一种钛网颅骨修复体数字化制备方法

摘要

一种钛网颅骨修复体数字化制备方法，属于脑神经外科颅骨修复医学领域，用于解决现有技术修复体模型的设计复杂、修复体成形回弹量大、加工精度差等问题。本发明基于颅骨CT图像进行颅骨修复体模型设计，快速原型系统制作参照修复体，同时对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，反复修改加工轨迹和支撑模，直至回弹量符合要求后导入板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，最后与参照修复体对比裁剪获得最终修复体。其特征在于，运用直接由线到面的方法进行修复体模型设计，对修复体成形进行数值模拟和采用板材动圈电磁渐进成形系统加工。本发明制作修复体周期短、回弹量小、精度高、与患者颅骨贴合性好，实现高质量的颅骨修复。

权利要求

1.一种钛网颅骨修复体数字化制备方法，其特征在于，以CT机采集颅骨缺损部位信息，经过如下加工工艺过程制备而成：(1)图像处理软件处理后进行颅骨三维模型重构；

(2)运用逆向工程软件构造修复体曲面，再运用CAD软件设计颅骨修复体模型；

(3)导入快速原型系统制作参照修复体，同时对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至模拟回弹量符合预定要求，导出加工轨迹；

(4)将加工轨迹数据导入板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，最后与参照修复体反复对比裁剪获得最终颅骨修复体；

其中，步骤(3)中对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至模拟回弹量符合要求，具体步骤如下：a)根据修复体设计的形状建立支撑模CAD型面，确定渐进成形的加工路径和工艺参数；

b)对支撑模及板料模型划分网格，进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体各个网络节点的回弹大小；

c)根据各个网格节点的回弹量乘以一个补偿系数后，对初始的支撑模各个节点作相应的反向变形处理，得到回弹补偿后的支撑模型面和加工路径；

d)然后在相同的工艺参数下再次进行修复体成形及回弹过程的数值模拟分析；

e)获得修复体成形回弹后的成形件形状，并与初始设计的形状比较，测量回弹变形误差是否满足修复体精度要求；

f)如不满足精度要求，则继续进行支撑模型面的回弹补偿处理和成形及回弹数值模拟分析，反复迭代至最终修复体回弹变形后的尺寸满足要求；

g)将符合要求的支撑模CAE网络模型导入回弹补偿后支撑模型面CAE网格模型；

h)建立支撑模面的补偿矢量；

i)根据补偿矢量重构支撑模型面CAD三维模型；

j)加工支撑模，保存最终加工路径数据为后续工作准备。

说明书

一种钛网颅骨修复体数字化制备方法

技术领域

[0001] 一种钛网颅骨修复体数字化制备方法，主要用于医学领域，特别适用于脑神经外科颅骨修复和医学整容整形领域。

背景技术

[0002] 在脑神经外科颅骨修复领域，钛合金因其组织相容性好、质轻和强度高而成为目前颅骨修复的理想材料。而钛合金制备颅骨修复体最初依靠手工塑形，并且目前仍是国内所普遍所采用的塑形手段。医生根据患者缺损部位的外观形状和自身经验，手工预制出修复体的大致形状，手术时与患者暴露的颅骨进行比较，再手工反复修形，最后消毒完成手术。这样的方法手术时间长，在美观要求上难以达到理想的效果，不可能与缺损颅骨完整适配，植入材料与固定装置之间具有相互抵抗力，术后容易松动、移位、头痛。这给患者术后的安全埋下了隐患。

[0003] 颅骨成性的个性化设计国外已有研究。首先利用数控机床加工出修复体冲压模具，然后在压力机上利用模具压制修复体，最后裁减清毒完成手术。模具压制在一定程度上具有一定的先进性，减轻了医生的劳动强度，但其制作周期长(大约3个月)，费用高(国外一般10万人民币/例)，况且模具固定后，无法解决修复体压制后产生的回弹问题，从而对修复体的配合精度产生影响。

[0004] 颅骨修复体制作还有一种普遍应用的方法就是失蜡铸造。首先利用快速原型技术制备出修复体的蜡模型，采用失蜡铸造的方法铸造钛合金，然后在钛合金修复体上钻安装孔及生长孔，最后消毒完成手术。铸造法虽然解决了修复体的精度问题，但工艺复杂成本高，钛合金在铸造过程中会氧化，且修复体厚度不能太薄，否则不能铸造。

