專利名稱：一種鈦合金顱骨修復(fù)體制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種鈦合金顱骨修復(fù)體制備方法，主要應(yīng)用于腦神經(jīng)外科顱骨修復(fù)、醫(yī)學(xué)整形、整容等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
顱骨修復(fù)是腦神經(jīng)外科、醫(yī)學(xué)整形整容等常見的外科手術(shù)，所采用的材料主要有硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、好顱比和鈦合金網(wǎng)板。其中鈦合金網(wǎng)板以其良好的生物相容性、無毒性和高強度而獲得廣泛的臨床應(yīng)用。但鈦金屬板目前的制備工藝要么塑形困難、要么制作費用高周期長，嚴重限制了其普及應(yīng)用。目前主要有以下三種制備工藝(1)手工塑形這是國內(nèi)普遍采用的塑形手段，醫(yī)生根據(jù)患者缺損部位的外觀形狀和自身經(jīng)驗，手工預(yù)制出修復(fù)體的大致形狀，手術(shù)時，與患者暴露的顱骨進行比較，再手工反復(fù)修形，最后消毒完成手術(shù)。
(2)模具壓制這是國外采用的塑形手段，首先利用數(shù)控機床加工出修復(fù)體沖壓模具，然后在壓力機上利用模具壓制修復(fù)體，最后裁減消毒完成手術(shù)。
(3)鑄造成形首先利用快速原型技術(shù)制備出修復(fù)體的蠟?zāi)Ｐ?，采用失蠟鑄造的方法鑄造鈦合金，然后在鈦合金修復(fù)體上鉆安裝孔及生長孔，最后消毒完成手術(shù)。
以上三種工藝存在如下一些問題，限制了鈦金屬的應(yīng)用或影響了手術(shù)的質(zhì)量(1)手工塑形勞動強度大，精度差，預(yù)先塑形由于得不到顱骨的真實形狀，存在塑形盲區(qū)；另外為便于塑形，常常采用低強度鈦金屬板作為修復(fù)體，這給患者術(shù)后的安全埋下了隱患；(2)模具壓制在一定程度上具有一定的先進性，減輕了醫(yī)生的勞動強度。但其制作周期長、費用高(國外一般100000RMB一例)，況且模具固定后，無法解決修復(fù)體壓制后產(chǎn)生的回彈問題，從而對修復(fù)體的配合精度產(chǎn)生影響。
(3)鑄造法解決了修復(fù)體的精度問題，但工藝復(fù)雜成本高，鈦合金在鑄造過程中會產(chǎn)生氧化，且修復(fù)體厚度不能太薄，否則不能鑄造。
由于傳統(tǒng)的修復(fù)方法存在諸多問題，需要找到一種柔性技術(shù)以達到快速準確制作修復(fù)體的目的。專利“一種鈦合金顱骨修復(fù)體制備方法”(申請?zhí)?3156843.2)，采用CT機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數(shù)據(jù)處理，此發(fā)明的特征在于存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數(shù)據(jù)分割后，重建頭部缺損部位的三維修復(fù)體，然后將設(shè)計好的修復(fù)體曲面分別讀入多點成形系統(tǒng)和快速原型系統(tǒng)壓制鈦網(wǎng)板和制作修復(fù)體薄片模型，最后經(jīng)貼合對比裁減鈦網(wǎng)板形成最終修復(fù)體。鈦合金的壓制采用多點成形的方法。多點成形是金屬板材三維曲面成形的新技術(shù)，原理是將傳統(tǒng)的整體模具離散成一系列規(guī)則排列、高度數(shù)字可調(diào)的基本體(或稱沖頭)。在傳統(tǒng)模具成型中，板材由模具曲面來成型，而多點成形中則由基本體群沖頭構(gòu)成要求的包絡(luò)面(或成形曲面)來完成。采用多點成形技術(shù)快速壓制修復(fù)體，可利用無模多點技術(shù)的柔性特點反復(fù)壓制修復(fù)體解決修復(fù)體的回彈問題。
