徐銳光 楊書程 喬森 郭鈺堅

1 山西省醫(yī)療器械檢測中心 （太原 030012）

2 太原市婦幼保健院 （太原 030012）

3 長治市第二人民醫(yī)院 （長治 046000）

0.引言

人工假體正確的形狀和尺寸是具備應用的基礎(chǔ)條件之一，傳統(tǒng)的建模成型工藝無法精確提取病患輪廓，復原率不高，導致形狀尺寸誤差大，從而限制了使用。本文闡述了如何利用計算機信息處理軟件，將人工股骨頭假體的形狀尺寸快速正確的制作成型，從而提高假體在安裝部位的匹配程度。

1.人工假體節(jié)置換領(lǐng)域的現(xiàn)狀和問題

人工假體置換術(shù)作為有效的治療方法得到了廣泛的應用，目前國內(nèi)所用的人工股骨頭假體只能從固定規(guī)格的系列產(chǎn)品中選取，它與股骨腔吻合的效果較差，直接影像人工關(guān)節(jié)長期穩(wěn)定性、活動度及人工關(guān)節(jié)生物力學性能等。在國外，通過CT 掃描數(shù)據(jù)輸入計算機進行三維實體成型，可制造出與病人骨骼完全一致的模型，用于診斷、治療及模擬手術(shù)過程等用途，同時具備較高的吻合度。

2.三維實體重建

2.1 數(shù)據(jù)的采集

首先要對病人預置換股骨頭處進行CT 掃描，分別進行俯視圖掃描、主視圖掃描，目的是為了得到清晰的股骨頭球面輪廓，如圖1 所示。

通過AutoCAD 中的光柵圖像參考功能將圖片依次導入，并進行紅色標記輪廓識別（圖2）。

2.2 圖像邊界輪廓提取與修整

刪除底片保留輪廓線，利用軟件將其進行貝塞爾曲線修整，結(jié)合CT 掃描的尺寸數(shù)據(jù)按比例調(diào)整為建模尺寸如圖3。

目前關(guān)于三維重建的方法是，通過掃描儀將CT 實體照片以高分辨率模式掃描為電子照片格式，然后利用PS 對其進行二值化處理，使用Freeman 進行鏈碼提取并跟蹤輪廓，再將每個斷層外輪廓數(shù)據(jù)導入AutoCAD 中，組成一個三維體數(shù)據(jù)，再進行曲面重建，最終利用蒙皮法得到三維形體。這種方法可以制造出與病人骨形完全一致的假體，但類似僅需要考慮股骨頭與股骨腔吻合程度的問題而言，只需要精確提取股骨頭球面輪廓尺寸和形狀即可。

2.3 矢量化處理

采用軟件CAXA 實體設(shè)計中的掃描、投影、放樣和布爾運算功能更加快捷的實現(xiàn)建模。

首先將提取修整后的輪廓放入實體設(shè)計環(huán)境，右鍵編輯兩個方向的輪廓截面，以輪廓中心點為基準，按照2:3:5 的比例縮小輪廓，得到同心3 個相同的輪廓截面。然后按照主視圖和俯視圖輪廓顯示的高度，依次放置在底部、中間和頂部，并從上至下依次投影，以頂部底面為起始面，底部上面為終止面進行放樣操作，如圖4。

最后將兩個方向上形成的實體利用三位球同心，進行布爾加法運算，得到組合實體（圖5 紅色區(qū)域），完成股骨頭的三維建模。

圖1.

圖2.

圖3.

圖4.

圖5.

3.快速原型制造

3.1 RPM 成型機

傳統(tǒng)的制造成型過程是利用鑄造制造出毛坯，然后對毛坯進行磨光或拋光，形狀和精度是通過從毛坯上去掉多余的材料來保證的，吻合度不高，而快速成型的基本理念則是在計算機的控制下，將材料精確地堆積成型，無需加工即可制造。

將設(shè)計出的三維實體轉(zhuǎn)換呈快速成型機所能接收的STL 格式，輸入機器，該機的基本原理（圖6）是將實體模型切片成一系列具有一定厚度的薄層，計算機控制其激光束按薄片截面輪廓形狀將薄層材料切割出該層橫截面的形狀，然后層層堆積并得到實體。流程圖（圖7）

3.2 3D 打印成型

3D 打印技術(shù)是根據(jù)CAXA 分層模型所獲得的兩維像素信息，利用噴嘴向待成型體床上噴射粘接劑，每打印完一層后，粉料床通過底部活塞向下移動一段距離，并在粉料床的底部添加新的粉料，再根據(jù)計算機要求向新的粉料床噴射粘接劑，重復此過程，得到實體。主要應用于制造陶瓷、金屬、金屬陶瓷復合材料及高分子材料的假體中。

圖6.

圖7.

4.結(jié)束語

近年來，假體移植手術(shù)不斷增多，不同病人骨骼又都不相同，導致固定規(guī)格假體的吻合度已不能完全滿足要求，而使用計算機信息處理技術(shù)，不僅能夠利用病人的CT 掃描數(shù)據(jù)提高吻合度，還可以通過快速成型實現(xiàn)縮短診療時間的目的，為手術(shù)的安全性、實時性提供了強有力的技術(shù)保障。

[1] 李世普.生物醫(yī)用材料導論.武漢理工大學出版社.2008

[2] 陸曉春.CAXA 實體設(shè)計.北京航空航天大學出版社.2005

[3] 徐躍，梁碧玲.醫(yī)學影像設(shè)備學.人民衛(wèi)生出版社.2010

[4] 胡榮慧，巫北海，張紹祥，譚立文，王建，陸明.髖關(guān)節(jié)CT 三維重建與可視化研究.第三軍醫(yī)大學學報.2007.14