快速成型制造个体化金属植入物在骨科应用的展望(一)

1、快速成型制造个体化金属植入物在骨科应用的展望 一【摘要】针对骨病、骨肿瘤，最理想的治疗方法是根据患者病骨的几 何解剖状态，专门设计制定个体化治疗方案，个体化治疗中涉及到个 体化植入物的应用。现存的金属植入物缺乏个体匹配性。基于反求工 程和快速成形技术直接制造的个体化金属植入物，解决了目前个体化 植入物翻模制造、周期较长的问题。采用新型材料作为原材料直接成 型出个体化金属植入物将是快速成形技术在骨科应用的开展方向。【关键词】快速成型 ;个体化 ;金属植入物 Abstract:Theidealtreatmentofosteonosusandbonetumorisindividualizedtre

2、atmentwithindividualizedimplantsonthebasisofpatient ' sgeometricalanato miccondition.Traditionalmetalimplantsarelackofindividualmatching.Thene windividualizedmetalimplantisbasedonreverseengineeringandrapidprototy pingtechnique,andhassolvedtheproblemsoflongperiodmanufacturalproced ureinthetraditi

3、onaltechnique.Newtypeofmaterialisappliedforrapidprototyp ingdirectly.Itwouldbethedevelopingtendencyinorthopedicapplication.Keywords：rapidprototyping;individualized;metalimplant 随着骨缺损、骨肿瘤病例的增多，金属植入物被更广泛地应用于骨科 临床，由于人骨骼的不规那么性，常常遇到植入物与患区骨骼不匹配， 须临时对植入物进行塑型、拼对，这对植入物造成了磨损，且塑型的 植入物难以获得满意的形状，仍与患区匹配不佳，同时延长了手术

4、时 间，从而影响了手术效果。假设术前能针对不同的患者定制手术所需金属植入物，不仅使植入物与患区获得良好的匹配，而且缩短了手术时 间。针对骨病、骨肿瘤，最理想的治疗方法是根据患者病骨的几何解 剖状态，专门设计制定个性化治疗方案，个体化治疗中涉及到个体化 植入物的应用。从生物医学工程的角度植入物须满足： (1)足够的机械 强度，以承受机体的自重和运动时的冲击 ;(2)个体匹配性，以与缺损部 位和周围的组织相匹配 ;(3)具有良好生物组织相容性 1、2。然而，现 存的金属植入物缺乏个体匹配性。随着材料学和计算机辅助工程学的 迅速开展，植入物的加工工艺越来越精细，并使得个体化的设计、制 造普及成为可能

5、。1 计算机辅助设计个体化金属植入物1.1 患区骨骼的三维重建CT薄层扫描患处，准确提取人体骨骼断层截面数据，即骨的断层横截 面图像。由于各层图像既包含骨的轮廓，又包含软骨和其他组织的图 案，因此，必须采取合理的图像处理技术对各层图像进行二值化处理， 以便获得骨横截面的清晰图案，然后进一步获得骨骼的轮廓图像，最 后通过矢量化 (离散化 )处理获得骨骼轮廓的矢量图形文件。 将数据导入 医学专用影像处理软件进行处理，利用阈值分割和区域增长功能去除 软组织，得到清晰的人体骨骼三维图像。重建的三维图像与实物原形 十分接近，杨连平等3报道三维CT影像测量精确性高、可重复性好， 三维图像与原型的测量差值为

6、 0.150.27mm。三维图像的精确度取决 于CT扫描的断层厚度，层厚大于2mm图像会出现伪影，造成三维建 模失真;层厚越小，三维模型越接近于真实原形。三维解剖学建模应用 于临床可准确测定人体骨骼病变部位的范围及大小，有助于诊断、治 疗及教学科研的直观便捷 ;同时也方便医患交流以及远程诊疗，此技术 已越来越多地应用于多个学科的疾病诊断与治疗中 4。1.2 个体化手术方案的制订骨科医生往往依靠X线片或CT片等制定手术方案，而缺乏术前手术设 计，不能很好地估计手术中遇到的问题，计算机辅助手术设计模拟系 统的开展，为解决此问题创造了有利条件。将 CT获取的人体断层图像 数据导入计算机软件，可以绘制

7、出一个容易操作的三维地图，在这地 图上集中了手术时所能观察到的形态信息、手术预定部位的范围及随 手术过程而发生的形态变化的预后图。计算机模拟手术技术是通过人 工交互的方式将待移动模块逐步移动到适当的位置，按照软、硬 组织移动比例关系修改软硬组织的边界形状。在三维解剖数据模型上 实现模拟手术操作如三维截骨，手术部位及切口方向可任意选择逐层 “切开并三维显示。术前医生通过三维重构图像了解手术部位及邻近区 域的解剖结构，预先模拟手术过程，对可能遇到的问题，事先考虑补 救方法和预防措施， 并通过不同手术方案的模拟比拟各种方案的优劣， 找出较好方案 ;通过体外模拟仿真操作以确定手术方案的正确性 5。1.

