仿真膝关节模型的制作与应用-论文

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1、仿真膝关节模型的制作与应用*论文.freelm。以DI文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DI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ZSodelZS，计算机数字控制C，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

2、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

3、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1.1DI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DI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DI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

4、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计算机模型，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ZSRI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

5、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DI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

6、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展望随着基础科学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。骨科疾病的基因治疗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］。纳米技术的发展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

7、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。【