基于Geomagic Qualify检测和提高激光快速成型法制造肋骨实体的精确度

阮 征，王永武，陈勇，梁学炎，伍 斌

1.上海交通大学附属第一人民医院胸外科，上海 200080；2.同济大学附属同济医院胸外科，功能材料实验室，上海 2000652；3.上海瑞珑汽车技术有限公司，上海 201600；4.上海质子汽车有限公司，上海 201600

肋骨几何外形的重要性不仅体现在胸廓的美观程度，也对应着相应的生物力学性能[1]。年龄、矿物质、脊柱和胸壁畸形均会影响到肋骨的结构和几何外形，从而改变正常的生物力学性能，造成功能受损[2-3]。胸部肿瘤、感染等因素导致肋骨破坏或需要外科切除，导致胸壁缺损、软化。临床研究发现，骨性结构的缺损会导致胸壁缺乏有效的立体结构支撑，外观形态会发生明显的改变，同时也会导致胸壁顺应性的下降，从而影响呼吸和运动的功能[4，5]。现有的重建材料能够解决胸壁重建所需要的机械强度和材料的组织相容性、生物安全性。然而，未能够解决肋骨结构所具有复杂的、立体的几何外形。Thomas认为，胸壁重建的目的除了保证胸廓的稳定性和密闭性外；还要维持良好的胸廓的外形，解决手术侧的胸壁收缩，避免造成胸廓成形术样改变[6]。后者往往受到忽视。

解决问题的关键是能够制造出，具有生理几何外形和一定力学性能的人工肋骨（假体）。现有的文献尚无报道设计和制造具有完整几何外形的人工肋骨。由于肋骨的曲面比较复杂，其几何外形各不相同，精确制造出人工肋骨存在较大困难。传统的工业成型技术，如车刨削或采用铸造、冲压等进行肋骨的制造，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，技术上也存在很大的困难。更为重要的是，传统的方法制造肋骨，多是以标准的解剖结构为对象进行加工制造。因此，不能够满足于临床“个性化”治疗的需要。在临床实际操作中，也不可能提供进行加工制造的原型肋骨，这似乎是人工肋骨制造方面的困难之一。

近年来，随着计算机辅助设计和制造技术、数字化影像技术的发展快速成型制造技术已经在医学领域发挥了重要的作用。如进行制造个性化人工假体、解剖/疾病模型、组织工程支架、术前的策划、术中导航和医学教育等[7-9]。成功应用于颅脑外科、骨科、整形外科等。

鉴于快速成型制造技术在医学领域制造人工假体和解剖模型的成功经验，以及该技术所体现出的快速性、先进性和精确性的特点，考虑到设计和制造具有完全几何外形的人工肋骨的空白及预期的临床应用的价值，我们采用数字化扫描技术获取肋骨的图像数据，结合计算机辅助设计技术，应用快速成型制造技术来制作具有完全几何外形的人工肋骨。同时，应用激光三维扫描仪结合Geomagic Qualify分析，测定人工肋骨的精确性，根据扫描结果的分析，确定产生较大偏差的部位，进行重点的优化设计和改进制造，希望制造出完全符合真肋几何外形的人工肋骨。

1 材料和方法

1.1 实验动物的准备和处理

动物饲养和实验均遵守1996年版的动物饲养和使用条例，并得到同济大学附属同济医院动物饲养和使用管理委员会的同意。

选取1条健康的雄性杂种犬，2岁，体重18 kg左右。在对犬进行胸部CT扫描前，应用氯胺酮（10 mg/kg）进行镇静。对犬实施安乐死时，先予异氟醚吸入，再静脉推注戊巴比妥钠（200 mg/kg）。犬安乐死后，即解剖出肋骨骨架，取右第7肋骨的皮质部分作为设计和制造的肋骨原型，进行对照研究。

1.2 犬肋骨图像数据的采集和文件格式的转换

镇静后的实验犬，胸部接受64排螺旋CT扫描(lightspeed VCT，GE healthcare)，层距和层厚均取0.625 mm。以DICOM格式保存于光盘，输入个人计算机。

应用图像编辑处理OsiriX软件，读取犬肋骨的DICOM格式CT图像。采用多平面重建，对所需要的相应肋骨的图像按其长轴方向进行分层，输出为新的DICOM图像，然后采用ROI（region of interest）的分割功能，选取第7肋骨皮质部分做为原型，利用阈值分割和区域增长功能去除软组织，得到第7肋骨的分割后图像，利用3D表面重建对第7肋图像进行三维重建，结果输出为STL格式的文件。

