快速成型技术在医学上的应用

图 ２先天性唇腭裂模型
．
南洋理工大学开发的软件 系统可以帮助 医生在计算 机上进
Ｉｅｉ ９ ８ 应用逆向工程采用 １ ｓｒ １９ 烂争 （ ２岁女孩头颅， 获得二维原始图形 行骨骼手术 的模拟训练【． 国国家信息和 自动化Байду номын сангаас究所开发 的 ｌ法 ｑ
进行建模， 决速扩弓对颅面复合体产生的生物力学效应 ， 研究 着重分 系统可 以重建三维 的头颅软组织和骨组织图像 ， 并能够进行一些
择性固化和熔融沉积成型两种技术ｐ 】 。
围及严重程度 ， 不能准确的估计病 情， 为手术方案的确定带来 了困 难。 并且在唇裂修复手术 、 体骨移植和生物材料移植等完成后 ， 自 对于恢复后的效果及恢复后与邻近组织 的重建关系都不能得到很
好 的预测。而逆向工程三维重建及快速成型技术则基本解决 了这 些问题 。就这个技术 目前在医学上的应用情况做一综述。
逆 向工程及快速成型技术 的发展在很大程度上解决了这一
３ 快速成型技术在 医学上 的应用
３１逆 向工程在 医学上 应 用 。
由于医学上一些严重面容畸形的形态特殊 （ 如先天性唇腭裂，
问题。就唇裂修 复而言可用 Ｃ Ｔ扫描或 ＭＲ 获得断层数据 图形 ， Ｉ 根据断层数据 图形在 ３ ｓ ｘ三维软件 中创建三维实体模型 ， ｄ ｍａ 最 后将模 型导人 Ｅ Ｎ９ Ｏ ［］ 虚拟现实软件 中进行现场手术修 复虚拟动
面容的多发 『骨折等） 生 其周围解剖关系复杂 ， 往往通过 二维平面的观 察很难确定病变范围。 这给医生制定手术方案带来很大的困难。因 此， 如果在手术前， 利用逆向工程 应用螺旋 Ｃ Ｔ或 ＭＲ 获得缺损骨连 Ｉ
续 陛缺损三维数据模型 ， 在计算机 Ｅ 模拟重建三维图像， 可以直观地
画， 在此基础上还可 以进行术后的预测 。ｄｍ ｘ ３ｓ ａ 三维软件中创建
第５ 期
江 静等 ： 快速成型技术在 医学上的应用
２５ ５
螺旋 Ｃ Ｔ或 ＭＲ 等影像学方法扫描实体 ， Ｉ 获得三维 图像数据 ， 为 脑 中的三维 印象进行手术 ， 这种手术具有一定 随机性 ；２手术后 （） 保证仿真生物模型的精确度 ，目前 选择的扫描层距是 １ ｒ ． ｍ或 不能预测术后的效果及临近组织 的结合 ， ０ ａ 使得医生与患者很难交 小于 １ ｍ １ 再将三维图像数据通过专用图像软件处理， ． ｍ５ ０ １ 。 在计算 流手术效果 ；３对于医学 的初学者或初级医师 ， （） 二维 的图像 比较 机上模拟重建所需要的三维图像后 ， Ｓ Ｌ数据格式输 出 ， 以 Ｔ 控制 抽象 ， 使得教师讲解起来 困难。 快速成型机完成生物仿真模型 的制作 。
ｉｇｔ ｈｏｏ ｅｎ ｐｉ ｕｃｓｉｅ ｅ ｉ ｌ ｅ ．ａｅ ｎｔｅ ｒ ｃ ｌ ｏ ｖｒ ｎｉ ｅｉ ｎ ｃ ｎｌｇ ｉ ｂｉｇａ ｌｄｓｃｅｓ ｌ ｉ ｍ ｄｃ ｌＢｓｄｏ ｉ ｉ ｅｆ ｒ ｅｓ ｅｇｎ ｒ ｇ ｅ ｙ ｓ ｐ ｅ ｖｙｎ ａｆ ｄ ｉ ｈ ｐ ｎｐ ｅ ｅ ｅ ｎ ｎ ｄｐｏｏ ｐｎ ｔ ｈｏｏ ， ｓ ｅ ｆｃｓｓ ｎｔ ｌ ｔ ｎｏ ｅｅｓ ｅｇｎｅｉ ｄ ｒｔ ａｄｒ ｉ ｒｔｔ ｉ ｃｎｌ ｙｔｉｔ ｔｏｕｅ ｏ ｅａｐｉａｏ ｒｖｒ ｎｉｅｒ ｇａｄｒ ｉｐｏ － ｐ ａ ｙ ｇｅ ｇ ｈ ｘ ｈ ｐ ｃｉ ｆ ｅ ｎｎ ａ ｏ ｐ ｔ ｅｔｃｎｌ ｙｉ ｅｍ ｄｃｎ ｏ ｌｅｏｓｒｃｉｎｏ ｎｅｉｌ ｎｌｅａ ｌ ｔ ａａ 、ｅｅｔ ｏｅ ｙ ｈ ｏ ｔ ｉ ｅｏ ３ ｍ ｄ ｃｎｔ ｔ ｃ ｇｎｔ ｉｔｒｌ ｅ ｌｅｄｆｃ ｎ ｐ ｅ ｏ ｇ ｎｈ ｅ ｉ ｆ ｄ ｅ ｒ ｕ ｏｆ ｏ ａｕ ａ ｃ ｆｐ ｔ ｂ ｆ ａｅｍｕｔ ｌｆａｔｒｓ ｎ ｉｌ ｅｅｔＩ ｄ ｉｏ ｉ ｉ ｏｉ ｐ ｌ ｔｏ ｏ ｐ ｄ ｒｔ ｙ ｏｆｃ ｌｐｅ ｒｃｕｅ ｄｍａｄｂｅｄｆｃｓｎａｄｔｎｔｅｓ ￣ ｃｌ ｅｏ ａｐｉａｉ ａｉｐｏ ｔ － ｉ ｎ ａ ． ｉ ｈ ｇｆ ｌ ｆ ｉ ｃ ｎ ｆｒ ｏ ｐ ｉｇｔｃｎｌ ｕｌ ｄ ｗ ｖｒ ｒｂｅ ｓ￣ａｌ ｌ ａ ｒｓｎ ａｅ ｎｔｅｃａａｔ ｉｉ ｔｅｒ ｉ ｎ ｈ ｏ ｉ ｏｔｎ ． ｅｅ， ｏｌｍ ｅ ｏ ｇ ｓ ｉ Ｈｏ ｙ ｅ ｐ ｉｂｅ ｔ ｅｅｔ ｓｄｏ ｈｒ ｅｓｃ ｏ ｈ ａ ｄ ａ ｐ ｂ ｈ ｃ ｒ ｔｓｆ ｐ ｐｏｏ ｐｎ ｃｎｌ ｙｗ ｒｐ ｔｏｗ ｄａ ｅ ｔｄｖｌ ｍ ｎ ｒｓｅｔｉ ｅａｔ ｕ ｕａ、ｅｏｐ ｅ ｒｔｙｉｇｔ ｈ ｏ ，ｅｅ ｕｆｒａ ｗ ｌａ ｉ ｅ ｐ ｔ ｏｐ ｃ ｎｔ ｒ ｃｌ ｒｌ ｒｓａ 、 ｔ ｅ ｏ ｇ ｒ ｓ ｌ ｓｅ ｏｅ ｐ ｓ ｓ ｈ ｔ ａ ｃ ｈ ｕｅｏｄｅｅｔｃｌ ｐｉ ｃ ｄｓｒ ｄｏ ｅｆｅ ｓ ｏ ｈｌ ｌ ｒ ａ ｌ ｅｉ ｕｔ ａ ｔ ｒ ｌ ． ｓ ｃｉ ａ ａ ｐ ｎ ｎ ｙｎ ｈ ｉ ｄ
机 械 设 计 与 制 造
２４ ５ 文章编号 ：０ １ ３９ （０ １０ — ２ ４ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）５ ０ ５— ３ Ｍａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ
第 ５期
２ １ 年 ５月 ０１
快速 成型技 术在 医学上的应 用 术
析了上颌骨 陕速扩弓时 ，２ ２ 个主要解剖结构部位三个方 向上 的位移 简单 的骨组织切 割等【； 国内 ， １在 Ｉ ｌ 也有许多大学和实验室开展 了 和应力分布 隋况， 颅颌面复合体在上颌骨 决速扩张（ ＭＥ 时的生物 虚拟手术模拟方面的研究 ， Ｒ ） 虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练 力学效应 。她用有 ２ ２ 个节点和 ２ ７ １０ ２ ０个体单元 的三维有限元模 系统中的应用研究ｌ， 口腔医学领域 中就已开展了颅颌 面外科 】在 ２ １ 口腔修复多媒体平台的建立【等研究。 － ｑ 型， 在扩张 匕 颌骨 ５ ｍｍ后 ， 探讨应力和各单元移动隋况。 观察的结果 虚拟手术旧， 显示， 在上颌骨扩张 ｌ ３ ｍ、 ５ ｍ时 ， ｍｍ、ｍ 和 ｒ ａ 两侧结构呈现平行 移 Ｊｎ ｒｄｉ ［ ｏ ａｒ ｋ 等用快速成型技术预制下颌骨肿瘤实体模型 ， Ｂ ｃ 确定截骨部位 ， 并预制成型钛板 ， 在手术 的过 位 。最大扩张区在牙槽突区， 而向上部呈现逐渐减少， 在鼻腔底部宽 术前进行模拟手术 ， 度增加显著。 但是鼻腔后上部轻微向中线移位。 顶骨 、 枕骨和额骨未 程中。按照预先计划截骨， 成型钛板 固定后 ， 指导游离骼骨成型 ， 见到位移的现象。 高张力区出现在尖牙区、 磨牙区、 下鼻腔外侧壁 、 颧 使手术过程简化 ， 缩短了手术时间。 ｎ ｎｍｏｓ 统计 ６年中在临 Ａ ｏｙ ｕ［
