骨科植入物的混合建模设计研究（阿依古丽 喀斯木 阿拉法特 买尔旦 乌日开西 艾依提 艾合买提江 玉素甫）.pdf

1 4 4机械设计与制造M a c h i n e r yD e s i g n&M a n u f a c t u r e第3 期2 0 1 7 年3 月骨科植入物的混合建模设计研究阿依古丽喀斯木1 ，阿拉法特买尔旦，乌日开西艾依提1 ，艾合买提江- 玉素甫2( 1 新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 4 7 ；2 新疆医科大学第一附属医院显微修复外科，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 5 4 )摘要：研究了一种将正向三维建模与逆向工程建模相结合的混合建模方法，用来进行金属植入物三维c A D 建模。以解剖型接骨板为例，利用参数化设计法进行接骨板规则部分的三维建模，利用逆向工程技术对接骨板具有解剖学特征的部分进行逆向工程建模，再利用三坐标测量仪构建对齐参考线，并在u G 中进行正、逆两部分三维c A D 模型的拼接。利用建立的骨科内植物三维模型开展了虚拟手术、生物力学分析，以及利用3 D 打印制作模型用于术前模拟等应用，取得了良好的效果。关键词：混合建模；骨科植入物；逆向工程；3 D 打印中图分类号：T H l 6 ；T H l 2 2 ；T H l 6 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 叭7 ) 0 3 一0 1 4 4 0 4S t u d yO nt h eH y b r i dM O d e n gO ft h eO r t h O p e d i cIm p I a n t sB a s e dO nt h eF O n ，a r da n dR e V e r s eE n g j n e er i n gA y i g u l iK A S I M U l ，A l a f a t eM A I E R D A N l ，W u r i k a i x iA I Y I T l l ，A i h e m a i t i j i a n gY U S U F U 2( 1 S c h o o lo fM e c h a n i c a IE n g i n e e r i n g ，X i n j i a n gU n i v e r s i t y ，x i n j i a n gU m m q i8 3 0 0 4 7 ，C h i n a ；2 F i r s tA m l i a t e dH o s p i t a lo fX i n j i a n gM e d i c a lU n i v e r s i t y ，X i n j i a n gU m m q i8 3 0 0 5 4 ，C h i n a )A b s t r a c t ：4b 6 蒯啪如f 吆撇t o d 训危j f c 危c D m 6 i 聊s 如M 删啪如2 堍埘觚阳即e 阳ee 嚼船e 矗n g 叫s 以拓dt o6 u 抛3 DC A Dm o 如z 旷o n 丘o p e d 恐sm e 积i ，印2 帆如砒e 帆哦o m 记以p f m e s e z 姗p 2 e ，p 删叻证如s 势m e 切d 埘船e d 幻，如z er e 肛妇p 矾( 矿矗ep z 甜e ，肌dr e 移e 琚ee n 百，z e e r i n gm e D d 训瑚e d om o 如z k 甜z m D m i cp n ，朽可危ep f m e 7 矗e n 口r 巴斥r e n c ef i n e 加r以i 缈i 昭m D 如如叫e 5 曲凰k d6 yt 阳e c o o 砌凡m e s 玎醒珊M 一昭m n c i n e ，吼d 船m o 出如6 “胁训i 矾加渤删，加d e f i 昭觎dr P 口e 阳ee ，铆n e e 而r 曙州e r 口J o i n e di 几U G 3 D 啪d e 厶6 u i 如训i y 6 d3 Dm o d e f i ，皤，记f o dz u e ，岱e d 扣r 口i 村u 以s u 7 鲁审可c m d6 i o m e c 矗勰i c 以铆咖厶s o m e3 D m o d e b 训e ，e 劬r i c m e d6 y3 D D r i n i ，t g 扣rs “学s i m M 胁i o n ，帆d g D o dr e s u 如s 埘e r e 。c 搪秽e dK e yW o r d s ：H y b r i dM o d e U n g ；o r t h o p e d i cI m p l a n t s ；R e v e r s eE n g i n e e r i n g ；3 DP r i n t i n g1 引言随着c A D 、c A E 、逆向工程、3 D 打印等技术的发展，现代设计与制造技术的应用已不仅局限于制造业，在医学领域中也得到成功应用。