1.3 犬肋骨实体的制造

应用UG软件（Siemens PLM Software）对犬第7肋骨的STL文件进行处理，对肋骨图形中干扰和多余的数据进行删除，丢失的数据进行修补，再对数字化的肋骨进行平滑、降噪和松弛处理，最大限度的还原犬第7肋的解剖结构和几何外形，建立犬肋骨的实体模型，把处理好的STL文件导入到快速成型机，形成分层、添加支撑、形成刀轨等操作，应用SLA快速成型机（SPS600B，陕西恒通智能机器有限公司，中国），以14120光敏树脂（Somos公司，美国）为原料，加工每层厚度为0.1 mm，设计加工精度±0.1 mm，激光光斑直径:0.1 mm。以1:1 的比例加工犬右第7肋骨实体Ⅰ。

1.4 犬肋骨实体Ⅰ精确度的测定

三维扫描系统由柔性臂（CimCore，美国星科）和三维激光扫描系统（Perceptron，美国普赛）组成。分别对肋骨实体Ⅰ和犬肋骨原型进行扫描，获取点云数据，以STL的格式保持。然后，应用Geomagic Qualify（Geomagic，美国杰魔）软件，以犬真肋骨原型作为测量的参考模板，而制作肋骨假体作为测试对象，应用最佳拟合（Best Fit)的方法把肋骨实体与真肋拟合同一坐标下的进行3D比较，最终的结果通过不同的颜色(即色谱)来区分，分析结果同时显示正负偏值、标准偏差、百分偏差等。

1.5 犬肋骨实体Ⅱ的制作和精确度测定

根据肋骨实体Ⅱ进行激光扫描和Geomagic Qualify分析的结果，确定与肋骨原型偏差较大的部位。应用OsiriX软件和UG软件，再次进行图像处理和辅助设计，重点是产生较大偏差部位的改进和优化。应用光固化成型法制造肋骨实体Ⅱ。再次应用激光扫描和Geomagic Qualify进行测定精确度。

2 结果

2.1 应用医用CT扫描

结合计算机辅助设计和光固化成型技术，制造出具有完全几何外形的肋骨实体Ⅰ。

图1为UG软件处理后犬肋骨的IGS格式（计算机截图）

图2为快速成型制作的犬肋骨实体和肋骨原型

2.2 应用三维激光扫描系统和Geomagic Qualify软件测定肋骨实体Ⅰ的精确度

激光扫描犬肋骨及肋骨实体Ⅰ，各获取接近3万的点云数据。以犬肋骨为模板，其设定范围±0.5mm，应用点云数据进行统计测定。不同的颜色代表肋骨实体与犬肋骨之间不同的差异程度（见图3，4）。

扫描后经Geomagic Qualify分析发现，最大的正偏差1.764，负偏差-2.126，平均0.183/-0.253，标准 偏 差 0.346；百 分 偏 差 中 ，-0.25～-0.167，-0.167～-0.083，-0.083～0，0～0.083，0.083～0.167，0.167～0.250，分 别 是 8.074% ，15.043% ，17.091%，15.324% ，11.458%，5.173% ；标 准 偏 差中，-2～-1标准偏差，-1～0标准偏差，0～+1标准偏差，+1～+2标准偏差，分别是4.725%，18.174%，61.295%，9.347%。有3.589%的点云数据超过正偏差的设定值，8.249%超过负偏差的设定值，总计有11.83%的点云数据超过设定的正负偏差的设定值。也就是说，绝大多数点云数据（88.17%）在设定的范围内波动。

2.3 改进后的肋骨实体Ⅰ的精确度

最大的正偏差 0.782，负偏差 0.964，平均 0.123/-0.255，标准偏差 0.247；百分偏差中，-0.25～-0.167，-0.167～-0.083，-0.083～0，0～0.083，0.083～0.167，0.167～0.250，分 别 是 9.027% ，9.877%，14.781%，16.530%，12.243%，5.392%；标准偏差中，-2～-1标准偏差，-1～0标准偏差，0～+1标准偏差，+1～+2标准偏差，分别是 13.045%，25.178%，42.942%，14.741%。有 0.206%的点云数据超过正偏差的设定值，7.616%的点云数据超过负偏差的设定值，总计有7.822%的点云数据超过设定的正负偏差的设定值。也就是说，更多数点云数据（92.178%）在设定的范围内波动（见图5）。

图3应用Geomagic Qualify软件以最佳拟合的方法比较犬真肋和肋骨实体（计算机截图）

图4应用Geomagic Qualify软件测定肋骨实体Ⅰ后自动生成的报告（节选）

图1 UG软件处理后，建立肋骨的实体模型Fig 1 Rib prosthesis model using UG software

图2 肋骨实体（下）和犬肋骨（上）Fig 2 Rib prosthesis(down)and rib prototype(up)

