基于RE/RP/RT技术人工骨的快速成形

王宏松，万曼华，彭福官

(九江职业技术学院机械工程学院，江西 九江 332007)

骨骼在人体中起着支撑、连接、运动、保护、传导等重要作用，然而因病理、创伤等其它原因导致人体骨缺损、骨肿瘤病例日益增多。由于骨骼结构不规则，个体缺损的形状和尺寸不一致，所以在形态上保证和原缺损部位一致有较大难度，而且个体与个体之间差异较大[1]。现代手术不仅仅停留在传统修补完整性的基础上，更强调的是功能上的完整性和视觉上的美观性。如果植入的骨骼与患区周围组织匹配不佳，需对人工骨临时进行塑形、拼对等工艺。既延长了手术时间，又影响了手术效果[2]。这就使得人工骨骼不能批量化制造，必须根据病人的实际情况，专门设计个性化的植入骨骼，并制定个性化治疗方案。将数字制造等先进制造技术应用于骨骼的设计与制造解决了骨骼形状复杂和匹配精度不高等问题。既满足了患者的个性化需求又降低了对医师的技术要求。大大提高了人工骨骼的外形精度和缺损部位的配合精度，同时又减少了病人的痛苦时间，增加了手术一次性成功的几率，使个体化设计、制造的普及成为可能。

1 人工骨的数字化开发流程

自1998年美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念以来，诸如数字流域、数字城市、数字化生存、数字人体等以数字为前缀的新概念大量涌现。数字制造即为全球数字化浪潮的重要一环，其内涵包括数字设计、数字制造装备和数字制造技术等研究领域，为产品设计、协同开发、制造过程和制造模式等方面带来一系列变革[3]。人工骨的数字化开发包含:反求工程(RE)、快速成形(RP)和快速制造(RT)，其开发流程如图1所示。

图1 人工骨的开发流程Fig.1 The artificial bone development process

1.1 逆向工程技术

逆向工程是在快速成形技术和先进制造技术的基础上发展起来的一项工程技术。它需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形、计算机辅助制造、产品数据管理等先进技术对其进行处理和管理，进一步修改和再设计。逆向工程主要包括模型数据的获取点、云数据的预处理和曲面重构[4]。文中利用医学重构软件MIMICS对人体头盖骨进行曲面的重构。

1.2 RP 技术

快速成形(Rapid Prototyping)是一种由CAD模型直接驱动，快速生成任意复杂三维实体的制造技术。快速成形技术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术基于一体，从根本上突破了机械制造中传统的受迫加工和去除成形两种加工方法，采用了生长型制造的全新工艺方法。常用的RP成形工艺有:液态光敏聚合物选择性固化(SLA)、薄片材料选择性切割(LOM)、选择性激光烧结成形(SLS)、熔融堆积成形(FDM)、三维打印成形(TDP)。随着生物制造科学的发展，RP技术已广泛应用于生物医学工程领域，主要表现在4个方面[5]:手术策划、植入性假体的制作、控制释放给药系统、组织工程支架。应用场合不同，对快速成形的材料和工艺要求各不一样，具体见表1。

表1 RP应用特点和适用场合Table1 The characteristics and application occasions of Rapid Prototyping

1.3 快速模具制造技术

在医疗领域，快速模具制造技术(Rapid Tooling，即RT)主要用于假体、组织工程支架等制作。由于其需要生物活性材料、高分子材料等，往往RP技术不能直接得到，所以RT技术是快速成形技术RP的自然延伸。

按照模具所能成形的产品批量来分，RT模具可分为:快速软模、快速过渡模和快速正式批量生产模具。在医学领域，模具往往具有个性化的特点，故试制中常采用硅橡胶模具。软模的制造周期短，成本低，弹性好，产品易于脱模，而且具有很好的再现性能，能良好地再现母模上的细小特征。

2 基于RERPRT技术人工骨的成形

根据患者的实际情况，医生建议进行开颅手术，然后进行假体植入，因此需对头盖骨进行个体化的设计和制造。具体流程如下:头骨边界曲线的提取(MIMICS)—头盖骨的CAD三维模型重构(RE)—头盖骨的CAM制造(RP)—头盖骨的快速硅橡胶模具制造(RT)。

