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钛合金顱骨修複體數字化設計與制備的研究

更新時間:2018/12/14 10:30:53    浏覽次數: 937     文章來源: 搜钛網

】利用逆向工程原理與計算機自動編程技術根據醫學影像數據進行钛合金顱骨修複體數字化設計與制備是一種新的設計制造方法。将病人頭部的CT數據在逆向軟件上進行編輯,通過點雲的去噪、修補、封裝,三角片松弛、拟合等一系列工作實現患者顱骨數學模型的重構。然後将顱骨修複體的數學模型經過數據轉換傳遞給CAD/CAM軟件,利用計算機自動編程技術生成模型曲面的加工刀具軌迹。最後在數控機床上加工出修複體的凸凹模具,在專用設備上加工出的钛合金顱骨修複體。該項技術提高了顱骨修複體加工精度、縮短加工周期、降低制作成本,提高了修複體與顱骨缺損處邊緣的貼合程度。

關鍵詞】钛合金顱骨修複體;數字化制備;逆向工程;計算機自動編程

引言

在交通事故中顱骨損傷發生幾率相當高,一般會導緻顱骨缺損,針對于此國内大多采用兩個階段治療,一期手術清創、搶救生命,二期手術顱骨修補。因為良好生物相容性,目前采用钛合金作為修補體材料,在手術前,醫生根據病人傷口大小,顱骨形狀通過手工敲擊,大概得制作出钛網形狀。此方法加工的钛網不能很好的和顱骨損傷處邊緣貼合,在修補時如果處理不好會影響患者的容貌,嚴重者引起顱骨缺損綜合症、腦萎縮、外傷性癫痫等多種不良後果,給病人生活帶來不便。

顱骨修複體數字化設計與制備技術利用逆向工程原理與多點成形技術根據醫學影像數據進行钛合金顱骨修複體數字化設計與制備的一種新設計制造方法。其過程為:首先根據病人的CT數據按照醫學影像數據處理方法建立患者顱骨的數學模型;利用逆向軟件geomigic studio進行點雲編輯、多邊形處理等一系列數據處理過程得到CAM軟件兼容的模型文件;到這一階段,可以采用多點成型方式加工修複體,但是采用多點成形設備進行加工過程中,钛合金網狀闆上容易出現壓痕,或基本體的球頭将網孔擠裂,因钛合金網狀闆尺寸較小,沒有壓邊區域,成型效果不好。筆者經過多種嘗試,将修複體的數學模型放在CAD/CAM軟件系統中,進行計算機自動編程。最後,在數控機床上加工出凸凹模具,通過模具壓制成形,加工出所需的钛合金顱骨修複體。結果表明,經過此種工藝加工完成的修複體和顱骨損傷處邊緣貼合理想,成本低,很好的解決手工制作修複體的弊端。 本文從CT數據處理開始完整闡述修複體數字化設計制備過程,着重對CAD/CAM階段進行介紹。

1、從CT數據到數學模型

依據CT數據獲得患者顱骨數學模型是進行修複體設計的基本思路。CT掃描作為先進的醫療儀器能夠很準确的掃描得到患者顱骨外形數據,由這些數據經醫學影像算法可得到三維數據,從而得到顱骨缺損區域周圍的數學模型

在這些模型上進行采樣就可以獲得具有代表性的點雲數據

2、從點雲數據到stl模型

經過醫學影像算法得到的數據是點雲數據,已經成為逆向工程數據處理的标準原始數據,這些點雲數據在你想軟件平台上要經過數據拼合、簡化、三角化、去噪等預處理。此環節為本項技術的關鍵環節,它将影響到顱骨缺損處曲面拟合精度,進而影響修補體的使用效果。

3、利用CAM軟件進行模具的加工

設備:

1)高配電腦:

配置:雙核主頻3.6G 2G内存,顯卡适合處理圖形文件,要求能穩定運行三維造型軟件。

2)數控銑床:

配置:三軸聯動,能實現連續控制、高精高速。随動誤差不超過0.02mm

3)軟件:

選用CAXA制造工程師2011r2 CAXA是國産最優秀CAM軟件之一,編程功能多而強大,精度高。能識别多種文件格式,與其它一些造型軟件完美兼容。

模具材料的選取,根據擠壓钛網成型時的壓力大小,選取硬度、彈性比較合适的樹脂作為模具材料,不僅輕便而且經濟,最主要的是工藝性好,在數控銑床上很容易加工,對刀具幾乎沒用磨損。刀具選用¢16球頭銑刀,剛性好,适合加工曲面。

4)加工過程:

1)導入模型。因為經過逆向軟件得到數據為stl三角片格式,此種格式比較常見,一般如見都支持,CAXA也很容易的通過數據導入打開模型。

2)根據表面質量要求和實際加工情況設定加工參數。這裡我們選用等高線粗加工方式和曲面區域精加工方式,以獲得較高的加工效率和較高的表面質量與尺寸精度。

3)生成刀具并進行模拟仿真。生成刀路文件後,為驗證刀路文件的正确性,可以用CAXA提供的刀路仿真功能實現加工的仿真模拟,提前檢查出影響加工的一些問題并予以解決。

4)後處理生成程序。

這是軟件操作的最後一步,根據機床的功能、指令編寫加工程序,即後處理,在軟件提供的備選數控中選取所用機床的數控系統,生成程序并傳輸給機床,然後對刀完成模具加工。

4、成型設備上完成修複體制備

将加工完成的凸凹模固定在壓邊圈中,四周緊密貼合以避免模具材料被壓碎。選用壓力設備壓力要适當,根據模具材料确定壓力。在钛合金網狀闆和模具體之間放置厚度為0.5mm的鋼闆,将壓邊圈的壓邊力施加在鋼闆上,來實現對钛合金網狀闆的夾緊作用,以防止其出現起皺現象。壓制完成後剪邊,去毛刺,達到出廠要求。

5、結論

通過運用醫學影像數據處理技術,基于患者的CT分層數據建立顱骨修複體的數字模型,并結合計算機輔助制造技術實現了顱骨修複體的數字化設計與制備。 由于顱骨修複體設計的原始數據來源于患者的CT分層數據,因而加工制作出的顱骨修複體能夠與患者顱骨缺損區域相吻合,此項技術改變了傳統的手工制作顱骨修複體弊端,是機械加工制造專業與生命科學的結合,模具成形技術的應用,避免了修複體的手工方式成形,實現了個性化制造,增強了美容整形的效果,顯著提高了制造效率。對顱骨修複手術提供了優越的輔助作用。

參考文獻:

[1]裴永生,王連東,阮世捷.逆向工程在轎車頂蓋多點成形中的應用[J].中國機械工程,2008196):748 -750

作者簡介:

齊超,畢業于天津工程示範學院,助理講師,研究方向:機械設計與自動化。

李智慧,畢業于河北科技師範學院,講師,研究方向:機械設計與自動化。

王春光,畢業于河北師範大學,高級講師,研究方向:逆向工程、3D打印。

 

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