计算机辅助设计与快速成型技术数字骨科入门（二）

尹庆水 万磊

继续教育

计算机辅助设计与快速成型技术数字骨科入门（二）

尹庆水 万磊

1 计算机辅助设计人体骨骼快速成型技术的起源

随着计算机技术的飞速发展，借助功能强大、性能完备的计算机软件，人们可以获得拥有足够分辨率的三线曲线模型、表面模型以及实体模型，在此基础上，计算机辅助设计（computer aided design,CAD）应运而生了。

快速原型技术(rapid prototyping,RP)，又称快速原型制造技术(rapid prototyping manufacturing, RPM)，是国外20世纪80年代后期发展起来的一门新兴技术。现代热聚合物及对其控制能力的发展加之激光技术的进步，促进了三维软件和原型技术的结合，RP技术由此诞生。近年来，得益于计算机技术的普及，RP技术得到了广泛应用，并取得了良好的社会效益和经济效益，尤其是在产品设计及模具制造等方面具有独特优势，大大缩短了产品的设计与制造周期，加快了产品的更新换代。在骨科学领域，RP技术有助于更加形象地认识骨骼正常结构的空间特征，准确诊断复杂性骨折，设计手术方案以及评价术后生物力学稳定性等等。

CAD人体骨骼快速成型（computer aided design-reverse prototyping,CAD-RP）技术是以CAD为 基 础 ，综 合 了 逆 向 工 程（reverse enginreering,RE）和快速自动成型技术，并与人体骨骼解剖学相结合的一种新型人体三维成型技术。它集CAD、计算机辅助制造（computer aided manufacturing,CAM）、精密伺服驱动和新材料等先进技术于于一体，基于离散—堆积成型原理，利用人体二维断层图像信息(CT/MRI)，进行计算机三维建模，采用相应处理软件转换生成数控加工命令，并将加工材料(纸、液态树脂及粉末材料等)层层固化或堆积，由点到线，由线到面，由面到体，经激光烧结，叠加生成实物的三维CAD模型，最后制造出1：1的人体骨骼立体实物模件。

2 CAD-RP技术的相关设备

第一台RP设备于1987年诞生于美国3D公司。此后，RP技术发展迅猛，设备种类层出不穷，材料固化方法多种多样。目前，就材料固化方面，可分为激光和非激光烧结法、固体表层造型法、层片制造法、熔化沉积法、选区粘结法和激光气相沉积法等，且每种方法都有其各自的特点。选择性激光烧结法是最早应用的RP技术，初期占有较大市场份额，但其可用材料范围窄、成本高，成型件耐热、耐负荷、着色能力较低，因此已逐渐被其它方法所取代；溶化沉积法成型速度快，成本低，但零件尺寸小，精度差，应用受到一定限制；层片制造法选取纸或塑料薄片等成本较低的材料，且激光只照射每一层的轮廓边缘，成型速度快，但产品表面质量差；选择性激光烧结法运用激光进行烧结，塑料、陶瓷、金属等材料均可成型，成型件耐热、耐负荷和着色能力较强，具有广泛的应用前景。

RP技术的主要用途是制造用于设计和试验的产品模型。RP模型在材质方面有所不同，但外形及尺寸则与传统加工方法制造的产品模型相差无己，且具有一定的机械强度，可进行功能性试验，同时经过表面处理，仿真程度高。目前通过RP技术制造的模具主要包括由软材料制成的成型模(蜡模、环氧树脂模、硅橡胶模、低熔点合金铸造模等)以及由陶瓷或金属基合成材料制成的硬型腔模。制造硬模时可用RP零件作母模，首先制作环氧树脂模或其它材料软模，在软模中浇注陶瓷或石膏模，进而浇铸钢水制成钢模；或者在软模中浇注混合有化学粘结剂的钢粉，进行烧结制成钢模。另外，RP技术也可用于制作特殊部件，如个体化的人体骨骼。RP技术制作模具和产品的成型设备，均需读取CAD系统生成的STL或CLI等文件格式数据，不同的文件格式数据对其精度有较大影响，因此研究CAD系统对RP设备具有相当重要的意义。

3 CAD-RP技术在骨科的应用

3.1 应用范围

在骨科基础研究领域，CAD-RP技术常被用于仿生制造与假体工程。通过RP技术制作的人工骨骼，其突出特点是微孔的数量、大小、分布及形状均可人工控制。这种人工骨骼不仅与被代替的骨骼在形状上基本保持一致，而且具有极好的生物相容性和生物可降解性，可以在体内逐步被再生骨骼组织所替代。这种载体框架的内部由于具有微孔结构，组织液和成骨细胞容易长入，因此可以形成一种有利于细胞粘附、增殖和功能发挥的微环境，以此达到与组织工程并行生长、加速材料降解和成骨过程、促进组织修复的目的，较好地实现了制造先进性与生物活性的一体化。在假体工程方面，学者们通过计算机设计制造出新型复合个体化人工膝关节，术中假体与异体骨、对侧关节的匹配情况良好。目前绝大多数骨科器械的研发均采用计算机进行辅助设计与分析。

