利用计算机辅助设计医用树脂假体重建外形

吴 杰，李 悦

（1.唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 063020； 2.华北理工大学，河北省唐山市 063000）

利用计算机辅助设计医用树脂假体重建外形

吴 杰1，李 悦2

（1.唐山工业职业技术学院，河北省唐山市 063020； 2.华北理工大学，河北省唐山市 063000）

通过计算机开展采集技术，实现了计算机识别与人工识别的结合。让所需要进行设计的假体的轮廓曲线能够更好地进行拾取，且所拾取到的模型会表现出更清晰的边缘，呈现出完整的曲线轮廓，为后续的假体重建工作提供了良好的稳定性。再通过高新技术及新材料，进行从三维立体模型到实体原型的加工，让假体制作能够更加快速地实现从设计到实体转化，排除了一些传统工艺中的复杂程序。在很大程度上满足了医生以及患者的设计需求。通过镜像技术，能够达到精准的设计效果。本文主要对利用计算机辅助设计医用树脂假体重建外形进行了探讨。

计算机辅助设计 医用树脂 假体外形

随着高新科技的不断发展，计算机辅助设计技术以及计算机辅助制造等多项先进技术可以完美地实现从三维模型到应用型原型的设计、加工与制定。同时，利用好计算机辅助设计，还可以有效地避免诸多复杂程度的限制，实现快速成形。近年来，利用计算机影像数据技术，实现了对人体树脂假体的外形重建。通过计算机开展采集技术，实现了计算机识别与人工识别的结合。让所需要进行设计的假体的轮廓曲线能够更好地进行拾取，并且所拾取到的模型会表现出更清晰的边缘，呈现出完整的曲线轮廓，为后续的假体重建工作提供了良好的稳定性。再通过高新技术及新材料，进行从三维立体模型到实体原型的加工，让假体制作能够更加快速地实现从设计到实体转化，排除了一些传统工艺中的复杂程序。在很大程度上满足了医生以及患者的设计需求［1-3］。

1 利用计算机辅助设计技术进行形状采集

在进行假体外形重建设计过程中，需要对其进行形状的采集。这项技术包括了激光扫描、阴型、阳型数字化等机制，通过这些选项可以有效地实现初始化的模板造型设计，然后再利用计算机辅助设计技术，对所设计的数字化模型进行各种类型的修正。修改方式也随着新技术的不断发展，逐渐提高了设计精准度，这项技术包括了使用叠置照片、断层扫描技术、甚至X光片等来进行模型的建立。从当前发展趋势来分析，激光扫描仪是最为高新的科技，这项技术能够有效地实现一些最为常见的变量通过磁跟踪等技术来进行定位。通过磁跟踪这项技术，可以真实有效地形成一套精细的图像，实现对假体模型的辅助形状采集工作。在进行形状采集工作过程中，每一项技术都有技巧，通过对这些技巧的不断使用与熟练，可以得到精准度非常高的图像。对于这些技术而言，所具有的特征是在进行影像采集时，不需要对所采集的形状进行接触，因此受到的影响因素较少，不易造成影像变形，让所采集到的形状的体积能够与实体保持相应的等同，从而通过后续修正技术可以有效地判断体积变化。此外，对于这种高新技术，同样也存在一定的缺陷。对于人体皮下组织的密度，无法利用这种形状采集技术来实现，需要结合超声波记录来获取到相关的组织密度。