图3 扫描后真犬肋（左侧）和肋骨实体（右侧），以最佳拟合方法进行比较Fig 3 Rib prosthesis(left)and rib prototype(right)best fit based on scaning(down)

图4-1 3D色谱分析：肋骨实体Ⅰ与肋骨原型差异图Fig 4-1 Chromatographic analysisof Rib prosthesisⅠand rib prototype

图4-2 肋骨实体Ⅰ，点云数据百分偏差分布图Fig 4-2 The percentage deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

图4-3 肋骨实体Ⅰ，点云数据标准偏差分布图Fig 4-3 The standard deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

图5-1 肋骨实体Ⅰ，点云数据的百分偏差分布图Fig 5-1 The percentage deviation of point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

图5-2 肋骨实体Ⅰ，点云数据的标准偏差分布图Fig 5-2 Thestandard deviation of a point cloud data distribution of Rib prosthesisⅠ

图5应用Geomagic Qualify软件测定肋骨实体Ⅱ后自动生成的报告（节选）

3 讨论

3.1 成功制造具有完全几何外形的肋骨实体

应用CT或MRI进行扫描，结合计算机辅助设计和快速成型技术制造解剖模型或模具，是项较成熟的技术[3-5]。我们采用医用CT扫描技术，把DICOM格式的犬肋骨数据经过OSIRIX软件的处理，重建肋骨的三维结构并转化成STL格式文件，再应用辅助设计软件UG的处理，确立实体模型，形成IGS格式文件，输入至激光快速成型机，制造出具有几何外形的肋骨实体，与影像学或实物原型的形态、尺寸完全一致，直观而准确地复制了肋骨。根据制造工艺的设定，其精确度可达±0.1 mm，使制造的肋骨实体与真肋（原型）几乎完全一致。

3.2 临床应用或预期应用价值

应用激光快速成型技术成功制造肋骨实体，无疑为将来制造能够直接应用于临床的肋骨假体奠定了技术基础。目前，应用CT扫描和光固化成型法制造的肋骨实体，尚不能够直接应用于临床，主要原因是光敏材料成型过程中可能存在有害物质，同时，材料的力学性能有限，不易消毒等[10]。但其在设计和制造过程中，所涉及肋骨数据的采集、格式转换、CAD软件的处理和实体模型的建立，其整个过程在不同的快速成型方法中是一致。因此，应用其他的快速成型法进行肋骨的制造也是可行的，如激光烧结法或三维打印技术制作人工肋骨，可能是更接近临床应用的方法。以肋骨实体为母模，进行翻模制作金属的人工肋骨是完全可行的，能够体现出完整的几何外形和足够的力学性能。对于大面积的胸壁重建，需要进行硬性支撑，也可以考虑此方法，并且符合金属植入物的材料安全性和消毒的要求。

目前，在胸壁重建中，尚缺乏具有完全几何外形和一定力学性能的肋骨假体，往往应用金属或树脂进行胸壁的硬性支撑，可能造成移植固定困难、松动，断裂，移位，甚至引发感染，造成被迫去除移植物或二次手术。若是因为感染或坏死需要应用重建，现有的重建材料多数不是最佳的选择[5，11]。

因此，设计制造符合生理几何外形和生物力学性能的人工肋骨假体成为临床的需要，也有广阔的市场前景。理想的人工肋骨假体能够起到替代肋骨，稳定胸壁，改善胸壁顺应性，从而有利于呼吸运动和内脏的保护。

快速成型技术所具有快速，便捷，精确地制造任意复杂的三维几何实体的技术特点，符合人工肋骨假体的要求。颌面外科、神经外科的临床经验表明，应用快速成型技术制造的假体或修复体的边缘与弧度能够精确地拟合缺损部位的自然形态，且术中无需修整，大大缩短了手术时间[12-13]。

3.3 肋骨实体Ⅰ精确度的测量

Geomagic Qualify是逆向校核软件，可对设计制造原型与已有实际零件之间进行自动的3D比对和误差分析。以直观易懂的图形比较来显示两者的差异，进行二维和三维几何形状尺寸标注，通过整体的测量和比较，可以更准确地找出问题点，帮助设计师理解问题，解决问题。根据设定误差等级进行色阶分析，色谱代表误差的分布形态，颜色越深误差越大，上下代表两个不同方向的误差。

