舍,满意后以文本格式将截面轮廓输出。由于采用直接读取DICOM文件的数字化信息,减少了中间转化环节,从建构方式上提高了制件精度。

1.2数据筛选与匹配

由DICOM文件转化后的IBL文件可以在Pro/E中打开,通过观察分析可知存在如下问题:(1)由DICOM文件转化后得到的数据点数量太多,而且匹配状况差。(2)不同截面包含的封闭曲线数目不等。(3)在应该存在平滑过渡的地方,由于扫描间距的存在而由平面替代。这些问题直接导致三维重建模型的表面扭曲,甚至无法重构,为确保三维模型的建立,应对得到的图形进行分析,按照平滑重构的原则分块重构,通过找出各截面的型心,用扇扫与分段对应的方式保证重构过程中的表面平滑,根据不同数目封闭曲线构成情况将相邻截面求交,得到新的截面后与相应截面重构,而对于因平面替代造成失真的地方,可在合适之处用1个较小的圆等分为与相邻截面相同的等份,然后用起点对齐的方式处理,可得到建立三维CAD模型数据点,并以IBL格式保存该数据文件。

1.3曲线生成与三维重建

在Pro/E环境下,输入处理后的IBL格式数据文件,即可得到若干条基准曲线,为了使生成的实体表面光顺,用3次有理B-样条对曲线进一步拟合和逼近,这样就可获得比较真实的用于构造三维实体的基准曲线。用Pro/E中的三维处理命令进行三维重建,得到较真实的三维实体模型块,通过各个实体模型块的组合,即可得到所需要的三维实体模型,通过旋转与缩放,详细观察各模型块之间的结合情况,也可采用一些平滑的方式使结合处更加光顺。

1.4由CAD模型生成STL文件

由于人体的骨骼及外形各不相同,而且由复杂曲面构成,因此,Pro/E软件在将其二维集合信息传输给快速成型系统制造前,必须对模型曲面进行近似处理,用一系列的小三角形平面片逼近自由曲面,经过近似处理的三维模型由Pro/Interface产生STL格式文件。之后,对三角化后的模型进行修补,因为原有Pro/E模型中可能有缺陷,或者CAD模型三角化形成STL文件过程中产生了数据误差,导致曲线不封闭,故修改后将STL文件输人到快速成型系统[1]。

1.5快速原型制造

在STL文件的三维模型上沿成型的高度方向,每隔一定的间隔自动提取截面轮廓线信息,逐层进行平面切片处理,根据切片处理得到平面截面轮廓,快速成型系统中的成型头(激光头或喷头)在z-y平面内,自动按截面轮廓运动,切割纸得到一层截面轮廓,每层截面轮廓成形之后,快速成型系统将下一层材料送至已成型的轮廓面上,然后进行新一层截面轮廓材料的成型,从而将一层层截面轮廓重合在一起,最终形成三维产品[1]。利用Pro/E生成的三维实体模型,可对实体进行简单的有限元分析(Pro/FEM),还可直接进行模具设计(Pro/Moldesign),通过模型生产模具[1]。

2结束语

快速成型制造技术的使用,为临床医学中长期困扰人们的“度身定作”问题的解决提供了较为有效的解决方法和制作手段,而以Pro/E和AutoCAD等为代表的三维造型软件系统,为快速原型制造技术提供了强有力的模型设计工具。

(1)采用DICOM文件作为三维建模的输入文件,为远程治疗提供了可能,同时在计算机上提供可视化的三维模型,为临床诊疗和教学提供了可操作的工具,为不同层次的医疗人员提供了共同对话的参照物[1],有利于医疗人才的培养。

(2)利用医学影像信息快速制造实物模型可作为辅助手术的一种手段,例如采用手术模拟方法使外科医生在未进行手术的情况下,预先模拟手术过程,对可能遇到的问题,事先考虑补救方法和预防措施,并通过不同手术方案的模拟比较各种方案的优劣,找出较好方案,使手术快速准确完成[6]。

(3)精确物理模型可直接用于器官移植和矫形手术,一方面可以原型为模具,用传统方法做替代器官或矫形器械;另一方面可采用生物活性或生物兼容性材料制成的原型直接植入人体,与合金制品相比,具有更好的生物兼容性[1]。