仿真膝关节模型的制作与应用*

            作者：黄建国，史庆南，严继康，常敏，郭英，邓乐巧，刘 波，赵晋济

【摘要】  本文回顾了快速成形技术在医学的临床应用情况。描述了快速成形技术在胫骨外踝骨折的一般步骤和临床应用情况。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1.0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节胫骨骨折的边界，将边界曲线输入CAD系统建立三维模型再生成STL文件；采用ZSW-I-A型激光快速成型机将STL文件加工成胫骨外踝骨折的纸基模型。将该纸基模型用于临床取得了较为理想的效果。
   
    【关键词】  快速成型；膝关节模型；CT；DICOM
    
    【Abstract】  This  paper  has  reviewed  the  clinical  practice  situation  in  medical  science  about rapid prototyping technology.  Described rapid prototyping technology general step and clinical practice situation that the ankle bone rolls over . Getting CT image picture of the whole knee joint with spiral CT， it is 1.0mm to scan one slice of intervals. Use DICOM file as the data source and get two-dimensional CT image of the knee joint through the relevant software. Using figure software edit and get shin bone fracture border of knee joint then export the border curve to CAD system and set up the three-dimensional model and export STL file again from CAD system； Paper base model that the ankle bone converts into tibi outside adopting the laser rapid prototyping machine of Model ZSW-I-A and processing STL file into the shin bone. Have used this paper base model on clinically and have got comparatively ideal results.
   
    【Key words】  rapid prototyping；knee joint model；CT；DICOM
   
    快速成型技术是将机辅助设计CAD，计算机辅助制造CAM，计算机数字控制CNC，激光，精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体，依照计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择地切割一层一层的纸基（或固化一层层的液态树脂、烧结一层层的粉末塑料），或喷射源选择地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面轮廓，并逐步叠加成三维产品，从而获得所需的模型或产品的方法［1］。人膝关节是人体最主要也是最重要的关节之一。由于其在临床医学、康复工程、生物机械工程等领域的重要研究价值和应用前景，长期以来吸引了大量的生物力学研究者投入对其的研究［2～6］。利用精确的物理模型可直接用于膝关节的移植和矫形手术，可以以原型为模具，用传统方法做替代膝关节或矫形器械；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体，与合金制品相比，具有更好的生物兼容性。其具体的优点是生产周期短；人工骨与被代替骨形基本一致，有利于保持与原有其他器官的匹配；人工骨内部具有微孔结构，组织液和骨细胞容易长入，促进修复过程；在人工骨内部有骨因子，可使人工骨很快与人体微循环组织连通［7，8］。
   
    1  三维模型的重建
   
    制作膝关节模型的技术工作流程是：三维重建→原型加工→快速模具→膝关节模型浇注→后处理（见图1）。

                      图1  膝关节模型制作的技术流程
   
    1.1  DICOM文件的读取  通过螺旋CT对某男性的膝关节扫描得到该患者的膝关节的DICOM文件，扫描层间距为1.0mm，层数为116层。通过相关软件读取该患者的DICOM文件，得到二维的膝关节CT图像，如图2所示。通过平面图形处理软件可以将股骨从图2重分离出来而得到膝关节骨的二维CT图像，如图3所示。

图2  胫骨外踝骨折的CT影像

                       图3  胫骨骨折的轮廓
   
    1.2  边界轮廓的提取和三维重建［9］  用平面图形处理软件对胫骨外踝骨CT图像进行处理可以得到外踝骨的CT轮廓，如图3所示。对图3运用反色命令即可得到外踝骨的边界轮廓，如图4所示。将图4转换成三维建模软件可以接受的文件格式，经过曲线输入与编辑、曲面生成和曲面封闭等步骤即可以得到胫骨骨折的三维重建机模型，如图5所示。将外踝骨的三维重建模型以STL文件格式输出，STL文件为一般快速成型机进行加工的文件格式。
   
    1.3  仿真膝关节模型的制作  本研究所采用的快速成型机为精技机电（上海）有限公司生产的ZSW-I-A型激光快速成型机，主要加工参数为轮廓切割功率为11W，网格切割功率为17W，切割速度为400mm/s，加工时间为7h。在STL文件输入快速成型机加工之前须对其进行分析及编

图4  胫骨骨折的边界

图5  胫骨骨折的CAD模型辑：一是对STL文件的编辑检查看文件是否破损；二是结合快速成型系统的有效工作尺寸，决定是否将工件分成几个小工件来制作；三是综合考虑工件尺寸、精度、成本以及后处理等多方面因素决定工件的加工方向。将已经准备好的STL文件输入快速成型机，准确设置好参数，将工件加工成纸基件。膝关节模型做好下机后，用夹具夹持一天，防止开裂及变形，然后对加工好的工件进行后处理，包括：剥离、打磨、修补、抛光和上漆等步骤。再将处理好后的膝关节模型与原型进行测量相对比，检验其误差是否在允许范围之内。这样后处理好的工件作为模板可制作出各种材料的母模，如硅橡胶母模、砂模、金属模等。在纸基件的后处理过程中，必须保证尺寸尽量与三维模型文件的尺寸一致，工件表面要有足够的光滑度，纸基件表面要喷一层水晶漆以防止其吸收空气中水分变潮而引起尺寸偏差，同时也可防止在硅胶模制作过程中硅橡胶渗入到纸基件内部引起纸基原型尺寸变化。制作膝关节修复体是将缺损膝关节的CT数据转化为STL格式，缺损模型像前述方法一样用光敏树脂制成。用硬质石膏翻制模型，石蜡浇注制作熔模，磷酸盐或石英砂等包埋料进行包埋，制作出铸型，然后通过铸型烘烤、焙烧熔模后，即可进行浇铸成型，得到复杂结构的修复体。基于膝关节模型制造的优点在于：提高了适应性及美观度，缩短手术时间，减少术后并发症。
   
