快速成型制造技術(shù)論文
快速成型制造技術(shù)論文
快速成型技術(shù)是一種先進(jìn)而科學(xué)的原型制造技術(shù)，其主要根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來對(duì)工件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，下面是小編為大家精心推薦的快速成型制造技術(shù)論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>
快速成型制造技術(shù)論文篇一
應(yīng)用快速成型技術(shù)重建人工顱骨
【摘要】 應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)和快速成型技術(shù)，建立個(gè)性化設(shè)計(jì)、制造人工顱骨的快速響應(yīng)體系。通過螺旋CT掃描、CAD三維重建成像、三種快速成型工藝，制成與患者顱骨缺損部位幾何形態(tài)相同的個(gè)性化實(shí)體模型，應(yīng)用翻模工藝和EH復(fù)合型生物活性人工骨材料，制成患者骨修復(fù)治療用顱骨。結(jié)果顯示人工顱骨幾何外形與骨缺損部位非常吻合，與健康側(cè)對(duì)稱，臨床效果非常滿意。三種快速成型工藝中，選擇性激光燒結(jié)法工藝較適合于個(gè)性化實(shí)體模型制作。完成整個(gè)制作流程的最快時(shí)間為2d。應(yīng)用快速成型技術(shù)重建顱骨制作系統(tǒng)為顱骨缺損患者提供了一種可有效提高臨床治療效果和修復(fù)美學(xué)效果的新技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】 快速成型;三維重建;顱骨;生物活性人工骨;個(gè)性化
Abstract：To build up an agile manufacturing architecture of individualized skull plate based on the technologies of CAD/CAM and rapid prototyping. The patients with skull defect were scanned with CT and reconstructed CAD 3-dimentional cranium images. Simulated models which were similar to their own skulls were made by the three kind of machines of rapid prototyping preprocessing, then skull plat were prepared with bioactive artificial bone materials according to the models by the technic of plaster cavity block.The Results indicated that the contour of reconstructed skull were very coincidence, and symmetric with skull defect. The clinical results were satisfactory. The Selected Laser Sintering technic is fit for the manufacture of models of skull defect. The fastest time for accomplish the livelong process is two days.The agile manufacturing architecture of individualized CAD/CAM techniques for skull reconstruction used bioactive artificial bone materials can provide a new means to treatment skull defect, improve operation accuracy, save time and rise beautiful outlook.
Key words：Rapid prototyping;3-dimentional reconstruction;Skull;Bioactive bone;Individuation
1 引 言
快速成型技術(shù)(rapid prototyping, RP)是20世紀(jì)80年代中期誕生的一種新技術(shù)，其綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、精密機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)和材料科學(xué)等先進(jìn)理念，將任何一個(gè)三維實(shí)體都視作為多個(gè)二維平面沿某一軸向疊加而成。RP技術(shù)已在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、模具制造諸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前隨著計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)處理軟件的開發(fā)、完善，RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)，其中在腦顱骨創(chuàng)傷方面的應(yīng)用如顱骨板的計(jì)算機(jī)三維重建和個(gè)性化設(shè)計(jì)制造成為了現(xiàn)實(shí)[1-2],并且結(jié)合生物活性人工骨材料的應(yīng)用,為復(fù)制出與患者顱骨缺損部位幾何形態(tài)高度吻合、具有良好骨融合性的顱骨定制體提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。另一方面便于醫(yī)生的臨床操作。RP技術(shù)的應(yīng)用不僅可有效縮短臨床手術(shù)時(shí)間，而且可明顯提高臨床治療效果和修復(fù)美學(xué)效果[3]。這項(xiàng)工作必須整合幾方面的資源和相關(guān)專業(yè)人員，建立一套快速有效的響應(yīng)機(jī)制，包括數(shù)據(jù)文件傳輸、數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換處理和顱骨定制體制作體系。我們將四年來的工作以及臨床使用1 000多例的體會(huì)報(bào)告如下。