但是在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，采用多點成形技術(shù)壓制修復(fù)體在成形尺寸小的零件時質(zhì)量較好，而在成形尺寸大的零件時(尺寸大于10cm×10cm)存在以下幾個問題1、成形大零件時零件回彈問題比較突出，必須采用反復(fù)多次的方法壓制，這樣增加了制作時間。
2、為消除回彈壓制時必須過壓，如零件本身變形就比較大，極易造成零件的斷裂。
3、為消除回彈過壓的工藝參數(shù)很難一次確定，實踐中往往是采用試壓的方法(一次壓制很難消除回彈)，這樣不僅是時間長，而且往往會造成零件中間過凸、皺褶等問題。
4、由于多點成形在壓制過程中很容易造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致板材的變薄，強度下降，影響術(shù)后的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)及采用無模多點成形技術(shù)不適合制作大零件的問題，在名稱為一種鈦合金顱骨修復(fù)體制備方法，申請?zhí)?3156843.2的專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種鈦合金顱骨修復(fù)體制備方法，技術(shù)思路為基于圖像處理、逆向工程、漸進成形和快速原型技術(shù)進行鈦合金修復(fù)體的制造。即首先基于患者CT數(shù)據(jù)進行計算機上的三維重建，基于重建模型設(shè)計修復(fù)體、進行模擬裝配，確保修復(fù)體外形美觀、邊緣與缺損部位邊緣貼合良好；然后采用快速成型技術(shù)制作修復(fù)體的實物模型，比照實物模型采用漸進成形技術(shù)壓制鈦合金板，剪邊后得到最終的修復(fù)體。
本發(fā)明技術(shù)方案參見圖1、圖2。該方法是由CT機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數(shù)據(jù)處理，在存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數(shù)據(jù)分割后，重建頭部缺損部位的三維修復(fù)體，然后將修復(fù)體殼體STL文件輸入到快速原型系統(tǒng)，采用快速成型技術(shù)制作修復(fù)體的實物模型，比照實物模型壓制鈦網(wǎng)板，最后貼合對比裁減鈦網(wǎng)板形成最終的修復(fù)體；其中CT圖像處理采用Mimics軟件系統(tǒng)，修復(fù)體設(shè)計采用Surfacer軟件系統(tǒng)，修復(fù)體模型采用熔融沉積快速原型系統(tǒng)；其特征在于，本發(fā)明是使用異形曲面快速成形系統(tǒng)，比照實物模型采用漸進成形方法壓制鈦網(wǎng)板，剪邊后得到最終的修復(fù)體，漸進成形方法的步驟為a 用柔軟的布將模具包裹，在壓制零件時用塑料薄膜將鈦合金板封??；b 根據(jù)零件的不同曲率選擇模具，在成形相對平坦的零件時采用直徑大的模具，成形弧度大的零件采用直徑小的模具；首先采用大模具壓制，通過調(diào)節(jié)壓入深度成形零件上不同曲率的部分，弧度平坦的部位壓入深度小，弧度大的部位壓入深度大；c 在壓制過程中反復(fù)與快速原型模型比較，直至兩者吻合。
