快速成型在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、摘要：快速成型在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用研究是集快速成型技術(shù)、CT掃描、醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)、CAD技術(shù)等一體的綜合性學(xué)科。醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然只占10%的RP市場(chǎng)，但醫(yī)學(xué)又對(duì)RP的應(yīng)用提出了更高的要求。歷史上，RP已經(jīng)運(yùn)用于種植體原型、監(jiān)視系統(tǒng)和很多其它醫(yī)療設(shè)備的原型的制作。運(yùn)用生理數(shù)據(jù)的原型制作方法采用了SLA,LOM,SLS,FDM等技術(shù)。這些模型向那些想不通過開刀就可觀看病人骨結(jié)構(gòu)的研究人員、種植體設(shè)計(jì)師和外科醫(yī)生提供了幫助。這些技術(shù)在很多?？迫顼B外科、神經(jīng)外科、口腔外科、整形外科和頭頸外科等得到應(yīng)用，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，而如果沒有物理模型，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。象其它的新技術(shù)一樣，RP在醫(yī)學(xué)中也是不斷在走向

2、成熟，不斷地尋找其在產(chǎn)品開發(fā)周期中和外科醫(yī)生手術(shù)箱中的位置。我們目前要考慮的是對(duì)每一種應(yīng)用找出最合適的RP技術(shù)。將來的研究開發(fā)應(yīng)集中在開發(fā)那些最能適合某些特定應(yīng)用的工藝技術(shù)，例如制作能在人體中植入的人工骨。 關(guān)鍵詞：發(fā)展迅速 應(yīng)用廣泛 前途光明一、國內(nèi)現(xiàn)狀在國內(nèi)，快速成型用于種植體設(shè)計(jì)已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間了，工程師利用CAD軟件可以很快地設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，而RP設(shè)備的快速性允許設(shè)計(jì)師在很短的時(shí)間內(nèi)多次驗(yàn)證并修改其設(shè)計(jì)，這樣就在設(shè)計(jì)過程中節(jié)約了時(shí)間和金錢，從而以比從前快得多的速度實(shí)現(xiàn)"面向市場(chǎng)的設(shè)計(jì)"。另外,針對(duì)于心臟、血管、血管瘤、氣管等軟組織方面的研究相對(duì)較少。準(zhǔn)確復(fù)制軟組織結(jié)

3、構(gòu)可以提供個(gè)性化軟組織模型,在診療、手術(shù)和醫(yī)學(xué)教學(xué)等領(lǐng)域具有很大的意義。與航空和汽車工業(yè)不同，整個(gè)醫(yī)學(xué)工業(yè)已經(jīng)把RP看作為縮短設(shè)計(jì)周期的一種方法。運(yùn)用RP技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)特定病人的CT或MRI數(shù)據(jù)而不是標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)并制作種植體，這樣極大地減少了種植體設(shè)計(jì)的出錯(cuò)空間，并且這種適合每個(gè)病人解剖結(jié)構(gòu)的種植體確實(shí)能設(shè)計(jì)一個(gè)更好的手術(shù)結(jié)果。能制作出與病人完美配合的種植體這一點(diǎn)可幫助外科醫(yī)生大大縮短手術(shù)操作的時(shí)間。這不但讓病人減少了麻醉時(shí)間，還能減少費(fèi)用。很明顯，RP的醫(yī)療應(yīng)用在不斷增長(zhǎng)。這一塊市場(chǎng)可能永遠(yuǎn)也不會(huì)超過汽車或航空，但它將持續(xù)影響很多生產(chǎn)醫(yī)療儀器的公司和眾多需要復(fù)雜外科手術(shù)的

4、病人。二、國外現(xiàn)狀目前,國外針對(duì)快速原型在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)有了廣泛研究,并且在個(gè)別區(qū)域已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。但是,大多數(shù)應(yīng)用研究都集中在骨骼組織的三維重建與原型制作,很多都是限于模型參考,手術(shù)規(guī)劃,并沒有將快速原型模型直接應(yīng)用到實(shí)際手術(shù)當(dāng)中。同時(shí)，國外有許多單位在研究基于快速成形技術(shù)的人骨成型。以美國Daytou大學(xué)為首的研究小組采用具有生物相容的烴基磷灰石/玻璃薄膜材料。使用LOM快速成形制造人骨。美國Michigan大學(xué)采用光固化技術(shù)將烴基磷灰石與紫外光化的烯丙酸樹脂混合制造人骨?？焖俪尚卧卺t(yī)學(xué)界的應(yīng)用很有前景，這也是在發(fā)達(dá)國家把他作為快速原型應(yīng)用方面的原因之一。三、醫(yī)學(xué)中快速成型成型過程的

