医药学论文：仿真膝关节模型的制作与应用*

【摘要】 本文回顾了快速成形技术在医学的临床应用情况。描述了快速成形技术在胫骨外踝骨折的一般步骤和临床应用情况。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1.0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节胫骨骨折的边界，将边界曲线输入CAD系统建立三维模型再生成STL文件；采用ZSW-I-A型激光快速成型机将STL文件加工成胫骨外踝骨折的纸基模型。将该纸基模型用于临床取得了较为理想的效果。
【关键词】 快速成型；膝关节模型；CT；DICOM
【Abstract】 This paper has reviewed the clinical practice situation in medical science about rapid prototyping technology. Described rapid prototyping technology general step and clinical practice situation that the ankle bone rolls over . Getting CT image picture of the whole knee joint with spiral CT， it is 1.0mm to scan one slice of intervals. Use DICOM file as the data source and get two-dimensional CT image of the knee joint through the relevant software. Using figure software edit and get shin bone fracture border of knee joint then export the border curve to CAD system and set up the three-dimensional model and export STL file again from CAD system； Paper base model that the ankle bone converts into tibi outside adopting the laser rapid prototyping machine of Model ZSW-I-A and processing STL file into the shin bone. Have used this paper base model on clinically and have got comparatively ideal results.
【Key words】 rapid prototyping；knee joint model；CT；DICOM
快速成型技术是将计算机辅助设计CAD，计算机辅助制造CAM，计算机数字控制CNC，激光，精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体，依照计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择地切割一层一层的纸基（或固化一层层的液态树脂、烧结一层层的粉末塑料），或喷射源选择地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各截面轮廓，并逐步叠加成三维产品，从而获得所需的模型或产品的方法［1］。人膝关节是人体最主要也是最重要的关节之一。由于其在临床医学、康复工程、生物机械工程等领域的重要研究价值和应用前景，长期以来吸引了大量的生物力学研究者投入对其的研究［2～6］。利用精确的物理模型可直接用于膝关节的移植和矫形手术，可以以原型为模具，用传统方法做替代膝关节或矫形器械；另一方面可采用生物活性或生物兼容性材料制成的原型直接植入人体，与合金制品相比，具有更好的生物兼容性。其具体的优点是生产周期短；人工骨与被代替骨形基本一致，有利于保持与原有其他器官的匹配；人工骨内部具有微孔结构，组织液和骨细胞容易长入，促进修复过程；在人工骨内部有骨因子，可使人工骨很快与人体微循环组织连通［7，8］。
1 三维模型的重建
制作膝关节模型的技术工作流程是：三维重建→原型加工→快速模具→膝关节模型浇注→后处理（见图1）。

 

 

图1 膝关节模型制作的技术流程
1.1 DICOM文件的读取 通过螺旋CT对某男性的膝关节扫描得到该患者的膝关节的DICOM文件，扫描层间距为1.0mm，层数为116层。通过相关软件读取该患者的DICOM文件，得到二维的膝关节CT图像，如图2所示。通过平面图形处理软件可以将股骨从图2重分离出来而得到膝关节骨的二维CT图像，如图3所示。