快速成型制造個體化金屬植入物在骨科應(yīng)用的展望(一)

1、快速成型制造個體化金屬植入物在骨科應(yīng)用的展望 一【摘要】針對骨病、骨腫瘤，最理想的治療方法是根據(jù)患者病骨的幾 何解剖狀態(tài)，專門設(shè)計制定個體化治療方案，個體化治療中涉及到個 體化植入物的應(yīng)用?，F(xiàn)存的金屬植入物缺乏個體匹配性?；诜辞蠊?程和快速成形技術(shù)直接制造的個體化金屬植入物，解決了目前個體化 植入物翻模制造、周期較長的問題。采用新型材料作為原材料直接成 型出個體化金屬植入物將是快速成形技術(shù)在骨科應(yīng)用的開展方向。【關(guān)鍵詞】快速成型 ;個體化 ;金屬植入物 Abstract:Theidealtreatmentofosteonosusandbonetumorisindividualizedtre

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

3、onaltechnique.Newtypeofmaterialisappliedforrapidprototyp ingdirectly.Itwouldbethedevelopingtendencyinorthopedicapplication.Keywords：rapidprototyping;individualized;metalimplant 隨著骨缺損、骨腫瘤病例的增多，金屬植入物被更廣泛地應(yīng)用于骨科 臨床，由于人骨骼的不規(guī)那么性，常常遇到植入物與患區(qū)骨骼不匹配， 須臨時對植入物進行塑型、拼對，這對植入物造成了磨損，且塑型的 植入物難以獲得滿意的形狀，仍與患區(qū)匹配不佳，同時延長了手術(shù)

4、時 間，從而影響了手術(shù)效果。假設(shè)術(shù)前能針對不同的患者定制手術(shù)所需金屬植入物，不僅使植入物與患區(qū)獲得良好的匹配，而且縮短了手術(shù)時 間。針對骨病、骨腫瘤，最理想的治療方法是根據(jù)患者病骨的幾何解 剖狀態(tài)，專門設(shè)計制定個性化治療方案，個體化治療中涉及到個體化 植入物的應(yīng)用。從生物醫(yī)學(xué)工程的角度植入物須滿足： (1)足夠的機械 強度，以承受機體的自重和運動時的沖擊 ;(2)個體匹配性，以與缺損部 位和周圍的組織相匹配 ;(3)具有良好生物組織相容性 1、2。然而，現(xiàn) 存的金屬植入物缺乏個體匹配性。隨著材料學(xué)和計算機輔助工程學(xué)的 迅速開展，植入物的加工工藝越來越精細(xì)，并使得個體化的設(shè)計、制 造普及成為可能

5、。1 計算機輔助設(shè)計個體化金屬植入物1.1 患區(qū)骨骼的三維重建CT薄層掃描患處，準(zhǔn)確提取人體骨骼斷層截面數(shù)據(jù)，即骨的斷層橫截 面圖像。由于各層圖像既包含骨的輪廓，又包含軟骨和其他組織的圖 案，因此，必須采取合理的圖像處理技術(shù)對各層圖像進行二值化處理， 以便獲得骨橫截面的清晰圖案，然后進一步獲得骨骼的輪廓圖像，最 后通過矢量化 (離散化 )處理獲得骨骼輪廓的矢量圖形文件。 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 醫(yī)學(xué)專用影像處理軟件進行處理，利用閾值分割和區(qū)域增長功能去除 軟組織，得到清晰的人體骨骼三維圖像。重建的三維圖像與實物原形 十分接近，楊連平等3報道三維CT影像測量精確性高、可重復(fù)性好， 三維圖像與原型的測量差值為