Ｋ ｅ ｒ ｓ Ｒａ ｉ ｒ ｔ ｔ ｐ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒｅ ｅ ｓ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ； ｉ ｕ ａ ｅ ｅ ｒ ｃ ｏ ｕ ｇ ｃ ｌ ｐ ｙ ｗｏ ｄ ： ｐ ｄ ｐ ｏ ｏ ｙ ｅｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ； ｖ ｒ ｅ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ Ｓ ｍ ｌ ｔｄ ｔ ｒ ａ ｅｆ ｒ ｓ ｒ ｉ ａ － ｏ
２ 快速成 型技术及逆 向工程的基本原理
２１ ． 快速成型技术
快速成型技术自２ 世纪八十年代兴起之后， ０ 被广泛应用于航 术 ， 进而开发 出同类的更为先进的产品”。在 医学上的应用 的方
空航天、 汽车工业 、 模具制造 、 医学和 建筑等多个领域。其主要工作 法 主要有 Ｃ Ｔ扫描 、 Ｒ （ Ｍ Ｉ核磁共振 ） ｘ射线等。 和
三维儿童头部模型 ， 如图 １ 所示。 先天 ｆ唇腭裂在模型上的表现 ， 生
如 图 ２所 示 。
对骨 眵 撒 出正确的诊断。然后将三维数据模 术转化为三维仿真生物模型后 ， 为术者提供了手术平台， 术前能够对 个体化实体模型直观地进行分析、 ， 测量 并预演整个手术过程 ， 明确
截骨范围， 熟悉手术过程 ， 缩短了手术时间， 简化手术 ， ｉ 手术 从而２ 曦
题 及其 以后在 文化 艺术 ， 天航 空及 家电行 业等领 域的发展 前景 。 航 关键词 ： 速成 型技术 ； 向工程 ； 术模拟 平台 ； 损修复 快 逆 手 骨缺
【 ｂｔａｔ Ｗｉ ｅｒ ｉ ｄｖｌ ｍ ｎ ｏ ｏ ｐ ｔ ｃｎｌ ｙ３ ｃｎｔ ｃｉ ｄ ａｉｐｏ ｔ － Ａ ｓ ｃ】 ｔ ｔ ｐｄ ｅｅ ｐ ｅｔｆｃｍ ｕ ｒｅｈｏ ｇ ，ｄｒ ｏｓ ｕｔｎａ ｄ ｒ ｏ ｐ ｒ ｈｈ ａ ｏ ｅｔ ｏ ｅ ｒ ｏ ｎ ｒ ｔｙ ｐ
江 静 祁文 军 阿地 力・ 莫明
（新疆大学 机械工程学院， 乌鲁木齐 ８０ ０ ）（新疆医科大学 第一附属医院， ３０ ８ 乌鲁木齐 ８００ ） ３００
Ａｐ ｌ ａｉｎｏ ａ ｉ ｒｔ ｔｐ ｅ ｈ ｏｏ ｙｉ ｄｃｎ ｐｉ ｔ ｆｒｐｄ ｐ ｏｏｙ ｅｔ ｃ ｎ ｌｇ ｍｅ ｉｉｅ ｃ ｏ ｎ ＪＡ ＧＪ ｇ， Ｉ ｎ Ｊｎ， ｍｎ－ ｄｉ Ｉ Ｎ ｉ １ —ｕ Ｍｏ ｉｇＡ ｌ ｎ Ｑ Ｗｅ
层的膜材料 ， 烧结一层层的粉末材料 、 喷涂一层层的热熔材料或粘
结剂等 ） ， 形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件冈 ｃ
常用的快速成型方法 主要有六种 ： 液态光敏树脂选择性 固
化、 粉末材料选择性激光烧结 、 熔融沉积成 型、 分层实体制造 、 光 掩膜及直接型壳制造 。 应用于医学领域的主要是液态光敏树脂选
【 摘
要】 随着计算机技 术的快速发展 ， 三维重建和快速成型技术逐步应用于医学领域。结合逆向
