仿生人工股骨头部3D打印研究

林国金，徐鸿庚

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

1 背景分析

当前医学趋向于向数字化方向发展，其中数字化可简要概括为将信息转化为数字化模型，并利用计算机进行处理的过程。不断发展的计算机技术、信息技术与生命科学相结合，产生了一门崭新的交叉学科：数字骨科学，即在计算机中利用三维重建技术和使用模型处理数据的手段对人体进行骨骼解剖及处理。这个概念最早由裴国献[1]等人提出，志在实现数字化技术与骨科学有机结合，形成一个独立的临床体系，促进骨科技术的发展[2]。

现在正在迅速发展的数字骨科学能够使用三维重建技术建立人体的骨骼模型，并在计算机相关软件中对模型进行分析以及术前模拟，使手术相关数据能够量化判断[3]，而不是仅能够依靠医生的经验化判断，对进行术前规划，减小手术创口，缩短手术时间，以及提高手术的准确性均有重要意义。

2 技术过程

本文以股骨颈骨折为例，探求3D打印对于股骨颈骨折的术前规划和教学工作中的作用。通过选择不同的建模参数，总结出了一种较省时、精度较高的建模方法。并且通过对模型打印时所需的切片方式、打印角度进行选取，优化打印后的去支撑操作，得到结构精度更高的股骨头部模型。

3 对模型精度影响因素的研究

三维模型是根据骨骼的CT图在Mimics软件中经过一系列的操作转化而成的，因此建模过程中对各项功能的使用就成为了影响三维模型的关键因素。利用软件进行三维建模的流程如图1。

图1 建立三维模型的流程图

（1）骨骼分离对模型精度的影响

根据建模流程图，在阈值分割后将目标股骨与肌肉等组织分离开，但是并不能分离股骨头与髋臼，需要进行一些后续处理操作。使用CT Bone Segmentation功能，选取所需骨块上面的点，将非目标骨块上的点设置为Undesired Seed Point，建立出的蒙板。利用蒙板计算三维模型，通过选择更多股骨中的点可将模型进一步完善，可观察到股骨完整的被分离了出来，并且蒙板对骨骼边界的识别效果较好。骨骼分离操作前后的股骨模型如图2。

图2 骨骼分离操作前后的股骨模型

（2）光顺处理对模型精度的影响

在根据蒙板进行三维模型计算时，选择的高的质量参数，得到的模型精度更好，同时表面的粗糙度也更高。因此需要对模型进行光顺处理。为保证股骨头的大小与实际一致，包覆操作时不选择扩张结果选项；由于模型为实心模型，没有生成薄壁结构，故不需要选择薄壁保护；从解剖图册上可观察到股骨头表面相对光滑，因此对小于1 mm的间隙予以闭合操作；最小细节选用不同的参数，对光顺处理后的模型进行截图对比，如图3所示。可观察到随着最小细节值的增大，模型表面越来越光滑，但是取值过大会存在细节丢失问题。

图3 陶瓷马外形图

对模型进行切片查看，观察细节处与CT图像的吻合程度，结果表明在最小细节为0.5 mm时，模型切片与CT图像相符合且表面较光滑。

（3）打印方式规划对模型精度的影响

FDM打印涉及CAD/CAM、数据编程、材料编制、材料制备、参数设置以及后处理等多个环节[4-5]。通过规划合理的打印方式，以得到精度更高的模型。规划主要针对打印角度的规划、支撑结构的生成和切片处理操作。

骨骼模型是表面形状不规则的模型，可选用多种不同的打印角度进行打印，寻找一种合适的角度十分重要。在规划打印角度时，要遵循45°原则，通常超过45°摆放零件时表面质量较好，但也需要考虑生成支撑或者辅助连接来完成打印，小于45°摆放零件时会使样件表面出现较为明显的层纹。由于材料粘结时会在其内部产生收缩应力，好的摆放角度能够减少材料的收缩，防止样件发生变形。规划的四种打印角度如图4所示（角度以股骨模型的下表面为基准）。

图4 四种打印角度

不同的打印角度会生成不同的支撑结构。通过旋转角度，查找不同摆放角度下的孤岛结构，发现股骨头向上60°比40°的情况下、股骨头向下45°比0°的情况下，生成的支撑结构更少。股骨头向上60°与股骨头向下45°两种打印角度下生成的支撑结构如图5所示。

图5 两种打印角度下的支撑结构

对两种打印角度下的模型通过切片处理操作，生成STL格式文件。

（4）打印工艺参数对模型精度的影响

1）分层厚度：是进行3D打印时每一成型层的厚度。由于FDM打印方式为材料的逐层堆积，当制作曲面时，无法避免的会造成表面的台阶型结构，台阶的大小与分层厚度有关，分层厚度越大，台阶越明显，使用较小的分层厚度可以提高零件的表面质量。但是同时分层厚度也不能过小，过小会导致零件的成型层增加，制造时间增加，因此要根据打印时的精度要求合理选择分层厚度的大小。

2）打印温度：打印温度指的是喷嘴的温度，喷嘴温度决定了打印材料的状态，而不同的状态对材料的打印性能有关键作用。打印温度过高，材料则偏向液态，不容易控制；温度过低，材料粘度加大，可能会堵塞喷嘴或者造成两个成型层之间的脱离。最佳打印温度是使材料保持在熔融状态的温度。

3）打印速度：加工模型时，如果打印速度过快，前一层来不及固化成型，可能会造成接下来打印的一层产生坍塌或拉丝的现象；打印速度过慢，前一层完全冷却后才进行下一层的打印，可能会使零件有开裂的倾向。

根据在不同参数条件下打印的对比结果，得到最佳的参数设定值如下：

层厚：0.1 mm；壁厚：1.2 mm；

打印温度：190 ℃；打印速度：30 mm/s。

最终，利用FDM打印机实现模型的制造，在经过模型后处理等操作后得到的股骨头部模型如图6所示。

图6 股骨头部模型

4 结语

本研究针对股骨颈稳定型骨折模型从CT图像到3D打印成品过程中的一系列问题进行了研究。以股骨颈骨折为例，探求了3D打印对于股骨颈骨折的术前规划和教学工作中的作用。通过选择不同的建模参数，总结出了一种较省时、精度较高的建模方法，并研究了对模型精度的影响因素。研究了骨骼分离操作、光顺处理操作、打印方式的规划以及打印工艺参数的规划对模型精度的影响。

在打印后通过对模型支撑结构的去除等后处理操作，最终完成了模型的制造，为骨科手术的术前规划、导航模版的制作等提供了更有效的建模方案。