2 结合羟磷灰石（HA）特性进行形状修整

在进行医用树脂假体重建外形过程中，计算机辅助设计为临床医生提供了对假体进行修型的平台，可以在很大程度上提高修型的效果以及精准度。利用HA可以更好地为人体骨骼提供一个良好的修正机会。所谓的HA所指的是人体骨骼组织的主要无机组成成分。通过相关的医学技术将其植入体内后，身体组织能够有效地将其材料中的钙和磷等游离物质吸收，同时在身体机能的促进下能够长出新的组织。相关的研究表明，HA所呈现出的晶粒越细，其生物活性就会表现越高。当采集到一定的形状数字模型后，临床医生可以利用这项技术对假体外形进行精确的对线以及对称的修正，而且当遇到修正错误时，可以轻易地取消操作，重新进行修正工作。计算机辅助设计软件提供了许多的模型模板，可以利用这些模型模板中已经具备的修正、对齐、对正功能来进行形状修整操作与练习，为今后的实际工作提供练习空间。利用好计算机辅助设计技术，不仅可以降低医生在进行假体重建外形工作中的手工操作，还可以有效地提高整体工作的效率以及精准度。利用好这项技术，可以实现对一些细节工作的及时调整（如对称性，假体直径大小、假体目标围长等）。这些数据可以进行多种形式的添加与设计，通过编辑后进行保存，在工作中可重复使用。

利用计算机辅助设计技术与图像重叠技术的结合，可以轻松实现构建假体形状的工作。通过拍摄假体解剖位置（可以是假体的侧面或正面），利用计算机辅助设计技术中的影像缩放技术能实现对数字化模型图像的缩放，形成有用的假体轮廓，同时也可把假体表面的特征进行有效地展示。

临床医生通过图像叠加技术，能够非常容易地构建一套脊柱形状，再结合放射影像进行叠加，应用效果更加明显。因此，利用好数字化模型形状修正技术，可以实现与假体实物保持一致的效果。而且当积累了一定数量的假体模型之后，在今后设计工作中，可以按照不同的比例来修改，很大程度地节约了设计时间，优化了整个设计流程。

3 医用树脂颌面骨骼重建外形设计

3.1 运用HA材料与快速成型（RP）技术的结合实现颌面部骨骼重建

颌面部骨骼对于人体的组成形态而言复杂程度很高，而且其骨髓呈现的曲面连续性非常多。如果通过患者自体骨骼移植手术，还需要对移植的骨骼进行较长时间修整，对于面部所呈现的连续曲面修整无法达到高精准度，从而很难达到患者要求。随着生物材料技术以及计算机辅助设计技术的不断发展，通过手术前进行计算机辅助设计软件的虚拟设计与修整，可以精准判断出受损面部的各项数据，包括部位、受损程度以及受损处周边的组织关系。再利用影像技术来实现基于侧面部外形为标准的数字化图像进行修整，可以有效地实现面部轮廓的对称性。结合当前较先进的RP技术，把采集到的数据转化成为实体三维模型。通过具体的数据运算，可以精准计算出需要进行植入的修复假体的虚拟数据信息。再利用RP技术来为患者设计出具有个性化要求的HA假体。这种快整成型技术所获取到的假体，在进行植入后可以有效地与区骨面进行完美的贴合，而且利用好计算机辅助设计技术，能够对HA假体植入物精准定位。不仅有效地缩短了手术时间，而且能够更好地实现患者的面部对称性，有效地修复了受损骨骼，改变了患者的面部外形。

3.2 运用HA材料强塑性进行修复设计

当前，生物材料技术已经在许多的医疗工作中得到了广泛应用，尤其对于各种类型的重建手术以及创伤性组织恢复更为广泛。HA类型的材料所设计制造的假体在口腔、颅颌面部等修复术中得到广泛应用，主要是因为其材料的主要成分为HA。这种成分也是人体组织中骨骼以及牙齿的无机成分。而且该类型的生物材料，还具有相容性以及体内降解缓慢的功效，能够非常好地与人体骨骼形成有效的化学结合。不过值得一提的是，由于纯度较高的HA晶粒硬度不高，而且脆性较强，利用计算机辅助设计出的假体模型又具有一定的强塑性。因此，纯度较高的HA是无法直接作为医学材料进行使用的，应该把这种生物材料与顺丁烯二酸改性带基丙烯酸环氧树脂（EAM）以相应的比例混合。通过这种混合的材料，才能够符合计算机辅助设计软件所设计出来的高精准度的塑性需求。而且这种混合后的复合物，已经经过了临床实验证明，具有高机械强度，对于细胞毒性的危害程度也较低。因此，可以通过两者的结合来为需要进行修复的患者提供更好地修复设计。