本發(fā)明集成運用計算機圖像處理、逆向工程、漸進成形和快速原型等先進制造技術(shù)來共同完成鈦合金修復(fù)體的制作，保證了每一環(huán)節(jié)的精度與效率。由于本發(fā)明修復(fù)體的設(shè)計與制造參數(shù)的調(diào)節(jié)、優(yōu)化均在計算機中完成，柔性強，成本低，速度快，最終修復(fù)體質(zhì)量高，解決了鈦合金修復(fù)體的快速塑形問題；并且保證了貼合精度，沒有造型盲區(qū)，實現(xiàn)了顱骨修復(fù)體的個性化。


圖1本發(fā)明鈦合金修復(fù)體制造系統(tǒng)框圖1 CT機，2 存儲介質(zhì)，3 計算機，4 圖像處理，5 修復(fù)體設(shè)計，6 快速原型系統(tǒng)，7 異形曲面快速成形系統(tǒng)，8 貼合對比，9 最終修復(fù)體；圖2本發(fā)明方法流程圖；圖3現(xiàn)有技術(shù)中采用多點成形技術(shù)壓制修復(fù)體在成形尺寸大的零件時(尺寸大于10cm×10cm)存在的缺陷圖像a圖零件斷裂現(xiàn)象，b圖鉚接后的零件，c圖過凸、折皺現(xiàn)象，d圖一次成型后的回彈，e圖板材變??；圖4是調(diào)整顱骨原型位置圖；圖5是修復(fù)體曲面的控制頂點；圖6是采用鏡像法設(shè)計修復(fù)體時提取的局部點云，外圍曲線為裁減邊界；圖7是采用趨勢過渡方法設(shè)計修復(fù)體時提取的局部點云，外圍曲線為裁減邊界；圖8是修復(fù)體殼體模型與鈦網(wǎng)板的貼合對比；圖9是最終鈦網(wǎng)板修復(fù)體；圖10是術(shù)中修復(fù)體與患者顱骨良好貼合。
具體實施例方式
利用本發(fā)明技術(shù)，在北京天壇醫(yī)院進行了臨床應(yīng)用。患者數(shù)據(jù)采集在天壇醫(yī)院信息中心完成，CT圖像處理采用Mimics軟件系統(tǒng)，修復(fù)體設(shè)計采用Surfacer軟件系統(tǒng)，鈦網(wǎng)板壓制采用異形曲面快速成形系統(tǒng)，修復(fù)體模型采用熔融沉積快速原型系統(tǒng)，最后經(jīng)貼合對比裁減形成最終鈦網(wǎng)板修復(fù)體，具體步驟如下(1)首先對患者顱骨進行螺旋CT掃描，掃描間距設(shè)定為2-3mm。本發(fā)明是根據(jù)患者顱骨缺損的位置設(shè)定掃描層的間距，若缺損部位形狀比較復(fù)雜，像顳部或耳根部，掃描間距設(shè)定為2mm。若缺損部位形狀變化比較平緩，掃描間距設(shè)定為3mm；(2)將采集到的CT圖像以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像標準(dicom)文件格式存儲到移動硬盤或可刻錄光盤存儲介質(zhì)上。存儲格式為dicom格式；dicom格式是醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與通信標準文件格式，dicom格式記錄信息全；(3)從CT圖像中分割出顱骨數(shù)據(jù)，灰度閾值范圍1250-4095，灰度級范圍為0-4095，組織表達細膩；存放有通用的醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)軟件(Mimics)的計算機從存儲介質(zhì)讀入CT圖像，分割提取顱骨圖像；在Mimics軟件的分割步驟，設(shè)定顱骨象素點的最小灰度級為1250，最大灰度級為l，其中l(wèi)為CT圖像中顱骨的最大灰度級，通常取l＝4095，分割出的顱骨象素S為S＝{P|1250＜VP＜l}其中S為顱骨象素點集，P為象素點，VP為p象素點灰度級，l為圖像最大灰度級；(4)基于Mimics軟件重構(gòu)三維顱骨原型；根據(jù)通用的醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)軟件(Mimics)的三維區(qū)域增長步驟，首先選取分割后顱骨圖像的任一象素點，則與此象素點連接的三維區(qū)域均被臨時記錄下來，然后按計算機存儲時的通常方式，指定輸出文件的路徑、文件名以及存儲格式，存放有Mimics軟件的計算機自動完成顱骨原型的三維模型重建，文件輸出格式為STL；(5)依據(jù)重建的顱骨三維原型設(shè)計缺損部位的修復(fù)體，具體方法為a 