我们将激光快速成型技术制作的肋骨实体与犬肋骨原型，分别进行三维激光扫描后获取点云数据，导入Geomagic Qualify软件中，以真肋为模板，进行3D测量和比较误差分布图及其偏差分布图。发现肋骨实体Ⅰ与真肋原型之间，最大的正偏差1.764，负偏差-2.126，平均偏差 0.183/-0.253，标准偏差0.346。显然，肋骨假体与真肋原型的几何外形有很高的相似度。从技术角度来说，肋骨假体具有较高的精确度。

尽管如此，我们仔细分析后发现，有3.589%的点云数据误差超过+0.5 mm的设定值，而8.249%点云数据超过-0.5 mm的设定值，总计11.838%的点云数据超过设定值的范围，即误差值在±0.5 mm外。通过Geomagic Qualify的分析，我们可以发现在肋骨的两端，灰色的部分代表误差范围大的部分，即肋椎关节面和肋骨-软骨离断处，有较大程度的误差。其主要的原因是，CT扫描获取图像数据后，在区分肋椎关节时存在较大的困难。肋椎关节是复合关节，肋头与胸椎椎体的侧面肋凹形成肋头关节，肋结节的关节面与胸椎横突肋凹形成肋横突关节，其间，附着有韧带和纤维结缔组织[14]。既使是最有经验的放射科医师，在对此区域进行阈值区分和切割时也面临困难，特别是肋骨头所具有的不规则面或凹凸面。这也就是通常所说的，造成假体或实体模型产生误差的主要原因是，即对制造原型（本研究指肋骨）数据的采集、提取中的人为因素干扰或失误造成的[15-16]。另外，光敏树脂材料可能存在固化收缩产生的轻微的变形或加工过程中参数设置的原因[17]，导致肋骨的两端产生较大的误差，但这不是主要因素。

3.4 肋骨实体精确度的提高

激光快速成型法制作的零部件有很高的精确度，通常并不涉及图像信息的丢失、噪点、数据格式的转换等，信息的完整性和连续性得到根本的保证。在临床实际中，无法直接获取所需制作的骨骼的数据，必须通过CT或MRI扫描后，经过转换数据格式、图像编辑和处理，建立实体模型，才能被快速成型机所识别，进行加工制作。部分骨骼数据，由于疾病或损伤的关系，已经发生结构的破坏或变形，只能够通过采集对侧健康的结构，再通过镜像技术进行转换获取。因此，应用快速成型法制造医用假体或解剖模型，过多的环节可能产生相对较大的误差，其精确度可能有所降低。关键是这些改变对于医学领域来说是否可以接受。越是对外观形态或功能要求高的部位，可能需要的精确度越高。对于肋骨假体来说，并不要求很高的精确度，按照现有的技术和方法制造的肋骨实体已经能够满足设计的要求。

根据Geomagic Qualify分析的结果，确定肋骨实体与肋骨原型偏差较大的部位。误差分析图谱显示，肋骨实体与犬肋骨点云数据的偏差大部分都在±0.5mm以内，偏差在±0.5 mm以外的区域可以根据需要重新对肋骨的实体模型进行调整。再次应用OsiriX软件，进行精细化的操作，特别是注重肋椎关节及肋骨-软骨连接处图像的切割和提取，再应用UG软件，进行优化处理和辅助设计，重新建立肋骨实体模型，再次制造的肋骨实体Ⅱ。经过激光扫描和分析，分析改进后的肋骨实体Ⅱ的精确度有较为明显的提高，表现在，最大的正偏差0.782，负偏差-0.964，平均 0.123/-0.255，标准偏差 0.247。其中，7.822%的点云数据超过设定值，更多的点云数据（92.178%）在设定的范围内波动。

根据结果提示我们，快速成型机制造工艺的精确度远远高于现有CT扫描所能够提供的分辨率，使之不相匹配[18-19]。因此，我们应该采取更薄的CT层厚及层距，扫描出更细小的解剖结构。才能够保证肋骨原始数据的完整性和真实性。在应用UG软件处理时，工程技术人员对肋骨的正常结构也要熟知，避免数据处理过程中的错误导致解剖信息的丢失或添加。

基于医用CT扫描，结合计算机辅助设计和激光快速成型法制造具有完全几何外形的肋骨是可行的，具有无创、直观、快速的技术特点。应用激光三维扫描结合Geomagic Qualify软件分析，可测定肋骨实体的精确度，证明了快速成型法制造肋骨具有较高的精确度。同时，根据扫描所发现的产生差异的部位，进行针对性改进，使之更加符合和接近制造原型（肋骨）的几何外形结构。

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