仿真膝關(guān)節(jié)模型的制作與應(yīng)用

1、仿真膝關(guān)節(jié)模型的制作與應(yīng)用*         06-07-03 10:27:00     編輯：studa20            作者：黃建國，史慶南，嚴繼康，常敏，郭英，鄧樂巧，劉 波，趙晉濟【摘要】  本文回顧了快速成形技術(shù)在醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用情況。描述了快速成形技術(shù)在脛骨外踝骨折的一般步驟和臨床應(yīng)用情況。以螺旋CT得到整個膝關(guān)節(jié)的CT影像圖，掃描層間距

2、為1.0mm。以DICOM文件的數(shù)據(jù)點信息為數(shù)據(jù)源，通過相關(guān)軟件讀取DICOM數(shù)據(jù)文件，獲得膝關(guān)節(jié)的二維CT影像，通過平面圖形軟件編輯和處理得到膝關(guān)節(jié)脛骨骨折的邊界，將邊界曲線輸入CAD系統(tǒng)建立三維模型再生成STL文件；采用ZSW-I-A型激光快速成型機將STL文件加工成脛骨外踝骨折的紙基模型。將該紙基模型用于臨床取得了較為理想的效果。        【關(guān)鍵詞】  快速成型；膝關(guān)節(jié)模型；CT；DICOM        【Abstract】  Th

3、is  paper  has  reviewed  the  clinical  practice  situation  in  medical  science  about rapid prototyping technology.  Described rapid prototyping technology general step and clinical practice situation that the ankle bone rolls over . Ge

4、tting CT image picture of the whole knee joint with spiral CT， it is 1.0mm to scan one slice of intervals. Use DICOM file as the data source and get two-dimensional CT image of the knee joint through the relevant software. Using figure software edit and get shin bone fracture border of knee joint th

5、en export the border curve to CAD system and set up the three-dimensional model and export STL file again from CAD system； Paper base model that the ankle bone converts into tibi outside adopting the laser rapid prototyping machine of Model ZSW-I-A and processing STL file into the shin bone. Have us

6、ed this paper base model on clinically and have got comparatively ideal results.        【Key words】  rapid prototyping；knee joint model；CT；DICOM        快速成型技術(shù)是將計算機輔助設(shè)計CAD，計算機輔助制造CAM，計算機數(shù)字控制CNC，激光，精密伺服驅(qū)動系統(tǒng)和新材料等先進技術(shù)集于一體，依照計算機上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計模型

7、，對其進行分層切片，得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓，激光束選擇地切割一層一層的紙基（或固化一層層的液態(tài)樹脂、燒結(jié)一層層的粉末塑料），或噴射源選擇地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等，形成各截面輪廓，并逐步疊加成三維產(chǎn)品，從而獲得所需的模型或產(chǎn)品的方法1。人膝關(guān)節(jié)是人體最主要也是最重要的關(guān)節(jié)之一。由于其在臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)工程、生物機械工程等領(lǐng)域的重要研究價值和應(yīng)用前景，長期以來吸引了大量的生物力學(xué)研究者投入對其的研究26。利用精確的物理模型可直接用于膝關(guān)節(jié)的移植和矯形手術(shù)，可以以原型為模具，用傳統(tǒng)方法做替代膝關(guān)節(jié)或矯形器械；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體，與合金制品相比

8、，具有更好的生物兼容性。其具體的優(yōu)點是生產(chǎn)周期短；人工骨與被代替骨形基本一致，有利于保持與原有其他器官的匹配；人工骨內(nèi)部具有微孔結(jié)構(gòu)，組織液和骨細胞容易長入，促進修復(fù)過程；在人工骨內(nèi)部有骨因子，可使人工骨很快與人體微循環(huán)組織連通7，8。        1  三維模型的重建        制作膝關(guān)節(jié)模型的技術(shù)工作流程是：三維重建原型加工快速模具膝關(guān)節(jié)模型澆注后處理（見圖1）。     06-07-03 10:27:00 