裝有通用曲面造型軟件(Surfacer)的計算機，讀入顱骨的三維原型數(shù)據(jù)；b 調(diào)整顱骨原型的位置；c 按軟件的三維曲線生成步驟，確定缺損部位的最終修復(fù)體的邊界曲線；d 利用通用曲面造型軟件(Surfacer)中的處理技術(shù)，即軟件框選提取點步驟，軟件取截面點云步驟，軟件生成曲線步驟，軟件生成曲面步驟，虛擬裝配修復(fù)體曲面和顱骨原型后，再按軟件中裁減步驟，裁減曲面得到最終修復(fù)體曲面，同時按軟件中曲面偏置步驟，偏置修復(fù)體曲面2mm，形成殼體，存儲為STL文件格式；
(6)利用快速原型系統(tǒng)制作修復(fù)體殼體模型，殼體STL文件輸入到快速原型系統(tǒng)，用ABS材料疊加制造修復(fù)體殼體模型；比照修復(fù)體模型，采用漸進成形技術(shù)壓制鈦合金修復(fù)體。具體參數(shù)為ABS材料絲直徑為0.4mm，材料成形溫度220℃，成形室溫度70℃，成形后保溫30min；將修復(fù)體殼體STL文件輸入到快速原型系統(tǒng)，制成修復(fù)體殼體模型。修復(fù)體是從方形毛坯板壓制而成，要獲得手術(shù)使用的修復(fù)體必須進行裁減。由于修復(fù)體曲面沒有明顯的便于確認的邊界特征，裁減所利用的邊界又是一條空間曲線，所以很難直接裁減出所需要的形狀。本發(fā)明采用實物對比法圓滿的解決了這個問題，具體過程如下a 讀入修復(fù)體殼體文件(STL文件)到快速原型系統(tǒng)，快速成形是基于材料堆積思想新的三維零件成形工藝，其基本原理是首先將三維模型離散成一定厚度的二維輪廓，然后逐層疊加制造形成三維零件；b 對殼體模型進行分層，分層厚度為0.15mm，存儲為cli文件格式；c 利用分層文件驅(qū)動快速原型控制系統(tǒng)，逐層疊加制造，形成修復(fù)體殼體模型；比照實物模型采用漸進成形方法壓制鈦網(wǎng)板的具體步驟為a 為保護鈦合金表面不會劃傷，用柔軟的布將模具包裹，在壓制零件時用塑料薄膜將鈦合金板封住。
b 采用漸進成形壓制零件時根據(jù)零件的不同曲率選擇模具，在成形相對平坦的零件時采用直徑大的模具，成形弧度大的零件采用直徑小的模具。壓制頻率影響成形效率，頻率高效率快，頻率低反之。
c 首先采用大模具壓制，通過調(diào)節(jié)壓入深度成形零件上不同曲率的部分，弧度平坦的部位壓入深度小，弧度大的部位壓入深度大。
d 對于弧度更大的零件或部位采用直徑小的模具壓制，這些部位主要集中于額頂部、顳部。
在壓制過程中反復(fù)與快速原型模型比較，直至兩者吻合。壓制設(shè)備由瑞士雅高(ECKOLD AG)和無錫金球機械有限公司生產(chǎn)，瑞士雅高設(shè)備稱作通用成型機(UniversalForming)，無錫金球設(shè)備稱作異形曲面快速成形機。
(7)利用漸進成形技術(shù)壓制鈦網(wǎng)板，設(shè)備采用無錫金球生產(chǎn)的異形曲面快速成形機。設(shè)備參數(shù)大模具Φ80mm和小模具Φ40mm，壓制頻率最高49赫茲；將制作好的修復(fù)體殼體模型與壓制好的鈦網(wǎng)板貼合比較，直至二者完全貼合(參見附圖8)，沿修復(fù)體模型的邊界裁減鈦網(wǎng)板，形成最終鈦網(wǎng)板修復(fù)體(參見附圖9)。
