快速成型论文

快速原型技术在医学方面的应用 摘要：快速成型在医学中应用研究是集快速成型技术、扫描、医学图像处理技术、技术等一体的综合性学科，用快速成型方法制作单个病人骨骼结构的解剖模型已有近十年的历史，同时还应用于口腔医学等医学领域。RP模型在医学中的应用还将会不断扩展和深入，快速成型技术已广泛应用于工业各领域；近年来通过与螺旋CT或核磁共振等检测手段的三维图像重建功能相结合,在心血管外科、耳鼻外科、骨科、法医学以及组织工程学等各个医学分支领域显示出其良好的应用前景。本文将讨论快速原型在医学几个方面的应用。

关键字：快速成型 医学应用 医疗诊断 模拟模型 口腔医学

引言：

快速成型技术用于医学领域最早始于20世纪90年代初，很大程度上是借助CT及核磁共振等高分辨率检侧技术的发展。其基本步骤是通过计算机专用软件对CT 或 MR 逐层扫描所获得的图像数据信息逐层进行转换而转换得到的数控加工命令于可控制相应的机床依次逐层加工制作三维棋型。早期的图像信息采集是将 CT 扫描的图像胶片置于透射式扫描仪中读取后，传输至个人计算机进行数据处理转换，因此，加工精度很大程度上取决于所提供的CT 胶片的精度。随着可下载原始数据的螺旋 CT及三维容积重建方法的问世，已有的CT 图像数据可直接愉人计算机并按一定数学方法在各层之间进行差值细化三维产品的加工精度也随之大大提高。虽然医学应用只占 10 ％的 RP 巾场，但医学对 RP 的应用提出了更高的要求。历史上，RP已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他医疗设备的原型的制作。运用生理数据的原型制作方法采用了SLA、LOM、SLS、 FDM 等技术，这些模型向那些想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生提供了帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科整形外科和头颈外科等得到应用。帮助外科医生进行手术规划而如果没有物理模型，这是不可能实现的。所以快速原型对于医学方面的研究具有重要的意义。另外快速原型在医学中的应用建立在几种先进技术的不断发展基础上逐步改变医学诊断、手术规划、假体制作等传统方法,具有较大的发展潜力和实用价值。

一、快速成型技术在医学领域应用的总括

1、设计和制作种植体

运用RP技术，设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体，这样极大的减少了种植体设计的出错空间，并且这种适合每个病人解剖结构的种植体确实能保证一个更好的手术结果。能制作出与病人完美配合的种植体这一点可以帮助外科医生大大缩短手术操作时间。这不但

让病人减少了麻醉时间，还能减少费用。

2、颌面赝复体的制作

快速成型技术制造义耳是利用面部MRI结果，经重组形成三维图像。提取面部正常耳的数据，反转形成缺失耳的数字影像资料。应用SLA技术制成一个光固化树脂耳模型，通过向树脂耳的硅橡胶阴模注入溶蜡而形成蜡耳模型。

3、为颅骨成型技术制作假体

对患者头部进行CT扫描，获取图像数据文件，运用计算机相应软件完成三维颅骨重建。如果颅骨缺损未达中线，可以通过镜像过程获得假体的图像数据。但如果超过中线就需要通过已建好的解剖学数据库进行修补。之后，运用快速成形术分别制作颅骨和假体的模型，并将两者适合。

4、假肢制造

从CT断层数据获得患者残肢的轮廓信息，CT数据转化为STL格式，CAD软件重建患者残肢的平滑图像，并进行有限元分析，以获得残肢受力分布，这样就可调整假肢几何形状以改进适配性和负重特征。SLS的方法建模，用多聚碳酸酯制作适配良好的假肢。

5、辅助外科设计

通过快速成形术重建生物模型，通过模型更直接地观察和分析组织的解剖结构，优化术前手术计划，进行更加真实和可重复的手术模拟，减少了手术时间和手术风险，同时有利于医生和患者间进行交流，使患者更了解手术目的和局限性。

6、生物工程

如：生物活性骨仿生制造。针对骨的具体结构，进行产品的几何模型的CAD造型，再利用内部细微结构仿生建模技术及分层制造，常温下用生物可降解材料边分层制造边加入生物活性因子及种子细胞。用快速成型技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境，以利细胞的粘附、增殖和功能发挥，以此达到组织工程骨的并行生长，加速材料的降解和骨过程。