例如在骨科生物力学模拟嗍、模拟手术、骨组织工程1 3 】等方面获得了成功的应用，提高了手术的成功率。以往医生多根据经验确定手术方案，近年来则越来越多的利用计算机辅助技术来优化治疗及康复方案。用3 D 打印制备骨骼和植人物的模型，并在模型上进行术前复位等操作，可以缩短实际手术时间，减少疲劳失效的可能性叫】。而建立准确的骨骼与植入物的三维C A D模型是开展模拟手术、生物力学分析的前提。2 骨骼与植入物三维模型重构2 1 骨骼的逆向工程三维重构目前人体骨骼重建的数据多采用c T 扫描获得，利用扫描得到的一系列层片图像进行骨骼的三维重构。扫描层厚是影响模型重构精度的关键参数，层厚越小，重建模型越精确。根据课题组以往的经验，层厚小于l m m 时重构的模型即可满足术前模拟等方面的要求。M i m i c s 是骨骼医学三维重构常用的软件，根据图像中不同组织的灰度差异，分离出不同的组织。根据某位髋骨骨折患者的c T 数据重构的骨折侧髋骨三维模型，如图l 所示。( a ) 暇构的髓中j ( 外侧)( b ) 草构的髋骨( 内侧)图l 髋骨骨折的三维重建Rg 1T h r e eD i m e n s i o n a lR e c o n s t n l c t i o n0 fP e l v i cF h c t u r e来稿日期：2 0 1 6 一0 9 一0 2基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 1 6 5 0 4 J 4 )作者简介：阿依古丽喀斯木，( 1 9 9 1 一) ，女，新疆阿克苏人，硕士研究生，主要研究方向：生物3 D 打印方面的研究；乌日开西艾依提，( 1 9 7 2 一) ，男，新疆喀什人，博士研究生，教授，主要研究方向：3 D 打印技术方面的研究万方数据第3 期阿依古丽喀斯木等：骨科植入物的混合建模设计研究1 4 5金属植入物在C T 扫描时会产生较大的伪影，导致重构三维模型严重失真，如图2 所示。因此需要采用其他方法进行重构金属植入物的二i 维重构?圄圈圆圆圈衄一圃圆( 有伪影的c Tl 羽像( ，) 严重失真的重构模型冈2 金属伪影对i 维模型蘑构的影响F i g E 0 c t0 fM e t a lA r t i f a c t s0 1 13 DR e c o n s t l l l c t i o n2 2 金属植入物的正逆混合建模医疗器械厂家只给用户提供选型手册，而不提供产品的设计参数。因此，只能根据实物重构植入物的三维数字模型。骨科植入物中的接骨板、螺钉、髓内针等都是系列化产品，某公司的产品手册中的4 m m 直型动力加压接骨板的选型参数表，表中只提供了该系列9 种规格接骨板的孔数与长度，而没有其他设计参数，如表1 所示。表1 接骨板的选型参数表T a b 1P a r a m e t e rS e l e c t i O nT a b I eO fP I a t e对于此类形状规则的系列化产品，若采用逆向工程的方法，不但扫描的工作量很大，而且在后期的修补工作量也非常大。因此对形状规则的系列植入物，课题组采用了基于尺寸驱动的参数化设计方法，如图3 所示。图3 规则接骨板的正向参数化建模F i g 3F o r w a r dP 撇e t r i cM 州e l i n gf o rR e 目l l a rP l a t e s解剖型接骨板，如图4 所示。装于关节的曲面部分要求与关节外曲面匹配，很难用正向建模的方式实现，所以适于采用逆向工程的方式进行重构。而对于其余规则部分的建模，采用基于参数化设计的正向建模又是高效的方式。因此，针对解剖型的接骨板，提出了正向与逆向混合建模的方法，即对接骨板的规则部分采用正向参数化建模，对关节处的不规则部分采用逆向工程建模，再将二者连接起来重构出完整的= 维c A D 模型图4 解洲芟申 板F i g 4T h eM o d c lu fA 1 1 d L u n u 。B u i l cP l 。l 【c2 2 1 接骨板骨关节部分的逆向重构对于曲面反求多使用三维光学扫描仪，有些光学扫描仪需要在被扫描曲面上预先喷E 显影剂，避免反射干扰，提高扫描效果。尽管在扫描后可以将显影剂清理掉，但供应商和医生都担心在小孔、螺纹等处有残留物，以有导致患者感染的风险为由表示反对。因此中选用的是A n e c s p i d e r 手持三维光学扫描仪，如图5 ( a ) 所示。不需要在被测物上喷显影剂即可扫描，符合不污染、易消毒的要求。A r t e cS p i d e r 是一款用于扫描小尺寸物体的手持式扫描仪，扫描景深范围较小。由于被测接骨板的长度短、厚度薄，对扫描距离的要求更高。因此，在扫描时采取了的方式，如图5 ( a ) 所示。将接骨板立着夹持，夹板放在转台上，使接骨板轴线荩本+ j 转台回转轴线审合( a ) 扫描没箭l ，J 引摘FJ 蛳图5 接骨板的三维扫描F i g 53 DS c a J l n i n go ft h eB o n eP 1 a t e将三维扫描仪固定在三脚架上，调整扫描距离至最佳位置后开始扫描，通过转台旋转完成一周的扫描。