[0005] 在国内也有人提出运用数字设计及快速成型系统制备颅骨修复体的方法。中国专利公开号CN 1523530A，公开日2004年8月25日，发明创造的名称为一种钛合金颅骨修复体制备方法，该申请案公开了运用数字设计修复体三维模型进而运用多点成形系统制作颅骨修复体，此方法虽然解决了以前其它方法修复体边缘与缺损部位边缘贴合、成本高、制作时间长的问题，具有一定的先进性。但此方法采用多点成形系统压制修复体需多次压制和过压压制修复体以防回弹现象，效率低且压制的较大的修复体仍有回弹现象。

[0006] 中国专利公开号CN 1586432A，公开日2005年3月2日，发明创造的名称为一种钛合金颅骨修复体制备方法，该申请案公开了运用数字设计修复体三维模型再运用渐进成形系统制作颅骨补片。此方法成形的修复体尺寸精度差且曲率半径受到工具头半径的限制，尽管用柔软的布包裹模具等措施，都无法避免因工具头直接接触挤压成形而存在的滑痕，表面质量较差，且工具头阻力大而易使钛网起皱和拉破。

[0007] 中国专利公开号CN 101019785A，公开日2007年8月22日，发明创造的名称为颅骨补片及其制备方法，该申请案公开了经数字设计修复体后再制作模具压制修复体。此方法中在设计修复体时运用镜像法，因颅骨的不对称性，所制的修复体并不十分符合患者，而寻找相似颅骨者的方法，难以寻找相似者、难度大、工作复杂等缺点，且采用先加工模具再压制的方法，制作时间长，且压制的修复体回弹量大、贴合精度低、残余应力大等缺点。

[0008] 中国专利公开号CN 101264035A，公开日2008年9月10日，发明创造的名称为钛网颅骨修复体的制备方法，该申请案公开了从CT薄层扫描图片逐张导入制作各单元点数据，再运用多点成形系统依照各单元点数据压制钛网而成。此方法因CT图册量多而使工作量非常大而复杂，且没有直观的三维模型供设计者参考，运用多点成形系统压制修复体，回弹量大且精度低，压后并无参考修复体对比裁剪，边界精度低等明显缺点。

发明内容

[0009] 本发明主要针对现有技术的缺陷或不足，提出一种钛网颅骨修复体数字化制备方法。具体技术思路是以二维断层数字成像技术采集患者颅骨缺损部位的信息，经图像处理后，重建颅骨的三维原型，运用逆向工程技术提取缺损部位的数据后进行修复体的曲面重建和三维造型设计并导入快速原型系统制作参照修复体，同时对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至回弹量符合一定要求后将修复体曲面和加工轨迹数据导入板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，最后与参照修复体反复对比裁剪获得最终颅骨修复体。

[0010] 本发明的具体技术方案参照图1，该方法是以螺旋CT机测量设备及由三维重构软件为手段，参照图2通过对CT图像进行相应的图像、图形处理，获取实物内外表面轮廓数据，重建颅骨模型并将数据转换为逆向工程软件可接收的接口数据，然后逆求出修复体曲面数据，再将修复体曲面数据导入CAD软件设计出修复体模型并导入快速原型系统成形参照修复体，同时运用CAE软件对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至回弹量符合预定要求后将其转换成STL文件格式导入板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，最后与参照修复体反复对比裁剪获得最终颅骨修复体。

[0011] 本发明提供了一种运用逆向工程技术提取缺损部位的数据后进行修复体的曲面重建的方法，运用3-matic软件可直接由线到面进行修复体曲面的构造。具体步骤如下：

[0012] (1)将颅骨三维模型导入3-matic软件中，调整好模型的位置；

[0013] (2)分别对颅骨三维模型进行横向、纵向切取二维图层并参照缺损部位进行参照曲线的设计；

[0014] (3)对参照线进行调整，使两条参照曲线相交且美观；

[0015] (4)参照颅骨缺损部位边界绘制出修复体的边界曲线；

[0016] (5)运用曲面生成工具依照参考曲线和边界曲线生成最终修复体的三维曲面；

[0017] 本方法提供了一种有效控制修复体回弹的方法，即对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至回弹量符合预定要求，具体步骤如下：

[0018] (1)根据修复体设计的形状建立支撑模CAD型面的设计，确定渐进成形的工艺参数和加工路径；

[0019] (2)对支撑模及板料模型划分网格，进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体各个网络节点的回弹大小；