2.1 RE技术提取原始影像

在医学工程中，利用逆向工程获取患者骨骼医学影像的方法有多种，目前最常用的方法有:CT(Computer Tomography)扫描图像、螺旋CT扫描、核磁共振扫描成像(MRI)以及三维激光扫描等。通过对患者头部进行CT扫描得到的医学影像总共有100张，将CT连续断层图像数据以DICOM格式保存后，导入CDviewer软件，如图2所示。

图2 头骨原始影像Fig.2 Skull original image

2.2 头盖骨的三维模型重构

头盖骨的三维模型重构(RE)常用的有两种方法，一种是基于CAD系统的医学模型建立，这种方法通过CT扫描得到原始影像数据，通过数据处理软件导入到三维设计软件PROE或者UG里进行实体重构，适用于有实体要求的人工骨骼;另外一种是将通过CT扫描获得的DICOM格式数据导入MIMICS软件里进行三维实体重建，该技术属于表面遮盖重建，而遮盖重建需要设置一个阈值范围，所有在此阈值范围内的CT数据被保留下来进行重建，其余数据全部舍弃[6]，它广泛适用于骨科、神经外科、颌面外科。文中采用MIMICS重建出三维模型，在第4个视图窗口生成三维视图，三维重建结果如图3所示。

图3 头盖骨三维重建Fig.3 The skulls three-dimensional reconstruction

2.3 RP 制造

通过MIMICS软件里的C-SUP模块自动生成快速成形模型过程中所需的支撑结构，然后通过CTM功能模块生成虚拟模型，将文件导出为STL格式文件保存。再将STL格式文件导入到清华大学开发的MEM-300-E型熔融快速成形机系统中，如图4所示。所用材料为ABS，成形工艺参数:层厚为0.2 mm，喷嘴温度为260℃，工作室温度为60℃，其他参数默认设置。成形后零件如图5所示。

图4 快速成形机Fig.4 Rapid prototyping machine

图5 RP成形的头盖骨Fig.5 The skull by RP molding

2.4 快速模具制造

文中所用的RP成形材料为ABS工程塑料，不能直接植入人体，因此需要将RP成形的ABS头骨作为母体，进行快速模具的制造。软模作为一种小批量用模具，具有制造周期短，成本低，弹性好，工件易于脱模，再现性好等优点，其工艺过程如下所述[7]。

1)根据FDM快速成形母模。在母模上，沿着选定的分模面贴一层胶带，并用胶带覆盖住齿轮轮辐上的孔和轴孔，然后用强力胶将流道芯模粘结于母模。

2)制作木浇注框，用油泥密封缝隙，悬挂母模和流道芯模于浇注框之中。

3)注入硅橡胶，同时加入少量的液态硅橡胶和固化剂，以免有气孔产生。

4)烘干固化后，描画分模线，用刀沿着分模线向粘贴的胶带纸方向切开浇注件。取出母模和浇注芯模具，最终得到上下模具。

制作好硅橡胶快速模后，浇注人体工程活性材料。制作出有一定力学强度，透气性能好，无明显的炎症反应、无免疫反应和细胞毒性的人工头盖骨。

3 结语

从现代制造的角度出发，建立了医学器官的数字制造系统，通过阐述RE，RP，RT的原理，结合现代医学技术对人体头骨的一部分进行了三维实体的反求、三维实体的快速原型和基于RP母体的快速模具制造。现代制造工程与医学有机的结合，大大缩短了医用模型、假体植入等的开发时间，缩短了手术等待时间，减轻了病人的痛苦，提高了一次性手术的成功率。

[1]李文超，徐子海，李春森，等.应用数字调控压模法制作颅骨修复材料的研究[J].中国微侵袭神经外科杂志，2004，9(3):129 －131.

[2]涂强，丁焕文.快速成型制造个体化金属植入物在骨科应用的展望[J].中国矫形外科杂志，2009，17(19):1469－1472.

[3]熊有伦，王瑜辉，杨文玉，等.数字制造与数字装备[J].航空制造技术，2008(9):26 －28.

[4]严庆光，孙存友，范金.人脸反求模型的注射成型翘曲变形分析与优化[J].工程塑料应用，2012，40(2):39－42.

[5]张富强，王运赣.快速成形在生物医学工程中的应用[M].北京:人民军医出版社，2009:3－4.

[6]徐亮，范芦芳，周家镇，等.对MimicsV1010软件的三维实体重建方法的研究[J].中国现代药物应用，2008，2(12):32－34.

[7]王运赣.快速模具制造及其应用[M].武汉:华中科技大学出版社，2003:34－44.