6、 0.150.27mm。三維圖像的精確度取決 于CT掃描的斷層厚度，層厚大于2mm圖像會出現(xiàn)偽影，造成三維建 模失真;層厚越小，三維模型越接近于真實原形。三維解剖學(xué)建模應(yīng)用 于臨床可準(zhǔn)確測定人體骨骼病變部位的范圍及大小，有助于診斷、治 療及教學(xué)科研的直觀便捷 ;同時也方便醫(yī)患交流以及遠(yuǎn)程診療，此技術(shù) 已越來越多地應(yīng)用于多個學(xué)科的疾病診斷與治療中 4。1.2 個體化手術(shù)方案的制訂骨科醫(yī)生往往依靠X線片或CT片等制定手術(shù)方案，而缺乏術(shù)前手術(shù)設(shè) 計，不能很好地估計手術(shù)中遇到的問題，計算機輔助手術(shù)設(shè)計模擬系 統(tǒng)的開展，為解決此問題創(chuàng)造了有利條件。將 CT獲取的人體斷層圖像 數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機軟件，可以繪制

7、出一個容易操作的三維地圖，在這地 圖上集中了手術(shù)時所能觀察到的形態(tài)信息、手術(shù)預(yù)定部位的范圍及隨 手術(shù)過程而發(fā)生的形態(tài)變化的預(yù)后圖。計算機模擬手術(shù)技術(shù)是通過人 工交互的方式將待移動模塊逐步移動到適當(dāng)?shù)奈恢?，按照軟、?組織移動比例關(guān)系修改軟硬組織的邊界形狀。在三維解剖數(shù)據(jù)模型上 實現(xiàn)模擬手術(shù)操作如三維截骨，手術(shù)部位及切口方向可任意選擇逐層 “切開并三維顯示。術(shù)前醫(yī)生通過三維重構(gòu)圖像了解手術(shù)部位及鄰近區(qū) 域的解剖結(jié)構(gòu)，預(yù)先模擬手術(shù)過程，對可能遇到的問題，事先考慮補 救方法和預(yù)防措施， 并通過不同手術(shù)方案的模擬比擬各種方案的優(yōu)劣， 找出較好方案 ;通過體外模擬仿真操作以確定手術(shù)方案的正確性 5。1.

8、3 個體化金屬植入物的設(shè)計計算機輔助設(shè)計的個體化植入物，是對CT影像和數(shù)據(jù)進行有限元分析 的方法，設(shè)計出有限元模型并制造出植入物，使植入物更適合于人體的生物力學(xué)和運動功能6。反求工程reverseengineering, RE是基于一 個可以獲得的實物模型構(gòu)造出它的設(shè)計概念，并可通過對重構(gòu)模型特 征參數(shù)的調(diào)整和修改到達對實物模型的逼近或修改。它是基于實物測 量數(shù)據(jù)的計算機輔助設(shè)計方法，是一種特殊的CAD方法，該方法已廣泛應(yīng)用于通過CT圖像構(gòu)建醫(yī)學(xué)模型，這種CAD模型不同于一般的影像 模型,其數(shù)據(jù)格式可以直接用于加工和制作工程 7。隨著非侵入診斷 技術(shù)如CT、MR和正電子放射斷層掃描PET的開展

9、，醫(yī)生能夠較易獲 得病人有關(guān)部位的一組二維斷層圖像,以此為工作根底反求工程在醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用 8、 9。植入物的個體匹配與否,設(shè)計過程 是一個決定全局的環(huán)節(jié)。 首先必須獲得骨骼的多層斷面輪廓圖像數(shù)據(jù), 其次必須采取合理的圖像處理手段提取骨骼輪廓。植入物與人骨實現(xiàn) 個體化匹配的關(guān)鍵是通過曲面反求實現(xiàn)植入物的原位設(shè)計,植入物的 設(shè)計必須符合人體工程學(xué)、生物力學(xué)要求,同時要解決植入物體內(nèi)定 位的問題。植入物的設(shè)計往往需要臨床經(jīng)驗豐富且具能熟練掌握運用 CAD 軟件的醫(yī)師,且設(shè)計過程復(fù)雜。根據(jù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗、模擬手術(shù) 的預(yù)后圖, 構(gòu)建出個體化植入物的大小、 形狀、安放位置及固定方式。 因此