扫描范围除了骨关节部分，还至少包含了规则部分的一个孔，用于后期与规则部分模型连接时进行定位。扫描得到的曲面在板及孔边缘的圆角、倒角等处会出现不规则、不连续的情况，需要通过G e o m a g i c 等软件进行修复：2 2 2 接骨板规则部分的正向建模( a ) 被测接骨板( I ，) 参考线与测点数据图6 解剖型接骨板三坐标测量F i g 6M e a s u r i n gP r o c e s so fA n a f o m j 【- a lP l a t eb yC M M万方数据1 4 6机械设计与制造N o 3M a r 2 0 1 7规则部分的建模过程是根据产品手册及对实物的特征尺寸进行测量，在U G 中通过拉伸、旋转、扫掠等方式建立基础特征，再通过倒角、圆角等放置特征操作来完成3 D 模型。之后再利用参数化设计、表格驱动建立同一系列的模型。螺钉孔中心的位置坐标用三坐标测量仪( H E x A G O NI n 8 p e c t o r0 6 0 8 0 6 ) 进行测量获取，如图6 ( a ) 所示。2 2 3 曲面的拼接对两种方式重构的曲面进行拼接时有两个要点：拼接的准确性和不同文件格式的转换。为实现两部分曲面的准确拼接，用三坐标测量仪测量两个孔( 若为长孔，则测量一边的半圆部分) ，一个是在规则部分最靠近骨关节部分的孔( 如图6 ( a ) 中的孑L2 ) ，另一个孔靠近规则部分的另一端，根据夹持位置选择不与测头发生干涉的孑L ( 如图6 ( a )中的孔1 ) 。通过测量孔的数据构造两个圆，再通过两个圆心构造一条对齐参考线，如图6 ( b ) 所示。在与对齐参考线相同的测量坐标系下，在接骨板表面连续测量一系列的点。这些连续测点将在u G 中拟合成一条曲线，拟合曲线有两个用途，一是在需要通过扫掠方式建模时作为导向线，二是在两部分曲面拼接时用来找正位置。通过逆向工程技术重构的关节部分的曲面为s T L( s t e r e o l i 血o g r a p h y ) 格式文件。由于s T L 格式的数据无法在u G 中编辑，所以需要先将S ，I L 格式的文件转换为S ，I E P ( S t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p m d u c tm o d e ld a t a ) 格式，导入u G 中。先导入规则部分的三维模型，利用对齐参考线的两个端点和在模型上与之相对应的孔的圆心将模型找正。再插入骨关节部分的三维模型，利用在对骨关节部分进行逆向扫描时，被同时扫描的规则部分的一个孔的圆心进行定位，将圆心定位于对齐参考线的相应端点上。随后，再以由测点拟合成的曲线为参照曲线，微调两个部分的三维模型，实现两个部分曲面的光滑、连续结合，之后再去除两个模型的重合部分即可得到解剖型接骨板的三维C A D 模型，如图7 ( a ) 所示。采用混合建模法重构的另外两种锁定加压型接骨板的三维模型，如图7 ( b ) 所示。建立的模型可输出成s T L 格式，用于虚拟手术、3 D 打印等。上述建模过程的技术路线示意图，如图8 所示。正向模型去除部分连接面逆向模型去除部分圆圆( a ) 曲回拼强a 曩曩曩露司_ - _ _ 瞳爹( b ) 两种锁定加压型接骨板图7 完成曲面拼接的接骨板F i g 7T h eB o n eP l a t eA f 【e rS u r f a c eJ o i n i n g对表内植人物模型正向工程建模逆向工程建模内植入特的三维c A D 模型图8 三维重建过程示意图F i g 8D i a g r a mo fR e c o n s t n l c t i o nP r o c e s s3 应用实例以下是课题组协助项目合作医院完成的部分应用实例。3 1 生物力学分析利用重建的骨骼与内植物的三维c A D 模型，进行内固定系统的数值模拟研究，分析接骨板、螺钉等植入物的受力规律，为确定手术方案提供依据。对胫骨近端骨折采用内固定方式时的术前模拟及生物力学分析结果，如图9 所示。图9 ( a ) 利用重构的骨骼、接骨板、螺钉等三维模型进行手术前的准备工作，可以完成选择所需接骨板类型、确定合适的螺钉长度等准备工作。图9 ( b ) ，( c ) 是对内固定系统进行应力及变形分析，为选择螺钉数量、安装位置等提供参考，能够降低胡定不合理导致扳、钉断裂的J 钒险( a ) 手术规划( I 川以力分析( t ) 芝彤分忻图9 于术规划。j 生物力学方面的应f ； jF 1 99 p p h ( 。a t 淌1 s f 嘲( + c l lI 】a ga n dB l m h n 1 1 c 。【I c l l 、l -3 2 利用3 D 打印模型进行术前模拟计算机模拟手术可以提高手术的成功率，但也存在不直观、不能实际操作等问题。利用3 D 打印技术制作需手术部位的1 ：1骨骼实物模型，可以很直观的进行手术策划及术前模拟，不但能够保证个陛化治疗手术的准确度与成功率，而且在临床教学方面也是提高学生手术水平有效手段。在实际手术时，医生会根据患者骨骼的具体形状将接骨板进行相应的折弯，以使其能够与骨的外形更匹配。