二、快速成型技术在口腔医学领域的应用

1、在口腔修复领域的应用

利用RP技术制作患者牙冠、牙槽骨等的三维模型，根据模型设计、制作和安装义齿。

⑴Witkowsi等利用SLA技术与失蜡法相结合给患者制作可摘局部义齿，效果满意且大大缩短了制作时间。

⑵Wu等利用RP技术辅助制作了铸钛牙冠，且浇铸前使用商用软件对铸道进行了优化设计。他认为此技术在替代传统的“取印模和上蜡”等步骤上有着巨大的潜力。

⑶美国麻省理工雪学院的J.Grau等人采用TDP技术制备了粉浆浇注的氧化铝陶瓷模以代替传统的石膏模，因其具有更高的强度，并可加热至几百度以缩短干燥时间。

⑷国内高勃等利用LOM法制作全牙列模型，有很好的几何相似性，为进一步应用激光烧结金属或陶瓷粉末直接制作口腔修复体奠定了基础。

2、在口腔种植领域的应用

做种植义齿时，CT等影像技术对周密的手术计划有很大的帮助。Sarment等发现仅在CT影像指导下进行种植手术，术前计划与术后相比，在牙槽嵴植入点平均

相差1.5mm，骨内种植体顶点相差2.1mm；在SLA模型指导下进行手术这两个值分别减小到0.9mm和1.0mm。

3、在口腔内科领域的应用

Kim等报道了一个接受口腔内科治疗的患者，甲状腺功能减退1年后发现有多发侧副根管侵入性牙根吸收，他利用RP技术制作了一副牙齿后，很快明确了发生的位置和面积。健康的牙周膜中活性细胞的保持对于牙齿自体移植的成功起着非常重要的作用，因而缩短体外操作时间意义重大。Lee等利用RP技术制作了供区牙齿模型，在受区比测合适后再取供区牙齿进行移植，结果减少了手术时间，总共移植的22颗牙齿的牙周膜良好。

4、在口腔正畸领域的应用

利用RP技术给患者制作个性化的正畸托槽，减小了托槽体积使患者感觉舒适，且减少了托槽意外脱落的发生。

5、在口腔颌面外科领域的应用

在辅助诊断(骨折、关节强直、阻生齿)、制定计划、模拟手术、治疗等方面发挥重要的作用。

另外牙齿矫正导向结构的制作也初步探索了口腔医学与快速成型技术结合发展的思路。

三、快速成型技术在医疗诊断方面的应用

快速成型技术的应用为诊断和教学提供直观、可触摸的信息记录，易于测量利于深人研究从而使手术操作者之间、放射科医生和外科医生之间医生和病人之间的交流更方便。外科学是 RP 技术最早在医学应用的领域特别是对于骨外科、领面外科、整形外科等的临床实践。利用 RP 技术可以加工出内、外部三维结构完全仿真的生物模型（ Biomodel ) ，其线尺寸误差小于 0.05mm 总体误差不超过0.l % ，这样的精度完全可以满足外科手术的需要并且可以克服生理解剖标本获得的难度及道德伦理方面的困扰。面临现代术式改良迅速及原发病损复杂等挑战，借助丁 RP 加工的患者术区解剖结构模型，外科医生可以更直观地了解术区状况并结合模型具体讨论复杂特殊病例、制定更合理的手术方案。

在模型上还可以试行手术，以预演术中可能会遇到的情况，井可比较不同术式的优劣，同时也可向年轻医生演示或供他们进行操作训练．对于正额外科及整形外科手术则更可以通过对术前及术后形态的比较，预侧评估患者的术后效果。另一方面，借助 RP 模型也可使医生更容易对患者讲解手术的相关细节，加强医生和患者间的沟通便于患者对手术形成直观的认识而更积极的配合手术。至于一些特殊病例的模型，还可以收集管理作为重要标本资料供日后类似病例参考。正因为 RP 模型的以上优势便得该项技术几乎可用于外科各个分支。

四、快速成型其他的医学用途 当然，RP还有别的医学用途。美国新泽西州的一个医疗器械公司运用一种称为"Theriform"的变种3维打印制作药品传送系统原型，运用FDA认证材料，一些医用胶囊等产品可在这套系统中生产出来。而传统的医药制造技术很少能成功。这个应用案例说明RP可用于医药制造中。

五、总结

很明显，RP的医疗应用较为广泛，也在不断增长。这一块市场可能永远也不会超过汽车或航空，但它将持续影响很多生产医疗仪器的公司和众多需要复杂外科手术的病人。目前,国内外针对快速原型在医学中的应用已经有了广泛研究,并且在个别区域已经发展得比较成熟。但是,大多数应用研究都集中在骨骼组织的三维重建与原型制作,很多都是限于模型参考,手术规划,并没有将快速原型模型直接应用到实际手术当中。另外,针对于心脏、血管、血管瘤、气管等软组织方面的研究相对较少，还需要进一步的技术提升。而准确复制软组织结构可以提供个性化软组织模型,在诊疗、手术和医学教学等领域具有很大的意义。随着生物材料的发展人们也完全有理由相信用RP技术可制作出能直接植入人体的组织和器官。除此外，快速成型在人造五官医学假体特别是整容术赝复体的设计及制造方面,也具有良好的应用前景。相信在不久的将来，随着快速成型技术的不断提升，其在医学领域的应用将越来越广泛，并将更好地造福人类。

参考文献：

1、王广春 赵国群 《快速成型与快速模具制造技术及其应用》 机械工业出版社 2004.6

2、张富强 《快速成形在生物医学工程中的应用》 人民军医出版社 2009.5

3、曹睿 《快速成型在医疗领域的广泛应用》 2007.5

4、高勃 《快速成型技术及其在口腔医学中的应用》 2000.5