2 材料和方法
2.1 制作流程
計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)重建、定制人工顱骨的流程見圖1。
2.2 CT數(shù)據(jù)采擷
需實(shí)施顱骨修補(bǔ)的患者通過螺旋CT機(jī)行全頭顱平掃，螺旋CT機(jī)應(yīng)選擇4排管以上的, 掃描時(shí)不需加強(qiáng);螺旋掃描層厚要求≤5 mm，掃描范圍由聽眶線向上掃描至顱頂，缺損部需顯露骨窗周邊20 mm以上，并含對(duì)稱側(cè);橫斷面數(shù)據(jù)重建層厚≤2.5 mm，要求重建層厚與重建間距(interval)完全相同(例：上海市第九人民醫(yī)院采用通用公司16排螺旋CT機(jī)平掃，掃描層厚取5 mm，重建層厚取1.25 mm，重建間距取1.25 mm，效果滿意)。重建數(shù)據(jù)不要壓縮，其中定位篇與平篇須分別打包，存于不同文件夾，如兩者無法分開，則舍棄定位篇;將數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)DICOM(digital imaging and communications in medicine)文件格式刻錄進(jìn)光盤或存入U(xiǎn)盤。
2.3 模型的三維重建
采用MIMICS、MedGraphics等一類處理軟件將DICOM圖像文件自動(dòng)讀入，層間隔參數(shù)與掃描重建層厚相同，通過對(duì)骨組織區(qū)域識(shí)別、提取和三維疊加，完成顱骨缺損幾何模型的三維重建。重建好的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出為快速成型機(jī)可識(shí)別的STL格式文件。
2.4 快速成型機(jī)制造
通過對(duì)STL文件進(jìn)行“切片”軟件處理，得到有特定厚度的一系列片層信息及掃描加工路徑信息格式文件，由這些信息經(jīng)過程序處理依次控制快速成型機(jī)，通過黏結(jié)、光固化或燒結(jié)等工藝將模型材料逐層堆積，最終完成顱骨缺損模型實(shí)體。本研究采用了以下三種制造工藝：
(1)分層實(shí)體添加法(laminated object manufacturing，LOM)，采用新加坡KINEGRY公司ZIPPY?1型快速成型機(jī)，以紙片為原料，通過激光燒蝕逐層黏結(jié)制成。
(2)立體光固化成型法(stereo lightgrapy apparatus，SLA)，又稱光敏液相固化法，采用西安交通大學(xué)研制的CPS250B型快速成型機(jī)，以光敏固化樹脂液為原料，通過紫外光照射逐層固化制成。
(3)選擇性激光燒結(jié)法(selected laser sintering，SLS)，采用北京隆源自動(dòng)化成型有限公司生產(chǎn)的AFS-320型激光快速成型機(jī)，以HPS工程塑料粉末為原料，通過激光照射逐層燒結(jié)制成。
2.5 顱骨板翻制成型
將快速成型機(jī)制造完成的顱骨缺損模型實(shí)體翻制成石膏陰模，然后在石膏陰模腔中填入生物活性人工骨材料，待材料固化、脫模、修整后即可制得患者骨修補(bǔ)治療所需要的人工顱骨。生物活性人工骨材料采用由上海第二醫(yī)科大學(xué)研制、上海倍爾康生物醫(yī)學(xué)科技有限公司生產(chǎn)的EH復(fù)合人工骨(又稱EH復(fù)合型骨水泥，產(chǎn)品注冊(cè)號(hào)：國(guó)食藥監(jiān)械(準(zhǔn))字2004第3460378)。此產(chǎn)品由粉劑(羥磷灰石顆粒)和塑型劑(EAM醫(yī)用樹脂)兩部分組成，粉劑和塑型劑按一定比例調(diào)和后，可在室溫下20 min內(nèi)固化。
2.6 臨床應(yīng)用
對(duì)顱骨板作常規(guī)高壓蒸汽滅菌后，使用縫合絲線或顱骨鎖固定及配套的EH復(fù)合型骨水泥對(duì)骨界面進(jìn)行填塞固定。
3 結(jié)果與討論
3.1 CT數(shù)據(jù)處理
存儲(chǔ)進(jìn)光盤或U盤的患者CT數(shù)據(jù)文件的總?cè)萘看蠹s在120兆左右，這包括了定位篇數(shù)據(jù)、平篇數(shù)據(jù)和三維圖像數(shù)據(jù)，其中定位篇數(shù)據(jù)和三維圖像數(shù)據(jù)對(duì)快速成型機(jī)復(fù)制模型而言非必需。因此，如果采用異地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸途徑，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞澈凸?jié)約時(shí)間，往往可采取僅傳輸平篇數(shù)據(jù)的方法解決。平篇數(shù)據(jù)的容量大約在40兆～60兆左右，傳輸前可先通過WinZip或WinRAR壓縮軟件進(jìn)行文件壓縮。
3.2 快速成型技術(shù)工藝
快速成型技術(shù)自誕生以來，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十種工藝，本研究嘗試了其中的三種方法。圖2、圖3和圖4分別對(duì)應(yīng)LOM法、SLA法和SLS法制造的顱骨缺損部位的實(shí)體模型。這三種工藝方法有各自的特點(diǎn)。