9、0;   編輯：studa20                       圖1  膝關(guān)節(jié)模型制作的技術(shù)流程        1.1  DICOM文件的讀取  通過螺旋CT對某男性的膝關(guān)節(jié)掃描得到該患者的膝關(guān)節(jié)的DICOM文件，掃描層間距為1.0mm，層數(shù)為11

10、6層。通過相關(guān)軟件讀取該患者的DICOM文件，得到二維的膝關(guān)節(jié)CT圖像，如圖2所示。通過平面圖形處理軟件可以將股骨從圖2重分離出來而得到膝關(guān)節(jié)骨的二維CT圖像，如圖3所示。 圖2  脛骨外踝骨折的CT影像                       圖3  脛骨骨折的輪廓        1

11、.2  邊界輪廓的提取和三維重建9  用平面圖形處理軟件對脛骨外踝骨CT圖像進行處理可以得到外踝骨的CT輪廓，如圖3所示。對圖3運用反色命令即可得到外踝骨的邊界輪廓，如圖4所示。將圖4轉(zhuǎn)換成三維建模軟件可以接受的文件格式，經(jīng)過曲線輸入與編輯、曲面生成和曲面封閉等步驟即可以得到脛骨骨折的三維重建計算機模型，如圖5所示。將外踝骨的三維重建模型以STL文件格式輸出，STL文件為一般快速成型機進行加工的文件格式。        1.3  仿真膝關(guān)節(jié)模型的制作  本研究所采用的快速成型機為精技機電（上海）

12、有限公司生產(chǎn)的ZSW-I-A型激光快速成型機，主要加工參數(shù)為輪廓切割功率為11W，網(wǎng)格切割功率為17W，切割速度為400mm/s，加工時間為7h。在STL文件輸入快速成型機加工之前須對其進行分析及編圖4  脛骨骨折的邊界圖5  脛骨骨折的CAD模型輯：一是對STL文件的編輯檢查看文件是否破損；二是結(jié)合快速成型系統(tǒng)的有效工作尺寸，決定是否將工件分成幾個小工件來制作；三是綜合考慮工件尺寸、精度、成本以及后處理等多方面因素決定工件的加工方向。將已經(jīng)準備好的STL文件輸入快速成型機，準確設(shè)置好參數(shù)，將工件加工成紙基件。膝關(guān)節(jié)模型做好下機后，用夾具夾持一天，防止開裂及變形，然后對加工

13、好的工件進行后處理，包括：剝離、打磨、修補、拋光和上漆等步驟。再將處理好后的膝關(guān)節(jié)模型與原型進行測量相對比，檢驗其誤差是否在允許范圍之內(nèi)。這樣后處理好的工件作為模板可制作出各種材料的母模，如硅橡膠母模、砂模、金屬模等。在紙基件的后處理過程中，必須保證尺寸盡量與三維模型文件的尺寸一致，工件表面要有足夠的光滑度，紙基件表面要噴一層水晶漆以防止其吸收空氣中水分變潮而引起尺寸偏差，同時也可防止在硅膠模制作過程中硅橡膠滲入到紙基件內(nèi)部引起紙基原型尺寸變化。制作膝關(guān)節(jié)修復(fù)體是將缺損膝關(guān)節(jié)的CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式，缺損模型像前述方法一樣用光敏樹脂制成。用硬質(zhì)石膏翻制模型，石蠟澆注制作熔模，磷酸鹽或石英砂等

14、包埋料進行包埋，制作出鑄型，然后通過鑄型烘烤、焙燒熔模后，即可進行澆鑄成型，得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的修復(fù)體?；谙リP(guān)節(jié)模型制造的優(yōu)點在于：提高了適應(yīng)性及美觀度，縮短手術(shù)時間，減少術(shù)后并發(fā)癥。        2  仿真膝關(guān)節(jié)模型的應(yīng)用          骨科臨床手術(shù)的策劃  快速成型技術(shù)可以快速獲得所需的器件原型，外科醫(yī)生在未進行手術(shù)的情況下，可預(yù)先模擬手術(shù)過程，對可能遇到的問題，事先考慮補救方法和預(yù)防措施，并通過不同手術(shù)方案的模擬比較各種方案的優(yōu)劣，找出較