若折弯的接骨板不合适，则需要进行多次折弯或更换另一种接骨板，这样不但会延长手术时间，还会导致接骨板的力学性能发生变化，有断裂万方数据N o 3M a r 2 0 1 7机械设计与制造1 4 7的风险。用P I A ( 聚乳酸) 等具有良好弹性，且成本低的聚合物材料通过3 D 打印方式制作接骨板进行初步选型，如图1 0 所示。则可以避免对金属接骨板进行多次折弯的风险。当方案确定后，再将选定的金属接骨板在手术前根据3 D 打印的骨骼形状折弯，可以减少俐饭折弯的次数，缩短手忙州n 1 J 、捉I - k 小缸a ) 3 D 打印的接骨板胫骨近端固定模型c ) 髋骨骨折复位模拟( 左) 及手术后图像( ( dJ P n o n 骨折复位模拟( 左J 及手术后x 划线半片L 右J图l O 骨骼和内植物的3 D 打印模型的应用F i g 1 0A p p l i c a t i o n so f3 DP r i n t i n gM o d e lo fB o n e sa n dP l a t e s4 结语研究了正向工程参数化设计与逆向工程建模相结合的骨科植入物的混合建模方法。建立骨科植入物的三维c A D 模型，为骨科手术模拟及生物力学研究提供模型数据库。( 1 ) 以解剖型接骨板为例，通过基于逆向工程的三维扫描技术构建其骨关节部分的模型，通过参数化设计方法设计规则部分，再通过三坐标测量仪构造的对齐参考线实现两部分模型的连接。( 2 ) 利用重构的骨骼与内植物的三维c A D 数字模型与3 D 打印的实物模型，完成了内固定系统的数值模拟分析、术前模拟等工作，为随后手术方案的制定提供了支持，并取得了良好的效果。参考文献 1 熊雁点接触锁定接骨板系统的三维有限元分析及生物力学研究 D 重庆：第三军医大学，2 0 0 9 ( X i o n gY a n T h r e ed i m e n s i o nn n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n db i o m e c h a n i c a ls t u d yo ft h ep o i n tc o n t a c tl o c k i n gp I a t es y s t e m D C h o n g q i n g ：T h i r dM i l i t a r yM e d i c a lU n i v e r s i t y ，2 0 0 9 ) 2 N a s s 试M ，M a c d o n a l dB ，0 B y m eJM C o m p u t a t i o n a lm o d e I i n go fl o n gb o n ef h c t u T E sf i x e dw i t hl o c k i n gp l a t e s H o wc a nt h er i s ko fi l n p l a n tf a i l u r eb er e d u c e d J J o u m a lo f o r t h o p e d i c s ，2 0 1 4 ，l O ( 1 ) ：2 9 3 7 3 杨文静，乌日开西艾依提，王娟基于3 D 打印的c P c 人工骨支架流道结构设计 J 机械设计与制造，2 0 1 5 ( 8 ) ：3 0 _ 3 3 ( Y a n gW e n - j i n g ，W u r i k a i x iA I Y I T I ，W a n gJ u a n D e s i g no ft h es t n l c t u r eo fc h a n n e l sf b rc P Ca r t i f i c i a lb o n es c a f 玷l d sb a s e do n3 Dp r i n t i “gl Jj M a c h i n e r yD e s i g n M a n u f a c t u r e ，2 0 1 5 ( 8 ) ：3 0 一3 3 ) 4 张莹莹，田京激字骨科学在胫骨平台骨折的应用 J - 实用骨科杂志，2 0 1 4 。2 0 ( 1 1 ) ：1 0 0 5 1 0 0 8 ( Z h a n gY i n g _ y i n g ，T i a nJ i n g A p p l i c a t i o n0 fd i 西t a lb o n es c i e n c ei n c i b i a ID l a t e a u f r a c t u r e s J J o u m a lo f P r a e t i c a l ，2 0 1 4 ，2 0 ( 1 1 ) ：1 0 0 5 1 0 0 8 ) 5 H y u n J u nK i m ，s u k H u nK i n l ，s e u n g H w nc h a “g F i n i t ee 】e m e l l ta n a l y s i su s i n gi n t e m 丑g m e n t a r ys t r a i nt h e o r yf o rt h ef r a c t