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1快速成型技術在臨床醫學上的應用

采用箔材(如紙等材料)的分層實體制造LOM(LanminatedObjectmanufacturing)方法,以事先涂有熱熔膠紙為基本構形材料,厚度0.125mm,在計算機控制下,自動將三維數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,數小時內即可快速形成任意復雜形狀的三維物體,成型件精度可達0.2mm,具有與硬木制品相當的硬度,稍作表面處理后可在200℃以下的環境中使用,如果用這種設備制作模具,完全可以用于醫學高分子材料(如醫用硅橡膠)件的模壓制作[2]。

1.1數字化信息的提取

從醫院的CT、核磁共振及光學掃描等設備中獲取患者的DICOM格式文件,并保存于硬盤中。傳統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CT域值和曲率域值選擇相應區域進行邊界提取,而后并根據邊界情況予以取舍,滿意后以文本格式將截面輪廓輸出。由于采用直接讀取DICOM文件的數字化信息,減少了中間轉化環節,從建構方式上提高了制件精度。

1.2數據篩選與匹配

由DICOM文件轉化后的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文件轉化后得到的數據點數量太多,而且匹配狀況差。(2)不同截面包含的封閉曲線數目不等。(3)在應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。這些問題直接導致三維重建模型的表面扭曲,甚至無法重構,為確保三維模型的建立,應對得到的圖形進行分析,按照平滑重構的原則分塊重構,通過找出各截面的型心,用扇掃與分段對應的方式保證重構過程中的表面平滑,根據不同數目封閉曲線構成情況將相鄰截面求交,得到新的截面后與相應截面重構,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,然后用起點對齊的方式處理,可得到建立三維CAD模型數據點,并以IBL格式保存該數據文件。

1.3曲線生成與三維重建

在Pro/E環境下,輸入處理后的IBL格式數據文件,即可得到若干條基準曲線,為了使生成的實體表面光順,用3次有理B-樣條對曲線進一步擬合和逼近,這樣就可獲得比較真實的用于構造三維實體的基準曲線。用Pro/E中的三維處理命令進行三維重建,得到較真實的三維實體模型塊,通過各個實體模型塊的組合,即可得到所需要的三維實體模型,通過旋轉與縮放,詳細觀察各模型塊之間的結合情況,也可采用一些平滑的方式使結合處更加光順。

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,而且由復雜曲面構成,因此,Pro/E軟件在將其二維集合信息傳輸給快速成型系統制造前,必須對模型曲面進行近似處理,用一系列的小三角形平面片逼近自由曲面,經過近似處理的三維模型由Pro/Interface產生STL格式文件。之后,對三角化后的模型進行修補,因為原有Pro/E模型中可能有缺陷,或者CAD模型三角化形成STL文件過程中產生了數據誤差,導致曲線不封閉,故修改后將STL文件輸人到快速成型系統[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,逐層進行平面切片處理,根據切片處理得到平面截面輪廓,快速成型系統中的成型頭(激光頭或噴頭)在z-y平面內,自動按截面輪廓運動,切割紙得到一層截面輪廓,每層截面輪廓成形之后,快速成型系統將下一層材料送至已成型的輪廓面上,然后進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起,最終形成三維產品[1]。利用Pro/E生成的三維實體模型,可對實體進行簡單的有限元分析(Pro/FEM),還可直接進行模具設計(Pro/Moldesign),通過模型生產模具[1]。

2結束語

快速成型制造技術的使用,為臨床醫學中長期困擾人們的“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,為快速原型制造技術提供了強有力的模型設計工具。

(1)采用DICOM文件作為三維建模的輸入文件,為遠程治療提供了可能,同時在計算機上提供可視化的三維模型,為臨床診療和教學提供了可操作的工具,為不同層次的醫療人員提供了共同對話的參照物[1],有利于醫療人才的培養。

(2)利用醫學影像信息快速制造實物模型可作為輔助手術的一種手段,例如采用手術模擬方法使外科醫生在未進行手術的情況下,預先模擬手術過程,對可能遇到的問題,事先考慮補救方法和預防措施,并通過不同手術方案的模擬比較各種方案的優劣,找出較好方案,使手術快速準確完成[6]。

(3)精確物理模型可直接用于器官移植和矯形手術,一方面可以原型為模具,用傳統方法做替代器官或矯形器械;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,具有更好的生物兼容性[1]。