臨床醫(yī)學(xué)快速成型技術(shù)作用

臨床醫(yī)學(xué)快速成型技術(shù)作用

1、快速成型技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

采用箔材（如紙等材料）的分層實(shí)體制造

LOM（LanminatedObjectmanufacturing）方法，以事先涂有熱

熔膠紙為基本構(gòu)形材料，厚度0.125mm,在計(jì)算機(jī)控制下，

自動將三維數(shù)字化模型分割成與紙張同樣厚的薄片（平面模

型），用二氧化碳激光器逐層精確割出每層的輪廓形狀，再

逐層熱壓粘接成型。在不需要切削加工和模具的情況下，數(shù)

小時內(nèi)即可快速形成任意復(fù)雜形狀的三維物體，成型件精度

可達(dá)0.2mm,具有與硬木制品相當(dāng)?shù)挠捕?，稍作表面處理?/p>

可在20CTC以下的環(huán)境中使用，如果用這種設(shè)備制作模具，

完全可以用于醫(yī)學(xué)高分子材料（如醫(yī)用硅橡膠）件的模壓制

作⑵。

1.1數(shù)字化信息的提取

從醫(yī)院的CT、核磁共振及光學(xué)掃描等設(shè)備中獲取患者

的DICOM格式文件，并保存于硬盤中。傳統(tǒng)的邊界提取是通

過掃描儀將得到的CT圖像掃入電腦，然后通過灰度信息識

別其邊界，并用一系列的簡單曲線替代［1］。這樣做存在圖

像配準(zhǔn)誤差，在替代過程中又損失了部分邊界信息，降低了

三維重建精度。所以，利用DICOMEDGE軟件將DICOM文件直

接打開，根據(jù)CT域值和曲率域值選擇相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行邊界提

取，而后并根據(jù)邊界情況予以取舍，滿意后以文本格式將截

面輪廓輸出。由于采用直接讀取DICOM文件的數(shù)字化信息，

減少了中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，從建構(gòu)方式上提高了制件精度。

L2數(shù)據(jù)篩選與匹配

由DICOM文件轉(zhuǎn)化后的IBL文件可以在Pro/E中打開,

通過觀察分析可知存在如下問題：（1）由DICOM文件轉(zhuǎn)化后得

到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量太多，而且匹配狀況差。（2）不同截面包含

的封閉曲線數(shù)目不等。（3）在應(yīng)該存在平滑過渡的地方，由

于掃描間距的存在而由平面替代。這些問題直接導(dǎo)致三維重

建模型的表面扭曲，甚至無法重構(gòu)，為確保三維模型的建立,

應(yīng)對得到的圖形進(jìn)行分析，按照平滑重構(gòu)的原則分塊重構(gòu)，

通過找出各截面的型心，用扇掃與分段對應(yīng)的方式保證重構(gòu)

過程中的表面平滑，根據(jù)不同數(shù)目封閉曲線構(gòu)成情況將相鄰

截面求交，得到新的截面后與相應(yīng)截面重構(gòu)，而對于因平面

替代造成失真的地方，可在合適之處用1個較小的圓等分為

與相鄰截面相同的等份，然后用起點(diǎn)對齊的方式處理，可得

到建立三維CAD模型數(shù)據(jù)點(diǎn)，并以IBL格式保存該數(shù)據(jù)文件。

1.3曲線生成與三維重建

在Pro/E環(huán)境下，輸入處理后的IBL格式數(shù)據(jù)文件，

即可得到若干條基準(zhǔn)曲線，為了使生成的實(shí)體表面光順，用

3次有理B-樣條對曲線進(jìn)一步擬合和逼近，這樣就可獲得比

2

較真實(shí)的用于構(gòu)造三維實(shí)體的基準(zhǔn)曲線。用Pro/E中的三維

處理命令進(jìn)行三維重建，得到較真實(shí)的三維實(shí)體模型塊，通

過各個實(shí)體模型塊的組合，即可得到所需要的三維實(shí)體模

型，通過旋轉(zhuǎn)與縮放，詳細(xì)觀察各模型塊之間的結(jié)合情況，

也可采用一些平滑的方式使結(jié)合處更加光順。

1.4由CAD模型生成STL文件

由于人體的骨骼及外形各不相同，而且由復(fù)雜曲面構(gòu)

成，因此，Pro/E軟件在將其二維集合信息傳輸給快速成型

系統(tǒng)制造前，必須對模型曲面進(jìn)行近似處理，用一系列的小

三角形平面片逼近自由曲面，經(jīng)過近似處理的三維模型由

Pro/Interface產(chǎn)生STL格式文件。之后，對三角化后的模

型進(jìn)行修補(bǔ)，因?yàn)樵蠵ro/E模型中可能有缺陷，或者CAD

模型三角化形成STL文件過程中產(chǎn)生了數(shù)據(jù)誤差，導(dǎo)致曲線

不封閉，故修改后將STL文件輸入到快速成型系統(tǒng)［1］。

1.5快速原型制造

在STL文件的三維模型上沿成型的高度方向，每隔一

定的間隔自動提取截面輪廓線信息，逐層進(jìn)行平面切片處

理，根據(jù)切片處理得到平面截面輪廓，快速成型系統(tǒng)中的成

型頭（激光頭或噴頭）在z-y平面內(nèi)，自動按截面輪廓運(yùn)動，

切割紙得到一層截面輪廓，每層截面輪廓成形之后，快速成

型系統(tǒng)將下一層材料送至已成型的輪廓面上，然后進(jìn)行新一

層截面輪廓材料的成型，從而將一層層截面輪廓重合在一

3

起，最終形成三維產(chǎn)品［1］。利用Pro/E生成的三維實(shí)體模

型，可對實(shí)體進(jìn)行簡單的有限元分析(Pro/FEM),還可直接

進(jìn)行模具設(shè)計(jì)(Pro/Moldesign),通過模型生產(chǎn)模具［1］。

2、結(jié)束語

快速成型制造技術(shù)的使用，為臨床醫(yī)學(xué)中長期困擾人

們的“度身定作”問題的解決提供了較為有效的解決方法

和制作手段，而以Pro/E和AutoCAD等為代表的三維造型軟

件系統(tǒng)，為快速原型制造技術(shù)提供了強(qiáng)有力的模型設(shè)計(jì)工

具。

(1)采用DIC0M文件作為三維建模的輸入文件，為遠(yuǎn)

程治療提供了可能，同時在計(jì)算機(jī)上提供可視化的三維模

型，為臨床診療和教學(xué)提供了可操作的工具，為不同層次的

醫(yī)療人員提供了共同對話的參照物［1］,有利于醫(yī)療人才的

培養(yǎng)。

(2)利用醫(yī)學(xué)影像信息快速制造實(shí)物模型可作為輔助

手術(shù)的一種手段，例如采用手術(shù)模擬方法使外科醫(yī)生在未進(jìn)

行手術(shù)的情況下，預(yù)先模擬手術(shù)過程，對可能遇到的問題，

事先考慮補(bǔ)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，找出較好方案，使手術(shù)快速準(zhǔn)確完成

⑹。

(3)精確物理模型可直接用于器官移植和矯形手術(shù)