在骨科临床研究方面，CAD-RP技术具有广泛的应用空间。目前，骨科CAD-RP技术主要用于以下临床环节：（1）计算机三维重建，虚拟还原骨骼/骨折三维形态；（2）有限元计算，进行应力分布预测；（3）计算机虚拟手术，进行手术可行性研究和结果预演；（4）计算机个体化测量，指导骨折复位；（5）三维模型成型输出，可供医生了解掌握患处形态、进行术前模拟操作及向病人宣教等；（6）手术模板打印，消毒后直接用于手术操作，可进行置钉、矫形等复杂手术。目前国内已在三踝骨折、跟骨骨折、股骨颈骨折、骨盆骨折、下肢矫形、膝关节修复、骨肿瘤、寰枢椎不稳、脊柱侧弯、脊柱后凸畸形等疾病的治疗中开展了CAD-RP技术的基础和临床研究。

3.2 临床意义

随着数字化测量、计算机模拟、三维仿真等一系列计算机技术的飞速发展，骨科学的临床研究和治疗技术进入了数字医学时代。国外学者运用RP技术对骨科患者进行辅助诊断和治疗，结果表明，该技术明显提高了骨科手术术前诊断的准确性，缩短了平均手术时间，优化了手术方案，对患者的宣教工作亦获得满意效果。我科于2008年5月始开展了CAD-RP技术，目前已实施了110例相关骨科手术，主要包括四肢复杂骨折的个体化手术、股骨颈置钉导向模板辅助股骨粗隆间/股骨颈骨折内固定手术、骨肿瘤的综合保肢治疗、四肢畸形的截骨矫形、寰枢椎后路椎弓根内固定导向模板精确置钉、TARP钢板的设计改良及手术方法改进、脊柱侧弯后凸畸形矫形术等。我们的研究结果显示，CAD-RP技术有助于术前诊断、虚拟手术以及效果评估，可以进行精确手术设计和术前模拟手术，改变了临床手术依赖经验和手感的传统，缩短了年轻医生的学习周期，提高了手术精确性；利用CAD数字化导向模板还可对畸形和解剖变异患者进行高难度和高精度的个体化手术，最大限度地降低并发症的发生率，从而提高手术的安全性。

3.3 存在问题和注意事项

尽管CAD-RP技术发展势头迅猛，但作为一种新型的技术，仍有其局限性和需要注意的问题。例如，CAD数字化导向模板与骨骼的正常吻合主要依赖于骨性凸出结构的良好显露，依据骨性结构的凹凸特点通过计算机反求法建立互补组件，在手术中需要对骨性凸出结构进行广泛剥离和充分显露，术中创伤较大，因此应注意肌肉韧带附着点的修复。在数字化导向模板辅助寰枢椎后路椎弓根内固定置钉术中，枢椎进钉点位置位于下关节突后部，表面为斜坡状，加之进钉角度需头倾、内斜，使用手钻进针时容易打滑，影响准确性。故手术中可先依据导向模板定位标记，垂直开口后再依据导向模板设计的钉道钻孔。运用股骨颈置钉导向模板辅助股骨粗隆间/股骨颈骨折手术时，应充分考虑股骨头在实际手术复位操作时前倾角和颈干角恢复的程度，合理设计导向模板角度，必要时需要根据健侧镜像结构进行虚拟复位，在此基础上制作导板。

3.4 展望

在可以预见的未来，计算机的功能更加强大，软件功能更加完善，能够从CT/MRI或者虚拟人数据中自动提取特征参数或重要几何细节，直接生成个体化骨骼模型；计算机辅助技术可设计出个体化内固定器及个体化人工假体，结合组织工程学技术制作出具有组织活性的仿生人体骨骼植入物；CAD-RP技术还可与手术导航与机器人辅助技术等数字技术结合，发挥更大作用。毫无疑问，我们已经步入了骨科数字化的新纪元，而CAD-RP技术将对骨科的基础和临床研究产生不可估量的影响。

（待续）

（本文编辑 白朝晖）

R68,R319

A

1674-666X(2009)02-0151-03

10.3969/j.issn.1674-666X.2009.02.020

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