8、3 个体化金属植入物的设计计算机辅助设计的个体化植入物，是对CT影像和数据进行有限元分析 的方法，设计出有限元模型并制造出植入物，使植入物更适合于人体的生物力学和运动功能6。反求工程reverseengineering, RE是基于一 个可以获得的实物模型构造出它的设计概念，并可通过对重构模型特 征参数的调整和修改到达对实物模型的逼近或修改。它是基于实物测 量数据的计算机辅助设计方法，是一种特殊的CAD方法，该方法已广泛应用于通过CT图像构建医学模型，这种CAD模型不同于一般的影像 模型,其数据格式可以直接用于加工和制作工程 7。随着非侵入诊断 技术如CT、MR和正电子放射断层扫描PET的开展

9、，医生能够较易获 得病人有关部位的一组二维断层图像,以此为工作根底反求工程在医 学领域得到了较广泛的应用 8、 9。植入物的个体匹配与否,设计过程 是一个决定全局的环节。 首先必须获得骨骼的多层断面轮廓图像数据, 其次必须采取合理的图像处理手段提取骨骼轮廓。植入物与人骨实现 个体化匹配的关键是通过曲面反求实现植入物的原位设计,植入物的 设计必须符合人体工程学、生物力学要求,同时要解决植入物体内定 位的问题。植入物的设计往往需要临床经验丰富且具能熟练掌握运用 CAD 软件的医师,且设计过程复杂。根据医师的临床经验、模拟手术 的预后图, 构建出个体化植入物的大小、 形状、安放位置及固定方式。 因此

10、如何简化植入物设计过程、优化设计程序成为反求工程临床应用 的开展方向。2 个体化金属植入物的制造快速成型技术rapidprototyping , RP是国外20世纪80年代后期开展起 来的一门新兴技术，是指在计算机的协助下，根据物体的计算机辅助 设计CAD模型或CT等数据，通过材料的精确堆积，制造原型的一种基 于离散、堆积成型原理的新的数字化成型技术。由于 CT扫描与RP切 片的数据格式极其相似，通过对 CT数据转化，实现生物体外表轮廓的 反求，可以精确复制与生物形体相同的形体。它是一种增加法制造方 式，其设想突破了传统的 “毛坯-切削-加工 -装配-成品这一制造模式， 集中表达了计算机辅助设

11、计、激光加工、精密数控和新材料开发等多 学科、多技术的综合应用 10、 11。 RP 主要方法有：采用光敏树脂材 料通过激光照射逐层固化的光固化成型法、采用纸材等薄层材料通过 逐层粘结和激光切割的叠层实体制造法、采用粉状材料通过激光选择 性烧结逐层固化的选择性激光烧结法和熔融材料加热熔化挤压喷射冷 却成型的熔融沉积制造法12。其原理是先将CAD生成的三维实体模型 通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动 控制激光光束，扫射薄层使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计 的实体原型 13。该技术可制作几何形状任意复杂的实体，而不受传统 机械加工方法中刀具无法到达某些型面的限制。特

12、别适用于骨科特殊 部位金属植入物的制造：如四肢恶性肿瘤切除后假体的制造，人工关 节的制造等。近年来，反求工程与快速成型技术相结合在医疗领域的 应用是当前一个重要的研究方向 14。RP技术可以根据特定病人的断层图像数据，而不是标准的解剖学几何 数据来设计并制作植入物， 这样极大地减少了植入物设计的出错空间， 并且这种适合每个病人的解剖结构的个体定制化植入物确实能保证一个更好的手术结果。这种与病人病患处完美配合的植入物可以帮助骨 科医生大大缩短手术操作时间。为了改良个体匹配植入物的设计与制 造的速度和精度， 缩短病人的等待时间和提高植入物外形的匹配程度， 直接将所需植入物的断层图像数据转化为快速成

13、型分层制造的轮廓数 据格式并快速制造植入物的实体原型，对其形状的修改和编辑在 CAD 原型上进行。这种方法具有速度快、精度高的特点，能很好地满足个 体匹配植入物对设计制造的速度和精度的要求。 高勃等 15通过螺旋 CT 图像重建人下颌骨三维数据并制作单侧骨缺损模型，采用健侧数据镜 像反转方法获得修复缺损的植入体 CAD数据模型，用SLS法将CAD数 据转换成蜡模，经失蜡铸造制作纯钛植入体，通过定点测量比拟植入 体与CAD模型的几何差异，实验说明所制作的钛植入体形态自然，尺 寸精度高，认为应用SLS法定制修复下颌骨缺损的植入体精度高， 耗时 短，是一种很有前景的个性化修复下颌骨缺损的方法。较传统的金属 植入物制造工艺具有诸多优