仿真膝关节模型的制作与应用-

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1、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

2、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

3、，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.L.编辑。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

4、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

5、海）有限公司生产的ZSm/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

6、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

7、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