颅骨快速柔性无模成型系统的研究

　　0　前言

　　颅骨缺损外科修复是极为常见的医疗手术,国内外临床上通常采用自体骨修复和人工材料重建的两种方法。当修复区域较大时,多用人工材料重建,传统采用有机玻璃和硅橡胶这类材料,优点是成型容易,但缺点是极易受到体液的腐蚀,几年后必须更换。近年来钛合金材料作为修补材料已是一个大的趋势。目前国内外大中型医院纷纷推广钛合金壳体做修补材料。但钛合金材料主要靠人工手工制作成型,难度较大、精度低、成型周期长、定位困难等。如凤凰卫视记者刘海若头颅模型及颅骨缺损的钛合金修复体手工制作前后历时3个月。因而迫切需要一套适合个性化单件生产、快速高效、高精度、经济的成型系统来实现钛合金头骨壳体与缺损部分的精确结合,实现对脑组织有效的力学保护,大大缩短手术时间,减少治疗风险,减少病人的痛苦,使患者达到良好的治疗效果[1-8]。

　　据医学专家教授介绍颅骨缺损患者的颅骨缺损部位包括额颞部、颞顶部、颞额顶部、顶部和枕部。颅骨缺损范围:最小4cm×4cm,最大12cm×12cm。因此,本文作者旨在研究一种适用于颅外科修复手术中使用的钛合金板材的快速柔性无模成型系统,实现钛合金板材在尽可能短的时间内加工出与病患者需要修补的颅骨的部分几何壳体,满足医学手术的优化构型要求[9-10]。

　　1　颅骨多点无模成型系统的可行性分析

　　无模多点成型的研究起源于日本。板材多点成型技术是将传统冲压成型的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体,由基本体冲头的包络面来完成板材成型的高新技术。20世纪70年代日本造船协会西冈等试制了多点压力机,进行船体外板自动成形的研究,但因关键技术未能解决好,多点压机的制造费用太高,未能实用化。日本三菱重工业株式会社的熊本等也研制了三列多点成形设备。由于其整体设计不周,该压机只适用于变形量很小的船体外板的弯曲加工。另外,东京大学的野本及东京工业大学的井关等也进行了多点压机及成形实验方面的研究工作,但未取得重大进展。20世纪80年代以来,美国麻省理工学院D·E·hardt的研究室对多点模具成形进行了十多年的研究。最近麻省理工学院与美国航空航天技术研究部门合作,投入1 400多万美元的巨额经费开发出多点张力拉伸成形机。吉林工业大学教授李明哲博士在日本日立公司从事博士后研究期间工作取得进展,回国后进一步系统地研究了多点成形基本理论、成形机理与成形特点,并初步开发出了工业用多点成形实用机[11-12]。

　　成型过程分为调形和成型两个过程。成形前,计算机根据成形零件的几何参数、材料参数等对其进行有限元力学计算、图形分析从而控制基本体的位移,使基本体头部形成工件的曲面形状。成形过程中基本体的相对位置是不变的,和普通成形模具一样使用,成形过程如图1所示。启动多点成形机,板料放在基本体上,如图1(a)所示,操作控制使上基本体群快速下落;接触板料后,基本体群由快速下落转成慢速成形过程,如图1(b)所示;直至上下基本体压靠为止,板料成形为需要的曲面零件,如图1(c)所示。由于板材无模成型已经工业化,技术日趋成熟,因而颅骨多点无模成型系统的构建思路是在板材多点无模成型机的基础上,利用医用CT断层扫描技术取得颅骨的原始几何参数,根据获得的几何参数采用CAD技术,利用NURBS或其它建模软件重建颅骨的三维构型,立体、详尽和精确地显示颅骨缺损的状况及其缺损处与周围解剖结构的相互关系。采用数学建模的原理提取颅骨的几何参量,采用CNC (数控)技术,精确控制成型机构图1中所述的基本体的运动位移,模拟颅骨的自然形态和颅骨自然曲面形状,通过压力机构施压成型,采用CAM技术,精确制作、边缘定位和切割加工,其系统原理如图2所示。