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科技论文
摘要:利用先进制造技术—计算机辅助设计与制造(CAD/CAM),为隆鼻整形手术探索出一种全新硅橡胶植入体的设计与制造技术,解决了植入体的内部贴型准确和外部造型美观问题,术前的仿真设计和效果预览使患者参与到自身个性化设计中来,大大增加手术成功率。
关键词:技术生物; 计算机辅助设计与制造; 隆鼻
0.引言
技术生物工程是指以新型生物医用材料为基础,以先进制造技术为手段,研究先进、经济、可行的制造工艺和方法,制备组织工程中所需要的修复体、器官和活性细胞载体(三维支架)。技术生物工程是伴随组织工程技术的兴起而发展起来的新兴学科,是集机械制造技术、计算机图形图像处理技术、医学技术等于一体的交叉领域。目前国内外在该领域已进行多项应用研究,如Align公司利用逆向工程技术和快速原型技术开展透明校牙器的应用研究,上海交通大学开展定制人工关节的技术研究,北京工业大学北京市先进制造技术实验同卫生部口腔中心合作开发义齿CAD/CAM系统,同北京市天坛医院脑神经外科合作开展数字化颅骨修复技术研究等等。这些研究有的取得了阶段性的成果,有的已经产业化为人类的健康事业作贡献。利用先进制造技术开展隆鼻整形应用研究是技术生物工程中的又一重要应用领域,是医学、计算机和现代制造领域的最新技术交叉合作、相互支持的又一典范。
鼻子位于人脸的中央部位,由于其特殊的位置使得其在面部外观中占有重要的地位,而鼻梁的塌陷(俗称塌鼻梁)是影响脸部美观的主要缺陷,鼻成形术(rhinoplasty)是改善外观最为显著的整形外科手术之一。规范的隆鼻术是将一个成型的植入体埋植到鼻背筋膜下面,从而改变鼻子的形状,隆鼻手术的关键是植入体的形状。植入体采用与人体组织相容性良好的材料,如硅橡胶、聚四氟乙烯等,这些材料性质稳定,不会与其它物质发生任何反应;无毒性、致癌性、致畸性。传统的植入体多由临床医生根据患者鼻梁的外部形状现场雕刻而成,植入体的外形质量好坏和手术是否成功主要取决于医生的经验,也就是说患者的手术后的外形完全由医生来决定,这一点常常招致许多患者对手术结果不满,进而产生纠纷现象。另一方面,医生在雕刻植入体时,只能雕刻植入体的外部形状,与患者鼻梁骨贴合的形状只能由预制体的形状来保证,结果常常因为植入体与鼻梁骨贴合精度差导致滑移错位,造成二次手术。本文将计算机辅助设计与制造技术应用于隆鼻植入体的设计与制造,完美地解决了植入体的形状和精度问题,既满足了患者的个性化需求,又降低了对医生的雕刻技术要求,大大增加手术的一次成功率。 |

1.隆鼻植入体的计算机辅助设计 计算机辅助设计( CAD)是指在设计活动中,利用计算机作为工具,帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。在隆鼻手术中,植入体的设计是关键,其所创建的全局信息模型是后续可视化和计算机辅助制造的基础。植入体的设计,涉及医学影像(CT)处理,计算机图形学技术和实体造型技术,通过实体、线框、曲面造型等方法构建植入体的三维模型,这是与真实植入体完全一样的虚拟产品。 1.1植入体设计的生理依据 东方人的美鼻标准应该是直而不僵、停而不楞、鼻尖有微微上翘的趋势,鼻背有一定的弧度曲线。鼻部指标主要有鼻额角、鼻面角、鼻尖角、鼻基底角、鼻唇角、鞍度、鼻尖高等。其中又以鞍度(眉间部与鼻尖最高点的连线与鼻梁最低点的垂直距离,这是反映鼻梁高低的主要指标)鼻尖高(鼻尖最高点与鼻小柱最低点的垂直距离,是反映鼻尖高低的主要指标)最为重要。按中国的统计情况,鼻尖高:男23mm~28mm,女23mm~25mm;鞍度:男11mm~13mm,女性11mm~12mm;在这一范围属于匀称形,也可称为标准型。植入体设计时,根据具体患者的脸部形状,结合以上参数,调整患者鞍度何鼻尖的高低,直至患者满意。 1.2患者头部数据获取及图像处理[1] 为了保证植入体与鼻骨贴合的精度和设计的整体效果,需要对患者头部原型数字化。主要手段有:X线断层扫描图像、CT扫描、磁共振成像(MRIL超声成像(B超诊断等)和核医学成像(如PET、丁照相等)。PET主要用于人体代谢,MRI用于软组织和神经,而定制式隆鼻植入体的设计主要采用患者的CT扫描图像以及MRI图像。CT扫描可以得到高质量的患者骨骼的断层影像,为保证三维重建的正确性,病人骨骼关键部位的CT扫描层厚应为2mm,包括病变部位和骨骼变化较大的部位,对于骨骼变化较小的部柱或非感兴趣部位,其层厚可适当放大至4mm或5mm。在隆鼻植入体设计中,对鼻梁骨部位精度要求较高,因此采用增强CT扫描(间距2mm),而头部其它部位要求不高,采用4-5mm间距扫描。图1所示患者头部原型CT图像。 医学图像的计算机处理 最初的医学图像仅仅用于帮助医生进行病情分析和诊断;计算机技术的介入,使得医学影像开始用于手术和治疗的计划以及手术模拟、仿真;在技术生物工程隆鼻整形中, CT图像直接用于术后效果仿真和植入体的设计。将二维离散图像通过三维重建显示立体图像,三维重建可分为基于体积和基于表面两种方法,其过程主要包括平面轮廓提取和三维插值计算两大部分。平面轮廓提取用手工或自动将原始图像感兴趣部位图像边缘进行勾画,得到感兴趣部位的轮廓信息。平面轮廓提取后形成离散的二维图像,需通过三维插值计算,形成连续的空间立体影像。常用的插值算法有三线性法、基于形状法和距离变换法等。三维重建后的立体影像,采用适当的光照和渲染,可以得到逼真的三维立体结构图像。图2所示为重建后的三维模型。 1.3植入体的设计