    2  仿真膝关节模型的应用
   
    2.1  骨科临床手术的策划  快速成型技术可以快速获得所需的器件原型，外科医生在未进行手术的情况下，可预先模拟手术过程，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较各种方案的优劣，找出较好方案，使手术快速准确完成。经过专家会诊和征求患者意见基础上，采取了如下措施： 在胫骨骨折处切开，将塌陷的关节面向上撬起，并用人工骨垫于塌陷处，然后将骨折处用骨螺钉固定。由于确定了较为合理的手术方案，使手术一次性成功地完成。术后患者膝关节功能恢复良好，无不适反应。
   
    2.2  假体工程  膝关节模型的制作可以为临床医学中的“量身定做”问题的解决提供较为有效的解决方法和制作手段，适用于整形外科和假体工程，将RP和CT、MRI技术结合能辅助外科医生迅速准确地实施复杂外科手术，制作膝关节修复体，辅助正畸等。运用膝关节模型，设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体，这样就极大地减少了种植体设计的出错空间，并且这种适合每个病人解剖结构的种植体确实能设计一个更好的手术结果。能制作出与病人完美配合的种植体，这一点可帮助外科医生大大缩短手术操作的时间。这不但让病人减少了麻醉时间，还能减少费用。由于有了解剖模型，医生可以有效地与病人沟通，借助于病人自己的解剖模型，可以指出关键的区域，从而增加病人的理解。
   
    3  结论
   
    通过快速原型加工的胫骨骨折纸基模型在临床的应用研究，可以得到如下结论：（1）以DICOM文件为数据源的三维建模方法可以得到比较准确的膝关节三维模型。（2）将膝关节纸基模型用于诊断和手术可以大大缩短手术时间，提高手术的质量，增加手术成功率。（3）膝关节纸基模型为母模可以制作出与患者膝关节面匹配良好的修复假体。
   
    4  展望
   
    随着基础研究和边缘学科研究的进展，骨科的临床实践正在发生明显的改变。特别是基因研究的深入，将来可以通过功能基因组学等技术早期诊断疾病从而及早采取预防措施。骨科疾病的基因目前多限于动物模型，但是已有多项关节炎临床试验正在进行之中［10～12］。纳米技术的为仿生材料的临床应用创造了条件［13］。在不久的将来，金属及塑料材料的应用将会减少，取而代之的是有细胞活性的生物材料［7，8］。现在，快速成型的技术正朝着精密化、高精度、标准化、低成本等方向发展，并且可以实现真正意义上的绿色制造［14］。采用生物材料作为原材料直接成型的个性化假体将是RP技术在医学领域中的发展趋势。

【】

    1  王运赣.快速成型技术.武汉：华中理工大学出版社，1999，1-3.    
    2  王臻，膝勇，李涤尘，等.基于快速成型的个体化人工半膝关节的研制-机辅助设计与制造.修复重建外科杂志，2004，18(5)：347-351.    
    3  张虎，李涤尘，孙明林，等.定制化单侧膝关节假体设计与快速制造方法研究.北京生物医学工程，2003，22(4)：266-268；273.    
    4  赵涛，翁磊，尤玉华，等.膝关节外伤性骨软骨骨折的X线和MRI表现.中华放射学杂志，2003，37(11)：985-988.    
    5  于群，肖学宏.膝关节磁共振成像的理论序列：3DFT-Volume-FFE.医用影像学，1998，7(1)：3-6.    
    6  滕勇，王臻，李迪尘，等.快速成型的个体化人工半膝关节的研制—股骨髁的三维建模.中国修复重建外科杂志，2004，18(4)：257-260.    
    7  吴永辉，李涤尘，卢秉恒，等.基于RP的生物活性仿生制造研究.中国机械工程，2000，11(10)：1090-1093.    
    8  郭侠， 王广春.快速成型技术及其在医学领域中的应用.山东大学学报(医学版) ，2003，41(5)：573-574；578.    
    9  严继康，史庆南，常敏，等.快速成型技术在股骨头坏死的临床应用研究：快速成型与快速制造.2004，3.第三届全国快速成型与快速制造技术学术会议集，312-315.    
    10  詹子睿，邵增务.骨关节炎基因进展.中医骨伤科杂志，2004，12(3)：57-59.    
    11  张洪斌.骨关节炎的基因治疗.中国临床康复，2003，7(32)：4390-4391.    
    12  宋新强，奚永志.基因治疗类风湿关节炎策略的研究进展.中华风湿病学杂志，2004，8(11)：685-688.    
    13  郭晓东，郑启新.用组织工程学技术修复骨缺损研究进展.国外医学·生物医学工程分册，2004，27(5)：270-273.    
    14  沈剑英.绿色制造的概念和内容.机械制造，2001，39(12)：9-11.