[0020] (3)根据各个网格节点的回弹量乘以一个补偿系数后，对初始的支撑模各个节点作相应的反向变形处理，得到回弹补偿后的模具型面和加工路径；

[0021] (4)然后在相同的工艺参数下再次进行修复体成形及回弹过程的数值模拟分析；

[0022] (5)获得修复体成形回弹后的成形件形状，并与初始设计的形状比较，测量回弹变形误差是否满足修复体精度要求；

[0023] (6)如不满足精度要求，则继续进行支撑模型面的回弹补偿处理和成形及回弹数值模拟分析，反复迭代至最终修复体回弹变形后的尺寸满足要求；

[0024] (7)将符合要求的支撑模CAE网络模型导入回弹补偿后支撑模型面CAE网格模型；

[0025] (8)建立支撑模面的补偿矢量；

[0026] (9)根据补偿矢量重构支撑模型面CAD三维模型；

[0027] (10)加工支撑模，保存最终加工路径数据为后续工作准备。

[0028] 本发明提供了一种修复体成形的方法，即采用板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，具体实施步骤如下：

[0029] (1)将仿真而得的加工路径数据导入成形系统中；

[0030] (2)将支撑模安装在支撑模型架上；

[0031] (3)将钛合金网板夹在两片金属薄板间，金属薄板可以是铝、镁等合金薄，一起用板材夹持升降装置固定好；

[0032] (4)开始成形直至完成修复体的加工；

[0033] 本发明与现有技术相比，具有以下突出优点和效果：

[0034] 1、运用3-matic软件直接设计修复体，设计者可根据自身的经验和专业知识很方便地设计出美观，贴合精度高，极具个性化的修复体。

[0035] 2、在加工前运用CAE软件对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，反复修改支撑摸和加工路径，直至回弹量符合一定要求，可很好的控制修复体的回弹量是其它现有技术和方法不可比拟的，大幅提高了最终修复体的贴合精度和美观度。

[0036] 3、在加工方法中我们运用板材动圈电磁渐进成形系统进行修复体成形，因电磁成形技术具有加工能量易于精确控制、成形速度快、成形工件精度高、成形模具简单等特点，成形修复体表面质量高，成形速度快，成形精度高等优点。

[0037] 4、在成形时我们运用两块金属板夹住钛合金板，这样可提高电磁力的运用效率，也可保护钛合金的表面，提高了修复体的表面质量，使最终修复体更美观，贴合精度更高等优点。

附图说明

[0038] 图1是本发明方法的颅骨修复体具体制作流程图；

[0039] 图2是断层影像的数据处理流程图；

[0040] 图3是重建后的颅骨三维实体模型；

[0041] 图4是设计曲面时的参考曲线及边界曲线；

[0042] 图5是设计的修复体的三维曲面模型；

[0043] 图6是快速成型的参照修复体；

[0044] 图7是最终修复体；

具体实施方式

[0045] 本发明技术中，CT图像处理和三维重构软件采用MIMICS软件，逆向工程软件采用3-matic，构建修复体三维曲面模型的CAD软件采用PRO-E软件，修复体模拟回弹软件可采用ABAQUS软件。具体步骤如下：

[0046] 1、CT扫描数据；扫描后的数据通过DICOM接口从CT主机传到影像工作站，然后以DICOM格式将其刻成光盘供下一步使用。

[0047] 2、用MIMICS一次输入多幅标准的DICOM格式的图像，然后再识别转换为内部通用的格式来进行处理。格式转换过程中MIMICS需要的影像参数有很多，但一般从DICOM格式里都能自动读出。一般需要手动输入的是断层影像的方向信息，按医学术语分为TOP、BOTTOM、LEFT、RIGHT、ANTER IOR、POSTER IOR六个方向，需要在图像上输入。再对图像进行预处理，以去除噪音。

[0048] 3、可利用一个门限值T，将骨骼和软组织分为亮和暗两类，实现图像的二值化分割，从而提取出骨骼部分。第一步利用图像的统计信息，结合类间方差的思想，求取灰度阈值T，从而对二维图像进行二值分割；另一方面，根据图像的梯度信息求取其梯度阈值G提取组织的轮廓。在确定层面选需要的骨骼区域作为种子区域，然后点击自动区域生长命令，再自动完成颅骨的三维模型的重建。输出STL格式的数据文件。

[0049] 4、将得到的STL文件导入3-matic设计平台中，调整好模型的位置；分别对颅骨三维模型进行横向、纵向切取二维图层并参照缺损部位进行参照曲线的设计；参照颅骨缺损部位边界绘制出修复体的边界曲线；运用曲面生成工具依照参考曲线和边界曲线生成最终修复体的三维曲面。

[0050] 5、将三维曲面数据导入快速成形系统中成形出参照修复体实体。

[0051] 6、对修复体进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体的回弹大小，反复修改加工轨迹和支撑模，直至回弹量符合一定要求，具体操作步骤如下：