2.隆鼻植入体的计算机辅助制造 计算机辅助制造技术是利用计算机系统,与生产加工设备(主要是数控加工设备)相连接,进行产品制造过程的设计、管理和控制。狭义上的CAM就是零件的数控加工程序自动编制和刀具轨迹仿真,也就是人们常说的自动编程。CAM技术是产品设计到制造加工之间的桥梁,它将产品设计信息转化成制造加工信息,直接用于产品的加工成型,使具有复杂表面形状的零件可以精确的制造出来,这一点特别适合隆鼻植入体这种复杂几何曲面零件。 2.1 植入体模具设计与制造 模具是植入体成型的基础。由于这是一项定制技术,模具的使用次数少,强度要求不高,综合考虑模具的成本和加工性能,决定采用铝合金材料的简易模具。 2.1.1模具设计 模具设计采用快速模具技术,即根据植入体的CAD模型自动生成凸凹模。凸凹模生成之前,首先应对CAD模型进行分析,目的是确定拔模方向、分模面的形式,原则是使植入体易于脱模(拔模斜度尽量大)同时使模具加工量最小。当存在鼻导柱时,考虑加工和脱模方便,使鼻导柱平行于拔模方向。确定模型的空间位置后,设置模具的各项参数,主要有:模具毛坯的大小、模型在毛坯中的位置、分型面的样式(平面或自由曲面)和高度。软件将根据设置的参数自动生成凸凹模。此时若对模具不满意,可反复修改以上参数,直至满意为止。图3所示为软件自动生成的凸凹模具。 2.1.2模具加工 植入体模具加工依次分为:曲面轮廓粗精加工、导柱加工、分模槽加工。曲面轮廓采用数控机床加工,首先根据模具的轮廓形状由CAM软件自动生成刀位路径,在真正实施加工前,重要而有意义的工作是在计算机上进行加工过程仿真。仿真的目的一是检验切削轨迹的合理性和机床运动过程的干涉和碰撞检查,再是利用创成式加工方法仿真零件表面的成型过程。通过仿真结果,可观察毛坯的去除情况,是否有露切和过切部位,表面粗糙度是否达到要求等,并以此为依据对不合适的刀具、加工方式和切削参数进行修改,保证最终加工成功。仿真后,根据特定数控机床的配置文件,输出G代码(机床的加工代码)到机床数控系统中,即可进行真正的加工。导柱和分模槽必须在上下模合模后进行加工,导柱在压制植入体时起导向作用,分模槽在取出植入体时分离上下模,这两道工序在普通机床上即可加工。除以上工序,有时需在植入体边缘外围1mm处开设跑胶槽以容纳多余的硅橡胶。为此应首先在CAD模块提取植入体的边缘线,然后向外偏置1mm,在CAM模块利用锥形铣刀沿偏置线环切一周即可。图4为最终加工的上下模。

特别指出的是,植入体CAD/RT/CAM中所采用的数据格式均为STL格式。 STL文件是SLA设备生产厂家美国3D Systems公司提出的一种用于CAD模型与RP设备之间的数据转换的文件格式,现在已为几乎所有的RP设备制造商及相关的CAD系统所接受,成为RP技术领域中事实上的“准”工业标准。其数据格式简单,处理方便,系统间数据格式兼容性好。对原CAD模型的近似度高,原则上,只要三角形的数目足够多,STL文件就可以满足任意精度要求。植入体的形状不规则,难以形成整片曲面片用于加工,因此采用STL文件格式是一个较好的选择。 2.2植入体压制成型 压制是制备植入体的最后一个环节。为了保证植入体的无毒性,需在净化间操作生产。首先对模具进行清洗、消毒,然后放入片状硅橡胶毛坯合模,放置在压力机上升温至摄氏180度左右,持续保压约20分钟,分模取出植入体即可。植入体经简单的去除毛边和消毒处理即可用于临床手术。图5为压制后的植入体。 3.结论 将先进制造技术引入整容整形领域是大胆而有意义的尝试,它能够为这一感性化的认知世界提供定量化的科学表示,为医生和患者之间架起一座有效沟通的桥梁。采用技术手段制备出的植入体外形美观,精度高,按临床整容医师的话说:“手工绝对雕不出这样的效果,尤其是凹面”。可见这种技术方案不但可行,而且能够解决手工雕刻植入体遇到的难题—植入体与鼻骨贴合面的形状和精度问题。 参考文献: [1] 毛宾尧主编. 人工髋关节外科学. 北京:人民卫生出版社,2001 Rhinoplasty In Technical Biology (College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing Polytechnic University, Beijing 100022, China ) Abstract: Based on the Advanced Manufacture Technology—CAD/CAM, a novel technique was put forward to design and manufacture the silastic implant in rhinoplasty. This technique solved perfectly the joint accuracy between the implant and the nose bone and the outer shape of the implant. Meanwhile, the patient could take part in the custom-built design through the simulation design and the effect preview. Thus the operation ratio was increased greatly. Key words: Technical Biology;CAD&CAM; Rhlnoplasty
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