10、如何簡化植入物設(shè)計過程、優(yōu)化設(shè)計程序成為反求工程臨床應(yīng)用 的開展方向。2 個體化金屬植入物的制造快速成型技術(shù)rapidprototyping , RP是國外20世紀(jì)80年代后期開展起 來的一門新興技術(shù)，是指在計算機的協(xié)助下，根據(jù)物體的計算機輔助 設(shè)計CAD模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的精確堆積，制造原型的一種基 于離散、堆積成型原理的新的數(shù)字化成型技術(shù)。由于 CT掃描與RP切 片的數(shù)據(jù)格式極其相似，通過對 CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)生物體外表輪廓的 反求，可以精確復(fù)制與生物形體相同的形體。它是一種增加法制造方 式，其設(shè)想突破了傳統(tǒng)的 “毛坯-切削-加工 -裝配-成品這一制造模式， 集中表達了計算機輔助設(shè)

11、計、激光加工、精密數(shù)控和新材料開發(fā)等多 學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用 10、 11。 RP 主要方法有：采用光敏樹脂材 料通過激光照射逐層固化的光固化成型法、采用紙材等薄層材料通過 逐層粘結(jié)和激光切割的疊層實體制造法、采用粉狀材料通過激光選擇 性燒結(jié)逐層固化的選擇性激光燒結(jié)法和熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷 卻成型的熔融沉積制造法12。其原理是先將CAD生成的三維實體模型 通過分層軟件分成許多細(xì)小薄層，每個薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動 控制激光光束，掃射薄層使其固化，以逐層固化的薄層累積成所設(shè)計 的實體原型 13。該技術(shù)可制作幾何形狀任意復(fù)雜的實體，而不受傳統(tǒng) 機械加工方法中刀具無法到達某些型面的限制。特

12、別適用于骨科特殊 部位金屬植入物的制造：如四肢惡性腫瘤切除后假體的制造，人工關(guān) 節(jié)的制造等。近年來，反求工程與快速成型技術(shù)相結(jié)合在醫(yī)療領(lǐng)域的 應(yīng)用是當(dāng)前一個重要的研究方向 14。RP技術(shù)可以根據(jù)特定病人的斷層圖像數(shù)據(jù)，而不是標(biāo)準(zhǔn)的解剖學(xué)幾何 數(shù)據(jù)來設(shè)計并制作植入物， 這樣極大地減少了植入物設(shè)計的出錯空間， 并且這種適合每個病人的解剖結(jié)構(gòu)的個體定制化植入物確實能保證一個更好的手術(shù)結(jié)果。這種與病人病患處完美配合的植入物可以幫助骨 科醫(yī)生大大縮短手術(shù)操作時間。為了改良個體匹配植入物的設(shè)計與制 造的速度和精度， 縮短病人的等待時間和提高植入物外形的匹配程度， 直接將所需植入物的斷層圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為快速成

13、型分層制造的輪廓數(shù) 據(jù)格式并快速制造植入物的實體原型，對其形狀的修改和編輯在 CAD 原型上進行。這種方法具有速度快、精度高的特點，能很好地滿足個 體匹配植入物對設(shè)計制造的速度和精度的要求。 高勃等 15通過螺旋 CT 圖像重建人下頜骨三維數(shù)據(jù)并制作單側(cè)骨缺損模型，采用健側(cè)數(shù)據(jù)鏡 像反轉(zhuǎn)方法獲得修復(fù)缺損的植入體 CAD數(shù)據(jù)模型，用SLS法將CAD數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換成蠟?zāi)?，?jīng)失蠟鑄造制作純鈦植入體，通過定點測量比擬植入 體與CAD模型的幾何差異，實驗說明所制作的鈦植入體形態(tài)自然，尺 寸精度高，認(rèn)為應(yīng)用SLS法定制修復(fù)下頜骨缺損的植入體精度高， 耗時 短，是一種很有前景的個性化修復(fù)下頜骨缺損的方法。較傳統(tǒng)的金屬 植入物制造工藝具有諸多優(yōu)