[0052] (1)根据修复体设计的形状建立支撑模CAD型面的设计，确定渐进成形的工艺参数和加工路径；

[0053] (2)对支撑模及板料模型划分网格，进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体各个网络节点的回弹大小；

[0054] (3)根据各个网格节点的回弹量乘以一个补偿系数(大于或小于1)后，对初始的支撑模各个节点作相应的反向变形处理，得到回弹补偿后的模具型面和加工路径；

[0055] (4)然后在相同的工艺参数下再次进行修复体成形及回弹过程的数值模拟分析；

[0056] (5)获得修复体成形回弹后的成形件形状，并与初始设计的形状比较，测量回弹变形误差是否满足修复体精度要求；

[0057] (6)如不满足精度要求，则继续进行支撑模型面的回弹补偿处理和成形及回弹数值模拟分析，反复迭代至最终修复体回弹变形后的尺寸满足要求；

[0058] (7)将符合要求的支撑模CAE网络模型导入回弹补偿后支撑模型面CAE网格模型；

[0059] (8)建立支撑模面的补偿矢量；

[0060] (9)根据补偿矢量重构支撑模型面CAD三维模型；

[0061] (10)加工支撑模，保存最终加工路径数据为后续工作准备。

[0062] 7、将仿真最后而得的加工路径数据导入成形系统中，并将加工好的支撑模安装在支撑模型架上。将钛合金网板夹在两片金属薄板间(金属薄板可以是铝、镁等合金薄板)，一起用板材夹持升降装置固定好，开始加工直至完成修复体成形。

[0063] 8、最后贴合参照修复体裁剪得到最终修复体。

[0064] 9、消毒后用于手术。

[0065] 实施例

[0066] 本实例CT扫描使用GEHGH SPEED 16排CT机，采集人体的头部部分CT数据。头部扫描采用5mm层厚(具体应用时应采用1-1.5mm，复杂曲面区设为1mm，平缓曲面区可设置为1.5mm)，150KV，160m As，最后扫描了约32层数据；扫描后的数据通过DICOM接口从CT主机传到影像工作站，然后以DICOM格式将其刻成光盘供下一步使用。用MIMICS一次输入多幅标准的DICOM格式的图像，然后再识别转换为内部通用的格式来进行处理，再对图像进行预处理，以去除噪音。设置一个门限值T＝800，将骨骼和软组织分为亮和暗两类，实现图像的二值化分割，提取出骨骼部分。在确定层面选需要的骨骼区域作为种子区域，然后点击自动区域生长命令，再自动完成颅骨的三维模型的重建，颅骨的三维模型参见附图3，输出STL格式的数据文件。将得到的STL文件导入3-matic设计平台中，调整好模型的位置，分别对颅骨三维模型进行横向、纵向切取二维图层并参照缺损部位进行参照曲线的设计，参考曲线参见附图4，参照颅骨缺损部位边界绘制出修复体的边界曲线，运用曲面生成工具依照参考曲线和边界曲线生成最终修复体的三维曲面，参见附图5。将三维曲面数据导入PRO-E中进行曲面的偏置2mm而得修复体的三维造型。再导入快速成形系统中(SPS600固体激光快速成形机，选层厚0.1mm，基础支持高度选4mm)成形出参照修复体实体，参见附图6。根据修复体设计的形状建立支撑模CAD型面的设计，确定渐进成形的工艺参数，对支撑模及板料模型划分网格，进行成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体各个网络节点的回弹大小，根据各个网格节点的回弹量乘以一个补偿系数后，对初始的支撑模各个节点作相应的反向变形处理，得到回弹补偿后的模具型面，然后在相同的工艺参数下再次进行修复体成形及回弹过程的数值模拟分析，获得修复体成形回弹后的成形件形状，并与初始设计的形状比较，测量回弹变形误差是否满足修复体精度要求，如不满足精度要求，则继续进行支撑模型面的回弹补偿处理和成形及回弹数值模拟分析，反复迭代至最终修复体回弹变形后的尺寸满足要求，将符合要求的支撑模CAE网络模型导入回弹补偿后支撑模型面CAE网格模型，建立支撑模面的补偿矢量，根据补偿矢量重构支撑模型面CAD三维模型，加工支撑模。将仿真最后而得的加工路径数据导入成形系统中，将支撑模安装在支撑模型架上。将钛合金网板夹在两片铝合金薄板间，一起用板材夹持升降装置固定好，开始加工直至完成修复体成形，最后贴合参照修复体裁剪得到最终修复体，参见附图7。

[0067] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。