本發(fā)明依據(jù)顱骨的三維原型設(shè)計修復(fù)體，關(guān)鍵是修復(fù)體邊緣與顱骨缺損部位邊緣貼合良好。修復(fù)體邊緣要將缺損部位周圍覆蓋1-1.5厘米用于鈦釘固定。貼合良好能夠保證修復(fù)體與顱骨的接觸面積，增加手術(shù)的成功率和患者術(shù)后的舒適度。根據(jù)患者顱骨的缺損情況，確定兩種不同的設(shè)計方法方法一若當患者顱骨為一側(cè)缺損，另一側(cè)完好，可采用鏡像法，利用另一側(cè)健康數(shù)據(jù)設(shè)計修復(fù)體，其步驟為a 裝有通用曲面造型軟件(Surfacer)的計算機讀入顱骨三維原型；b 調(diào)整三維原型的位置，使原型的對稱面與YZ坐標平面重合，參見附圖4。具體方法是首先在顱骨對稱面位置選取三點生成平面1，然后在YZ坐標平面生成平面2，將三維原型與平面1組合為一體，按軟件系統(tǒng)中的對齊步驟，移動組合體使平面1與平面2重合，完成位置調(diào)整。調(diào)整后的三維原型便于后續(xù)的數(shù)據(jù)提取以及評估修復(fù)體曲面的外觀；c 沿YZ坐標面鏡像復(fù)制顱骨原型；d 按軟件的三維曲線生成步驟，依次用鼠標點取顱骨缺損部位邊緣的點，生成一條空間閉合曲線，參見附圖6內(nèi)部閉合曲線。再按軟件的偏置步驟，將生成的閉合曲線向外偏置10mm，作為修復(fù)體的裁減邊界，參見附圖6外圈閉合曲線；e 按軟件框選提取點步驟，將缺損部位正對操作者，沿裁減邊界勾畫矩形邊框，將邊框以外的點數(shù)據(jù)裁剪掉，參見附圖6；f 按軟件取截面點云步驟，將e步提取的點數(shù)據(jù)沿與顱面垂直方向作一組平行截面，截面間距D＝3mm，并提取截面點，提取的截面點參見附圖6；g 按軟件生成曲線步驟，用通用圖形學(xué)技術(shù)中的3次基本樣條曲線插值截面點，生成一組截面曲線，再按軟件重新參數(shù)化步驟，對生成的曲線組重新參數(shù)化，保證所有曲線具有相同的控制點和方向；h 按軟件生成曲面步驟，利用通用圖形學(xué)技術(shù)中的蒙皮曲面插值截面曲線，所得曲面即為修復(fù)體曲面；i 虛擬裝配修復(fù)體曲面和顱骨原型，觀察二者的貼合與外觀是否達到設(shè)計要求，同時可對曲面的控制頂點作相應(yīng)調(diào)整，直至達到滿意形狀，參見附圖5；j 按軟件中裁減步驟，利用d步生成的邊界曲線，將邊界以外的曲面裁減掉，裁減曲面即為最終修復(fù)體曲面；方法二若缺損部位面積較小，或無鏡像數(shù)據(jù)可供參考，則采用趨勢過渡的方法設(shè)計修復(fù)體，步驟為a 裝有通用曲面造型軟件(Surfacer)的計算機讀入顱骨三維原型；b 調(diào)整三維原型的位置，使模型的對稱面與YZ坐標平面重合，參見附圖4。具體方法是首先在顱骨對稱面位置選取三點生成平面1，然后在YZ坐標平面生成平面2，將三維原型與平面1組合為一體，按軟件系統(tǒng)中的對齊步驟，移動組合體使平面1與平面2重合，完成位置調(diào)整；c 按軟件的三維曲線生成步驟，依次用鼠標點取顱骨缺損部位邊緣的點，生成一條空間閉合曲線，參見附圖7內(nèi)部閉合曲線。再按軟件的偏置步驟，將生成的閉合曲線向外偏置10mm，作為修復(fù)體的裁減邊界，參見附圖7外圈閉合曲線；d 按軟件框選提取點步驟，將缺損部位正對操作者，用鼠標沿裁減邊界勾畫矩形邊框，將邊框以外的點數(shù)據(jù)裁剪掉，參見附圖7，為保證易于生成修復(fù)體過渡曲面，取盡量多的點云信息供參考，矩形域的范圍取四周大于裁減邊界20mm左右，參見附圖7；其余步驟同方法一的f-j步驟。