LOM法制成的模型表面精度較高，只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，適合做大件和實(shí)體件。但是制作過程中需要人員看護(hù)，以防止紙卷扯斷，且不適宜做薄壁原型，最終完成的蝕刻模型尚需人工剝離，產(chǎn)生的廢料多，原料利用率低，而且在型腔內(nèi)部殘留的碎紙片不易清除;成形件表面比較粗糙并有明顯的臺(tái)階紋;成形件強(qiáng)度差，易吸濕膨脹、分層，不易長(zhǎng)期保存。
SLA法加工的產(chǎn)品有較高的精度和強(qiáng)度，表面質(zhì)量高，適合做小件和精細(xì)件，成形件適宜攜帶和保存。但是系統(tǒng)成本高，其使用的光固化樹脂價(jià)格昂貴，每千克達(dá)上萬元，且原料不宜長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ);此外，在模型制造中需設(shè)計(jì)支撐。
SLS法選材廣泛，可燒結(jié)蠟粉、聚碳酸酯、工程塑料、陶瓷、金屬粉末等多種材料，材料利用率高，制造成本低，造型速度較快，而且燒結(jié)時(shí)無需支撐。但成形件強(qiáng)度和精度不是很高。本研究所使用的燒結(jié)材料為工程塑料，原料成本約為160元/kg。
綜合上述三種制作工藝，就性價(jià)比而言，我們認(rèn)為SLS法比較適合顱骨缺損的重建和個(gè)性化制造。
3.3 生物活性人工骨材料
圖5系采用EH復(fù)合人工骨材料翻制成型的顱骨板，其幾何外形與骨缺損部位實(shí)體模型非常吻合，且與健康側(cè)對(duì)稱，很忠實(shí)地還原了患者缺損位顱骨的解剖形態(tài)。
目前世界范圍用于顱骨缺損修復(fù)的材料主要有羥磷灰石類生物活性陶瓷、鈦金屬板、高密度聚乙烯和硅橡膠等。但由于羥磷灰石類生物陶瓷脆性比較大，難塑型，因此，在臨床上應(yīng)用受到限制。而另幾種材料由于存在臨床操作使用方便之優(yōu)點(diǎn)，因此較容易為醫(yī)生接受。然而這些材料在生物學(xué)性能方面與羥磷灰石材料有很大差別，均為生物惰性材料，長(zhǎng)期植入人體后與骨組織之間界面清晰，不能與骨組織產(chǎn)生骨性結(jié)合。此外，這些材料產(chǎn)品均為預(yù)制件，缺乏個(gè)性化設(shè)計(jì)，對(duì)如額顳部等幾何形態(tài)比較復(fù)雜的部位應(yīng)用時(shí)常常達(dá)不到滿意的美學(xué)效果。
EH復(fù)合人工骨材料的化學(xué)組成和物理特性與人體骨組織都特別相近。材質(zhì)由羥磷灰石粉劑顆粒和EAM醫(yī)用樹脂兩部分組成。EH復(fù)合人工骨固化后化學(xué)性能穩(wěn)定，不溶于水，是熱的良好絕緣體，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，密度與人體骨組織相當(dāng)，不影響CT、MRI成像。EH復(fù)合人工骨在生物相容性方面仍然保持了羥磷灰石所具有的良好骨結(jié)合性[4-6]，同時(shí)具有室溫下可自行固化、塑型容易等特點(diǎn)，因此特別適合于取模澆注制造，對(duì)任何復(fù)雜的形狀都能勝任，在吻合性、圓弧度和固位模式方面均具有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。
3.4 臨床效果
臨床常見病例除了顱骨缺損之外，還有一些比較特殊的病種，如眉弓塌陷、帶眼眶復(fù)合缺損等，復(fù)合人工骨材料更能發(fā)揮其長(zhǎng)處，可任意截取和塑形(見圖6);對(duì)有些顳部凹陷處部位，可通過增加厚度進(jìn)行適當(dāng)墊高，以彌補(bǔ)由于軟組織缺失造成的術(shù)后表觀塌陷，從而得到較佳的美學(xué)效果。
采用計(jì)算機(jī)個(gè)性化設(shè)計(jì)重建、制造、修復(fù)的1 000多例顱骨缺損手術(shù)均一期愈合，無感染、排異等癥狀;個(gè)別修復(fù)前患癲癇的患者在顱骨缺損修復(fù)后病情得到改善;一些原來頭部畸形狀況嚴(yán)重的在缺損修復(fù)后外貌明顯得到改觀。無論是醫(yī)生還是患者都對(duì)術(shù)后美學(xué)效果感到滿意[7-11]，特別是對(duì)有些缺損部位非常大(近乎1/2顱骨區(qū)域)的或兩側(cè)貫串缺損的病例更能體現(xiàn)此修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(見圖7)。經(jīng)過1～3年的術(shù)后隨訪，所有病例的手術(shù)效果均非常滿意。
4 小結(jié)
國(guó)外從90年代起已有研究顱骨成型術(shù)的個(gè)性化設(shè)計(jì)[12]。近年來國(guó)內(nèi)也開始有報(bào)道應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)個(gè)性化設(shè)計(jì)顱骨板的個(gè)別案例[13-14]，但應(yīng)用的材料多為鑄造鈦金屬，制作工藝較煩瑣且加工時(shí)間長(zhǎng)。而本制作系統(tǒng)采用的材料是與骨組織化學(xué)組成相近的生物活性材料,具有良好骨結(jié)合性,加上計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)，因此，制成的人工顱骨的外觀和理化性能與人體顱骨很相似，人工顱骨的幾何外形可以與患者缺損顱骨部位大小一致，能與周圍骨組織形成完美的嵌合銜接，達(dá)到良好的外觀美學(xué)效果，并有利于兩者之間的骨性結(jié)合。此外由于定制人工顱骨的制造周期短，最快的可在2 d內(nèi)完成，因此不僅適合國(guó)內(nèi)醫(yī)院的推廣使用，而且也適合未來國(guó)際市場(chǎng)的需求。
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