金属质个性化手术模板的全数字化快速设计及制造

　　1　引　言

　　在手术过程中,为准确定位,常需要使用手术模板[1-3],但每个患者体形外貌相差很大,传统采用间接方法设计的手术模板很难实现精确定位,并且设计制作周期长,不能满足患者的个性化设计要求。

　　当前,以三维重建为基础的逆向工程技术已应用十分广泛[4-5],基于CT数据的逆向工程方法也在发展中。文献[6]已提到可用CT数据直接反求股骨髁关节软骨三维轮廓数据的方法;文献[3]也提到一种采用CT数据逆向重建患者头颅三维CAD模型,然后采用快速原型法对患者头颅成型,最后在头颅模型基础上设计制作非金属质骨折复位手术模板的方法。鉴于数字化设计具有周期短,个性化设计容易,设计更准确等特点,研究如何实现手术模板的全数字化设计十分必要。

　　此外,目前所采用的手术模板多数是非金属产品[1-2](例如采用光固化成型技术[7]成型的树脂手术模板),需要复杂的术前消毒处理,也容易因模板强度不够,在手术过程中受手术器械作用留下废屑,给术后清理带来困难,并给病人健康带来隐患。相对于非金属手术模板,金属质手术模板可以采用简单的高温消毒,生物兼容性更好,使手术定位更准确,并且强度更高,不易在手术过程留下废屑,给手术过程带来风险。

　　快速成型是光学、电子、材料、计算机等多学科集成的高新技术[8],选区激光熔化是一种新型的快速成型技术,该技术能根据零件三维CAD模型直接快速制造金属零件,不受零件的复杂程度影响,且成型尺寸精度高、表面粗糙度好,成型件仅需打磨抛光处理即可投入后续使用,因而特别适合于医用植入体及模具小插件等的成型[9-11]。

　　本文探索了一种全数字化设计及快速制造金属质个性化手术模板的方法。手术模板的设计采用逆向工程结合正向建模方法实现;模板的制造采用选区激光熔化快速成型技术实现。针对个性化手术模板的医用需求,有针对性地提出了工艺成型方案,并采用华南理工大学与广州瑞通激光科技有限公司联合研发的选区激光熔化快速成型设备,对实验方案进行了验证。

　　2　个性化手术模板的数字化设计及制造流程

　　2.1　数据采集及患者手术部位三维CAD模型的获取

　　为实现手术模板的个性化设计,对每个患者都应先获取患者手术部位数据,目前医学中广泛采用CT设备来采集患者数据。从CT设备采集患者数据到获得患者手术部位三维CAD模型的过程是一个逆向工程过程,该过程如图1所示:首先通过CT采集到的Dicom格式的患者数据,然后输入到计算机中,计算机中装有Mimics软件,该软件可将Dicom数据文件整合成STL格式表达的三维模型(如图2所示)。