5、舉例快速成型在醫(yī)學(xué)中已經(jīng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛了，下面以快速成型的人工生物活性骨骼的復(fù)合制造方法為例來說明成型過程。（）人造骨的仿生設(shè)計(jì)： 、骨骼外形設(shè)計(jì)，通過特征斷面測(cè)量或外表面測(cè)量，用特征數(shù)據(jù)點(diǎn)重構(gòu)骨骼外形的三維，并將其以數(shù)據(jù)格式表達(dá)； 、骨骼內(nèi)部骨髓腔的三維設(shè)計(jì)，若基于斷面數(shù)據(jù)，可以用重構(gòu)的方法構(gòu)造骨髓腔，若基于外表面的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以利用外表面形狀建立數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造骨髓腔的； 、骨骼骨質(zhì)組織的設(shè)計(jì)，通過電子顯微鏡觀察骨骼微孔的尺寸以及分布規(guī)律，建立骨質(zhì)組織微結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造骨骼的三維，保證微孔空間完全導(dǎo)通； 、通過以上三部分的仿生建模設(shè)計(jì)，將外形與內(nèi)部復(fù)合起來，構(gòu)造出完整的骨骼； （）成型系統(tǒng)：

6、 、以乳化糖作成型材料用熔融沉積的方法制造人工骨的反形（負(fù)型）； 、對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，用分層制造的方法快速成型出骨骼外形和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的負(fù)型（反形）； 、制作一個(gè)帶有可控加熱系統(tǒng)的加壓容器，容器底部開一個(gè)的材料壓出孔，孔由電控開關(guān)控制開閉； 、將整個(gè)系統(tǒng)安裝在工作臺(tái)上，有一個(gè)可以在方向運(yùn)動(dòng)的成型平臺(tái)，組成一個(gè)分層成型系統(tǒng)，將乳化糖裝入加壓容器實(shí)現(xiàn)分層制造； （）成型工藝： 將乳化糖裝入加壓容器中，將加壓容器的溫度控制在、壓力控制在來控制乳化糖的流動(dòng)性和塑性，乳化糖在加熱后達(dá)到融化狀態(tài)后由材料壓出孔壓出，研究乳化糖壓出速度和運(yùn)動(dòng)速度與乳化糖成絲直徑的關(guān)系，以便通過速度來控制不同導(dǎo)管的直徑，骨

7、外形和骨髓腔通過常規(guī)的逐層制造方法實(shí)現(xiàn)； （）骨生長(zhǎng)因子和成骨細(xì)胞的復(fù)合： 將骨生長(zhǎng)因子制成懸液，加入成骨細(xì)胞，制成生物活性劑，在無菌條件下將生物活性劑溫度準(zhǔn)確地控制在，以保證成骨細(xì)胞的活性，將生物活性劑倒入成型好的骨型腔中培養(yǎng)，以便于骨生長(zhǎng)因子和成骨細(xì)胞能夠吸附到導(dǎo)管架上，然后，再將生物活性劑倒出來，使骨生長(zhǎng)因子能保留在導(dǎo)管架上，成為植入人工骨的活性物質(zhì)； （）復(fù)合成骨制造工藝： 為提高骨的強(qiáng)度，先在骨骼中插入鈦纖維，作為加強(qiáng)筋復(fù)合在骨中間，以提高替代骨的整體強(qiáng)度，用自凝固羥基磷酸鈣均勻后倒入經(jīng)生物復(fù)合后的乳化糖骨負(fù)型腔中，逐步填實(shí)，待凝固后，用的蒸餾水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羥基磷酸

8、鈣人工骨呈現(xiàn)出來。四、醫(yī)學(xué)中快速成型的重點(diǎn)工藝分析 l ）產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建。由于 RP 系統(tǒng)是由三維 CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)，因此首先要構(gòu)建所加工工件的三維CAD 模型。該三維CAD模型可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接構(gòu)建，也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行激光掃描、 CT 斷層掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。 2 ）三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對(duì)模型進(jìn)行近似處理，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡(jiǎn)單、實(shí)用，目前

9、已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個(gè)小三角形用 3 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。 STL 文件有二進(jìn)制碼和 ASCll 碼兩種輸出形式，二進(jìn)制碼輸出形式所占的空間比 ASCII 碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCII碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD 軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出 STL 格式文件的功能。 3 ）三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm0.5mm， 常用 0.1mm 。間隔越小，成型精度越高，但成型時(shí)間也越長(zhǎng)，效率就越低，反之則精度低，但效率高。 4 ）成型加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計(jì)算機(jī)控制下，相應(yīng)的成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng)，在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。 5 ）成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件，進(jìn)行打磨、拋光、涂掛，或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。五、醫(yī)學(xué)中快速成型很明顯，RP的醫(yī)療應(yīng)用在不斷增長(zhǎng)。這一塊市場(chǎng)可能永遠(yuǎn)也不會(huì)超過汽車或航空，但它將持續(xù)影響很