4 医用树脂与计算机辅助技术的结合

4.1 计算机与雕刻机实现HA假体植入物的塑形

医学假体的制造是借助计算机辅助设计影像所设计的重要成果。在制造所需要的假体时，可以利用计算机来控制雕刻机把数字化图像制造成三维模型，而且HA与EAM的混合体具有可塑性。再借助先进的雕刻机，能够更快捷、更安全、更精准地制造出假体植入体。这里需要提及的是，由于假体制造的高精要求，雕刻机需要进行定期的维护与校准，从而正常工作。相关数据表明，借助计算机辅助与雕刻机所制造出来的假体植入物，与设计时仅存在着1.1%的误差率。

4.2 计算机辅助设计的HA假体植入物的效果分析

在医学学术报告中对人体假体植入物的使用进行了分析，指出了假体植入有可能会造成患者出现系列并发症。相关的数据显示，使用计算机辅助设计的HA假体植入物，经过长期的观察并未发现有特别的吸收现象发生。而且通过计算机辅助设计所制造出来的这类型修复植入物，通过医学影像检查后证实，整个材料以及外型都保持较为完整。由于所设计的数据较为精准，与骨骼的结合处曲面也具有非常稳定的连续性，没有发现人体假体HA混合物植入物出现移位或者突出的问题发生。由于从设计到制造，整个过程都采用了计算机进行辅助，而且借助了计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）以及RP技术制造的人体假体植入物没有出现大范围的并发症。可以说这项设计技术与生物材料，对于患者以及医学贡献都具有重要的作用。对之前许多的病例进行调查后发现，通过计算机辅助软件所收集到的数据、影像、三维模型以及术后面部三维数据分析，都显示与设计效果保持一致。无论从修复功能以及患者面部对称性都显著提高。

5 结语

通过计算机辅助技术所设计出来的HA/EAM人体假体植入物，在CAD/CAM以及RP技术的支持下，为颅颌面部受损患者的修复手术带来了非常好的效果。而且在借助先进的计算机影像技术、图像三维重建技术等工作，让整个修复手术的效果以及假体植入物的手术更加精准与安全。通过临床观察，这项技术具备了快捷、安全、精准度高、可塑性强、对称性好、术后恢复快等特点。这项技术的发展，能够改变以往在颌面部修复术中只能依靠经验来进行的局面，而且通过计算机辅助设计与HA混合物的完美结合，让这项手术变得更加简单、安全。

［1］ 俞析元，曹德军，柴岗，等.计算机辅助设计定制化植入体在复杂眶周畸形治疗中的应用［J］.组织工程与重建外科杂志，2014（1）：22-25.

［2］ 李瑞琦，张国平，任立忠，等.纳米轻基磷灰石及其复合生物材料的特征及应用［J］.中国组织工程研究与临床康复，2008（19）：3747 -3750.

［3］ 汤京龙，奚廷斐.纳米轻基磷灰石生物安全性的研究现状［J］.中国组织工程研究与临床康复，2007（5）：943.

CAD medical resin for shape of prosthesis reconstruction

Wu Jie1， Li Yue2

（1.Tangshan Polytechnic College， Tangshan 063020， China；2.North China University of Science and Technology， Tangshan 063000， China）

The computer acquisition technique is used to integrate the artificial and computer recognition. Therefore， the profile curve of the prosthesis that needs to be designed can be collected more effectively and clearly. The model picked up shows the profile curve perfectly， which provides stability for later prosthesis reconstruction. The high tech technologies and new materials are applied as well to the process of physical prototype from 3D model， which accelerates the design of prosthesis to solid model by cancelling some conventional procedures and meets the requirements of doctors and patients. Furthermore， mirroring technology is used to obtain precious effect of the design. This paper provides an overview of computer aided design medical resin for shape of prosthesis reconstruction.

computer aided design； medical resin； shape of prosthesis

TP 391.7

B

1002-1396（2016）01-0096-03

2015-08-03；

2015-10-31。

吴杰，女，1983年生，硕士，讲师，2009年毕业于华北煤炭医学院社会医学与卫生事业管理专业，主要从事计算机应用方向的研究工作。联系电话：15081560819；E-mail： wumaitiapds@foxmail.com。