15、好方案，使手術(shù)快速準確完成。經(jīng)過專家會診和征求患者意見基礎(chǔ)上，采取了如下措施： 在脛骨骨折處切開，將塌陷的關(guān)節(jié)面向上撬起，并用人工骨墊于塌陷處，然后將骨折處用骨螺釘固定。由于確定了較為合理的手術(shù)方案，使手術(shù)一次性成功地完成。術(shù)后患者膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)良好，無不適反應(yīng)。     06-07-03 10:27:00     編輯：studa20         假體工程  膝關(guān)節(jié)模型的制作可以為臨床醫(yī)學(xué)中的“量身定做”問題的解決提供較為有效的解

16、決方法和制作手段，適用于整形外科和假體工程，將RP和CT、MRI技術(shù)結(jié)合能輔助外科醫(yī)生迅速準確地實施復(fù)雜外科手術(shù)，制作膝關(guān)節(jié)修復(fù)體，輔助正畸等。運用膝關(guān)節(jié)模型，設(shè)計師可以根據(jù)特定病人的CT或MRI數(shù)據(jù)而不是標準的解剖學(xué)幾何數(shù)據(jù)來設(shè)計并制作種植體，這樣就極大地減少了種植體設(shè)計的出錯空間，并且這種適合每個病人解剖結(jié)構(gòu)的種植體確實能設(shè)計一個更好的手術(shù)結(jié)果。能制作出與病人完美配合的種植體，這一點可幫助外科醫(yī)生大大縮短手術(shù)操作的時間。這不但讓病人減少了麻醉時間，還能減少費用。由于有了解剖模型，醫(yī)生可以有效地與病人溝通，借助于病人自己的解剖模型，可以指出關(guān)鍵的區(qū)域，從而增加病人的理解。 

17、0;      3  結(jié)論        通過快速原型加工的脛骨骨折紙基模型在臨床的應(yīng)用研究，可以得到如下結(jié)論：（1）以DICOM文件為數(shù)據(jù)源的三維建模方法可以得到比較準確的膝關(guān)節(jié)三維模型。（2）將膝關(guān)節(jié)紙基模型用于診斷和手術(shù)可以大大縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)的質(zhì)量，增加手術(shù)成功率。（3）膝關(guān)節(jié)紙基模型為母?？梢灾谱鞒雠c患者膝關(guān)節(jié)面匹配良好的修復(fù)假體。        4  展望   

18、60;   隨著基礎(chǔ)科學(xué)研究和邊緣學(xué)科研究的進展，骨科的臨床實踐正在發(fā)生明顯的改變。特別是基因研究的深入，將來可以通過功能基因組學(xué)等技術(shù)早期診斷疾病從而及早采取預(yù)防措施。骨科疾病的基因治療目前多限于動物模型，但是已有多項關(guān)節(jié)炎臨床試驗正在進行之中1012。納米技術(shù)的發(fā)展為仿生材料的臨床應(yīng)用創(chuàng)造了條件13。在不久的將來，金屬及塑料材料的應(yīng)用將會減少，取而代之的是有細胞活性的生物材料7，8。現(xiàn)在，快速成型的技術(shù)正朝著精密化、高精度、標準化、低成本等方向發(fā)展，并且可以實現(xiàn)真正意義上的綠色制造14。采用生物材料作為原材料直接成型的個性化假體將是RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢?！緟⒖?/p>

19、文獻】    1  王運贛.快速成型技術(shù).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999，1-3.        2  王臻，膝勇，李滌塵，等.基于快速成型的個體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制-計算機輔助設(shè)計與制造.中國修復(fù)重建外科雜志，2004，18(5)：347-351.        3  張虎，李滌塵，孫明林，等.定制化單側(cè)膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計與快速制造方法研究.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2003，22(4)：266-268；273.        4  趙濤，翁磊，尤玉華，等.膝關(guān)節(jié)外傷性骨軟骨骨折的X線和M