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1、增刊应用基础与工程科学学报Supplement2005年10月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGOctober2005文章编号:1005-0930(2005)-0085-05中图分类号:TH12;TP3文献标识码:A快速成形技术在人工骨骼制造中的应用沈兴全(中北大学现代制造技术工程中心,山西太原030051)摘要:快速成形(RapidPrototyping,RP)技术可以迅速地将显示于计算机屏幕上的设计转化为可以进一步评估的实物基于快速成形技术的制造方法融合了制造技术、生物技术、材料技术、信息技术,是一种高
2、级制造形式可以制造任意形状和结构生物器官,并使之具有生物活性在人工骨骼制造中,多种快速成形工艺得到了应用与实践关键词:快速成形;医学模型;人工器官21世纪是恢复自然环境与生态平衡,重建人与自然和谐的时代机械科学的发展必然会顺应这一潮流,实现与生命科学在多层次、全方位上的渗透交融从广义上讲,制造是人类和生命体改造自然的行为,而生命体本身又是自然界的重要组成部分,改造自然也包括改造自己生命科学的引入,使制造摆脱了无生命的物理、化学模式,被赋予生命制造还将渗透到人类的生命历程中去,从而大大丰富了制造科学的内涵图1RP的离散/堆积成流程Fig.1
3、DispersedRP/Theprocessoftakingshapebypiling基金项目:山西省青年基金项目(编号:20031048)作者简介:沈兴全(1971),男,副教授.86应用基础与工程科学学报快速成形(RapidPrototyping,RP)技术是20世纪80年代出现的新型技术,是面向设计(产品开发)的制造技术RP技术是基于离散、堆积成形原理的新型数字化成形技术,它是在计算机的控制下,根据零件的CAD模型,通过材料的精确堆积而制造原型或零件RP技术的基本实现流程如图1所示,首先由CAD软件设计出零件的三维实体模型;然后将三维实体模型沿一定方
4、向进行分层;再根据每一层的轮廓信息进行数控编程;最后在[1]快速成形机上加工出一系列层片并将层片自动联接起来,即可得到三维实体1骨外科中的几个难题由于人体骨骼形状各不相同,而且都是由复杂曲面构成所以当人体骨骼受损需要更换时,以传统的加工手段无法做到精确的度身定制,难以加工出形状和尺寸都完全[2]合适的替代骨不仅给医护人员带来麻烦,而且给患者带来痛苦几个比较突出的难题包括:(1)在骨骼局部完全粉碎性损伤后,由于难于将其修复成其原有的形状,所以使患者在运动时承受巨大痛苦;(2)在安装假肢时,由于假肢与断肢的结合面配合不当,往往要经过多次修磨,给患者带来不
5、便和痛苦;(3)在开颅实施脑外科手术后,常常要用高分子材料修补颅骨切口,由于难于使修补颅骨与原颅骨在曲率上保持一致,所以造成患者术后感觉不适;(4)在骨科手术中使用的石膏床、石膏托,由于与患者身体的结合面难以做到完全的贴合以及松紧适宜,不仅影响手术的质量,而且给患者的生活带来不便;以上问题的根本解决依赖于加工工艺的改进和加工质量的提高RP技术自产生以来,工艺日趋完善,质量显著提高,应用不断扩大可以有效解决骨外科手术中的一系列难题,所以受到医疗工作者,特别是脑外科和骨科医学界的广泛关注2快速成形三维医学模型21制造三维医学模型的技术路线制造三维医学模型的
6、技术路线的基本思路是:首先运用医用CT机及光学扫描等设备获取患者相关组织器官的三维几何数据,并转换成快速成形机可接受的数据格式然后利用快速成形技术精确成形三维医学模型,或在快速成形机上制造模具,再制成三维医学模型技术路线如图2所示22三维医学模型在临床中的应用价值快速成形的三维医学模型的应用价值主要体现在以下三个方面:(1)可以用于复杂外科手术的策划和操练训练,大型器官置换手术往往需要在三维模型上进行操练例如,对于复杂的额面外科手术,术前需用病人头颅同样大小的模型进行手术操练,以便策划截骨术(即骨段置换)快速成形的模型可满足这种要求,使医生在策划骨段
7、置换方案时,有完善的整体看法,并且能事先准确地计量所有的置换术前的这种演习将显著增强医生的信心、减少操作时间(2)作为采集到的数据的硬复制件,可以为诊断、治疗和教学提供直观、能触摸的信息沈兴全:快速成形技术在人工骨骼制造中的应用87图2制造三维医学模型的技术路线Fig2Technicalrouteofmaking3Dmedicalmode记录,它易于测量,利于深入研究,从而使手术操作者之间、放射科医生和外科医生之间、医生和病人之间的交流更加方便(3)可以作为手术前制作移植物的阴模或母模3快速成形生物活性人工骨骼精确的物理模型可直接用于器官移植和矫形
8、手术一方