(8)貼合對比修復(fù)體殼體模型與壓制后的鈦網(wǎng)板，裁減形成最終修復(fù)體；(9)消毒后用于臨床手術(shù)，參見圖10。
本發(fā)明制備的修復(fù)體與患者顱骨貼合良好，臨床醫(yī)生評價說這種發(fā)明縮短手術(shù)時間，減少病人痛苦，手術(shù)質(zhì)量明顯提高。
按以上步驟實施鈦合金顱骨修復(fù)體的制備，從得到患者CT數(shù)據(jù)到預(yù)制出鈦合金修復(fù)體，總共不到2小時，最終修復(fù)體術(shù)中與患者缺損部位貼合非常好，大小合適，手術(shù)一次成功。經(jīng)臨床醫(yī)生比較，較之以往手工塑形方法，外形美觀，無需剪口，鈦釘數(shù)量減少，由于沒有術(shù)中塑形時間，手術(shù)整體時間縮短。
下表是本發(fā)明與目前主要制備工藝的比較結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種制作鈦合金顱骨修復(fù)體的方法，是由CT機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數(shù)據(jù)處理，在存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數(shù)據(jù)分割后，重建頭部缺損部位的三維修復(fù)體，然后將修復(fù)體殼體STL文件輸入到快速原型系統(tǒng)，采用快速成型技術(shù)制作修復(fù)體的實物模型，比照實物模型壓制鈦網(wǎng)板，最后貼合對比裁減鈦網(wǎng)板形成最終的修復(fù)體；其中CT圖像處理采用Mimics軟件系統(tǒng)，修復(fù)體設(shè)計采用Surfacer軟件系統(tǒng)，修復(fù)體模型采用熔融沉積快速原型系統(tǒng)；其特征在于，本發(fā)明是使用異形曲面快速成形系統(tǒng)，比照實物模型采用漸進成形方法壓制鈦網(wǎng)板，剪邊后得到最終的修復(fù)體，漸進成形方法的步驟為a用柔軟的布將模具包裹，在壓制零件時用塑料薄膜將鈦合金板封住；b根據(jù)零件的不同曲率選擇模具，在成形相對平坦的零件時采用直徑大的模具，成形弧度大的零件采用直徑小的模具；首先采用大模具壓制，通過調(diào)節(jié)壓入深度成形零件上不同曲率的部分，弧度平坦的部位壓入深度小，弧度大的部位壓入深度大；c在壓制過程中反復(fù)與快速原型模型比較，直至兩者完全吻合。
全文摘要
一種制作鈦合金顱骨修復(fù)體的方法，應(yīng)用于腦神經(jīng)外科顱骨修復(fù)等領(lǐng)域。本發(fā)明是基于患者CT圖像設(shè)計、裝配修復(fù)體，在存放有通用圖象處理軟件和反求設(shè)計軟件的計算機將斷層圖像進行數(shù)據(jù)分割后，重建患者頭部三維原型，依據(jù)三維原型設(shè)計缺損部位的修復(fù)體，然后采用快速原型系統(tǒng)制作修復(fù)體模型，比照模型壓制鈦網(wǎng)板，形成最終的修復(fù)體。特征在于首先通過數(shù)字設(shè)計技術(shù)制作修復(fù)體模型，使用異形曲面快速成形系統(tǒng)，采用漸進成形方法壓制鈦網(wǎng)板，避免了采用無模多點技術(shù)壓制大尺寸零件時產(chǎn)生的回彈、斷裂、皺褶等問題。采用本發(fā)明的方法所完成的鈦合金修復(fù)體制備精度高，成本低，速度快，最終修復(fù)體與患者顱骨吻合良好，實現(xiàn)了顱骨修復(fù)體的個性化定制。
文檔編號A61F2/28GK1586432SQ200410074339
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者李彥生, 費仁元, 郭宇, 韓景蕓 申請人:北京工業(yè)大學(xué)