u r eh ea 】i “gp m c e s st ow h i c hc o m p o s i t eb o n 8p l a t e sa r ea p p n e d J c o m p o s i t es t n l c t u r t 浩，2 0 l l ( 9 3 ) ：2 9 5 3 2 9 6 2 6 P S R S e n t h i l M a h a r a j ，R M a h e s w a r a n ，A V a s a n t h a n a t h a n N u m e r i c a l a n a l y s i so ff r a c t u r e df e m u rb o n ew i t hp m s t h e t i cb o n ep l a t e s J P m c e d i aE n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ( 6 4 ) ：1 2 4 2 一1 2 5 1 7 陈辉强，章莹，夏虹数字骨科技术辅助治疗胫骨P i l o n 骨折的临床应用 J 中国矫形外科杂志，2 0 1 3 ( 2 0 ) ：1 2 8 8 1 2 9 2 ( C h e nH u i q i a n g ，Z h a n gY i n g ，X i aH o n ge ta 1 C l i n i c a la p p l i c a t i o no fd i g i t a lo n h o p e d i c st e c h n i q u ef o rt h et r e a t n l e n to ft i b i a l p i l o nf r a c t u r e s J O r t h o p e d i cJ o u m a Io fc h i n a ，2 0 1 3 ( 2 0 ) ：1 2 8 8 1 2 9 2 ) 8 K a r e lF r y d r y s e k J 舯s 】a vJ o r e n e k 0 l 如c hu c e n D e s i g n0 fe x t e 皿a lf i x a t o r su s e di nt r a u m a t o l o g ya n do r 七h o p a e d i c st r e a t m e n to ff r a c t u r e so fp e l v i sa n di t sa c e t a b u l u m J P r o c e d i aE n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ( 4 8 ) ：1 6 4 1 7 3 9 何俊杰，周倬瑜，谭三元计算机辅助3 D 打印在骨盆骨折个性化诊疗方案中的应用 J 现代诊断与治疗，2 0 1 5 ，2 6 ( 1 2 ) ：2 7 2 4 2 7 2 5 ( H eJ u n _ j i e ，z h o uz h o u y u ，7 r a ns a n y u a n A p p l i c a t i o no fc o m p u t e ra i d e d3 Dp r i n t i n go np e l v i cf r a c t u r ep e r s o n a l i z e dt r e a t I I l e n tp r o g r a m 8 J M o d e mD i a g n o s i sa I I d T r e a t m e n t ，2 叭5 ，2 6 ( 1 2 ) ：2 7 2 4 - 2 7 2 5 1 0 李健伟，余黎平，周世梅3 D 打印技术在踝关节骨折手术中的应用 J 中国骨科临床与基础研究，2 0 1 4 ( 6 ) ：3 3 3 3 3 8 ( L iJ i a n w e i ，S h eN i p i n g ，Z h o uS h i m e i A p p l i c a t i o no f3 Dp “n t i n gt e c h n i q u ef o ra n k I ef h c t u r e sl J C h i n0 r t h o pJc l i nB a s i cR e s ，2 0 1 4( 6 ) ：3 3 3 3 3 8 ) 1 1 王燎，戴魁戎骨科个体化治疗与3 D 打印技术 J 医用生物力学，2 0 1 4 ，2 9 ( 3 ) ：1 9 3 1 9 9 ( W a “gL i a o ，D a iK e r o n g I n d i v i d u a l i z e dt r e a t m e n to fo r t h o p e d i c sa n d3 Dp r i n t i “gt e c h n 0 1 0 9 y J J o u m a lo fM e d i c a lB i o m e c h a n i c s ，2 0 1 4 ，2 9( 3 ) ：1 9 3 一1 9 9 )万方数据