工程及快速成型技 术的基本原理 ，重点阐述 了 逆向工程及快速成型技术在先天性单侧唇裂三维模型的 重建、 面容多发性骨折缺损骨和下颌骨缺损三维模型重建等 医学上的应用， 并简单介绍了快速成型技术 在现代 医学应用上的重要意义， 最后根据快速成型技术的特点， 出了快速成型技术在现阶段存在的问 提
并发症的发生。并且 ， 通过计算机图像数据处理及快速成型技术， 获 得的缺损骨连续眭缺损的三维重建模型不但可以让医生更好的确定
病变或骨折的范围， 而且可以利用计算机的 ３ Ｆ Ｍ 三维模型有限 ＤＥ （
元方法 ） Ａ Ｓ Ｓ 或 Ｎ Ｙ 进行骨组织受力模拟检测， 为后期治疗打下基础。
图 １儿童头部模型
ｅ ａｉ ｒ ｔｏｎ； ｐ ｒｆ ｒ ｂ ｎｅｄｅ ｅ ｔｏ ａ ｄ ａｍａｇ Ｒｅ ａｉ ｏ ｆ ｃ ｉ ｎ ｎ ｄ ｏ ｅ
中图分 类号 ：Ｈ１ 文献标 识 码 ： Ｔ ６ Ａ
１ 引言
随着计算机技术快速发展 ， 三维重建和快速成型技术逐步应
密伺服驱动和新材料等先进技术集于—体。 依据计算机上构成的工 件三维设计模型， 对其进行分层切片 ， 得到各层截面的二维轮廓 ， 按 照这些轮廓， 成型头选择性地 固化一层层 的液态树脂（ 或切割一层
２２逆 向工 程 －
逆 向工程是在快速成型技术和先进制造技术的基础上发展 起来的一项工程技术 。逆向工程可定义为“ 针对消化吸收先进技
术 的一系列分析方法和应用技术的结合 。 它是以先进产品设备的 实物 、 （ 软件 包括图纸 、 、 程序 技术文件等 ） 或影像（ 图片、 照片等 ） 作为研究对象 ， 应用现代设计方法学原理 、 生产工程学 、 材料学和 有关专业知识进行系统深入地分析和研究 ， 索掌握其 关键 技 探
用于 医学领域［为实现个体化骨损伤诊断 、 １ １ 。 个体化植入体及个体 化修复带来了极大的变化 。 传统的手术治疗修复是通过 ｘ线片 ，
Ｃ Ｔ等影像学检查得到的数据 ， 凭借医生的经验 ， 大脑 中进行术 在 前的手术模拟 ， 以确定手术方案 ， 然后根据医生大脑中的三维印象 进行手术 ， 这种手术具有一定随机性。 尤其对于对于严重的面部疾 病， 如先天 Ｉ唇裂 ， 生 颌面部多发性骨折等 ， 只能大致估计疾病的范
（ ｏ ｅｅｏ ｃ ａｉａ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＸｎｉ ｇＵ ｉ ｒ ｔ， ｒｍ ｉ ３ ０ ８ Ｃ ｉａ 。 ｌ ｇ Ｍｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒ ｉ ａ ｎｖ ｓ ｙＵ ｕ ｑ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｆ ｎ ｊｎ ｅｉ ８
（ ｅＦｒｔ ｍｌ ｔｄＨ ｓｉ ｌ ｎｉ ｇＭｅ ｉａ Ｕ ｉ ｒ ｔ， ｒｍｑ ８ ０ ０ ，ｈｎ ） ｈ ｉ ｉ ｅ ｏｐｔ ｊ ｎ ｄｃｌ ｎｖ ｓ ｙ Ｕ ｕ ｉ ３ ０ ０ Ｃ ｉａ ｓＡ ａ ａ Ｘｉ ａ ｅｉ
原理为将计算机辅助设计（ Ａ ）计算机辅助制造（ Ａ 、 Ｃ Ｄ、 Ｃ Ｍ）激光 、 精 逆 向工程及快速成型技术在医学上 的应用流程为 ：首先用
★ 来稿 日 ：０ ０ ０ — ６ ★ 期 ２１—７２ 基金项 目： 新疆维吾尔 自 治区高校科研计划科学研究重点项 目（ Ｊ Ｄ ２ ０ １４ ＸＥ Ｕ ０７２ ）