浅谈计算机信息处理技术提高人工假体的吻合度

徐锐光 杨书程 乔森 郭钰坚

1 山西省医疗器械检测中心 （太原 030012）

2 太原市妇幼保健院 （太原 030012）

3 长治市第二人民医院 （长治 046000）

0.引言

人工假体正确的形状和尺寸是具备应用的基础条件之一，传统的建模成型工艺无法精确提取病患轮廓，复原率不高，导致形状尺寸误差大，从而限制了使用。本文阐述了如何利用计算机信息处理软件，将人工股骨头假体的形状尺寸快速正确的制作成型，从而提高假体在安装部位的匹配程度。

1.人工假体节置换领域的现状和问题

人工假体置换术作为有效的治疗方法得到了广泛的应用，目前国内所用的人工股骨头假体只能从固定规格的系列产品中选取，它与股骨腔吻合的效果较差，直接影像人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能等。在国外，通过CT 扫描数据输入计算机进行三维实体成型，可制造出与病人骨骼完全一致的模型，用于诊断、治疗及模拟手术过程等用途，同时具备较高的吻合度。

2.三维实体重建

2.1 数据的采集

首先要对病人预置换股骨头处进行CT 扫描，分别进行俯视图扫描、主视图扫描，目的是为了得到清晰的股骨头球面轮廓，如图1 所示。

通过AutoCAD 中的光栅图像参考功能将图片依次导入，并进行红色标记轮廓识别（图2）。

2.2 图像边界轮廓提取与修整

删除底片保留轮廓线，利用软件将其进行贝塞尔曲线修整，结合CT 扫描的尺寸数据按比例调整为建模尺寸如图3。

目前关于三维重建的方法是，通过扫描仪将CT 实体照片以高分辨率模式扫描为电子照片格式，然后利用PS 对其进行二值化处理，使用Freeman 进行链码提取并跟踪轮廓，再将每个断层外轮廓数据导入AutoCAD 中，组成一个三维体数据，再进行曲面重建，最终利用蒙皮法得到三维形体。这种方法可以制造出与病人骨形完全一致的假体，但类似仅需要考虑股骨头与股骨腔吻合程度的问题而言，只需要精确提取股骨头球面轮廓尺寸和形状即可。

2.3 矢量化处理

采用软件CAXA 实体设计中的扫描、投影、放样和布尔运算功能更加快捷的实现建模。

首先将提取修整后的轮廓放入实体设计环境，右键编辑两个方向的轮廓截面，以轮廓中心点为基准，按照2:3:5 的比例缩小轮廓，得到同心3 个相同的轮廓截面。然后按照主视图和俯视图轮廓显示的高度，依次放置在底部、中间和顶部，并从上至下依次投影，以顶部底面为起始面，底部上面为终止面进行放样操作，如图4。

最后将两个方向上形成的实体利用三位球同心，进行布尔加法运算，得到组合实体（图5 红色区域），完成股骨头的三维建模。

图1.

图2.

图3.

图4.

图5.

3.快速原型制造

3.1 RPM 成型机

传统的制造成型过程是利用铸造制造出毛坯，然后对毛坯进行磨光或抛光，形状和精度是通过从毛坯上去掉多余的材料来保证的，吻合度不高，而快速成型的基本理念则是在计算机的控制下，将材料精确地堆积成型，无需加工即可制造。

将设计出的三维实体转换呈快速成型机所能接收的STL 格式，输入机器，该机的基本原理（图6）是将实体模型切片成一系列具有一定厚度的薄层，计算机控制其激光束按薄片截面轮廓形状将薄层材料切割出该层横截面的形状，然后层层堆积并得到实体。流程图（图7）

3.2 3D 打印成型

3D 打印技术是根据CAXA 分层模型所获得的两维像素信息，利用喷嘴向待成型体床上喷射粘接剂，每打印完一层后，粉料床通过底部活塞向下移动一段距离，并在粉料床的底部添加新的粉料，再根据计算机要求向新的粉料床喷射粘接剂，重复此过程，得到实体。主要应用于制造陶瓷、金属、金属陶瓷复合材料及高分子材料的假体中。

图6.

图7.

4.结束语

近年来，假体移植手术不断增多，不同病人骨骼又都不相同，导致固定规格假体的吻合度已不能完全满足要求，而使用计算机信息处理技术，不仅能够利用病人的CT 扫描数据提高吻合度，还可以通过快速成型实现缩短诊疗时间的目的，为手术的安全性、实时性提供了强有力的技术保障。

[1] 李世普.生物医用材料导论.武汉理工大学出版社.2008

[2] 陆晓春.CAXA 实体设计.北京航空航天大学出版社.2005

[3] 徐跃，梁碧玲.医学影像设备学.人民卫生出版社.2010

[4] 胡荣慧，巫北海，张绍祥，谭立文，王建，陆明.髋关节CT 三维重建与可视化研究.第三军医大学学报.2007.14