馬常亮，張憲政，肖幽，陸廣華

（1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2. 中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330024）

在骨科領(lǐng)域，3D 逆向設(shè)計(jì)技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)療器械（植入物、手術(shù)導(dǎo)板、夾板、矯正器、義肢、牙齒等）、醫(yī)用教學(xué)模型等設(shè)計(jì)與制造，骨骼修復(fù)，整形美容，術(shù)前規(guī)劃，護(hù)理干預(yù)等方面。在生物支架設(shè)計(jì)領(lǐng)域，黨麗等人設(shè)計(jì)制備了不同配方的人工骨支架,并測(cè)試了其力學(xué)性能。劉春等人通過實(shí)驗(yàn)研究獲得了噴嘴溫度對(duì)3D 打印PLA 支架材料的生物力學(xué)性能的影響規(guī)律。在矯正器設(shè)計(jì)方面，廖政文等人設(shè)計(jì)制作了與患者肢體吻合較好的肢體矯形器，姜繆文設(shè)計(jì)制作了能有效減小足后跟處壓力的足底矯形器設(shè)計(jì)模型。在手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計(jì)方面，卞學(xué)勝對(duì)骨骼CT 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和重建，據(jù)此設(shè)計(jì)出與骨骼模型吻合度很高的手術(shù)導(dǎo)板。丁祥等人采用3D 打印技術(shù)、逆向工程原理等設(shè)計(jì)AS 頸椎椎弓根導(dǎo)向模板，顯著提高了置釘?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。在術(shù)前規(guī)劃領(lǐng)域，張書新根據(jù)CT 掃描數(shù)據(jù)，通過逆向設(shè)計(jì)、3D 打印等手段制作了6 例個(gè)體化的肺癌實(shí)體模型用于術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中實(shí)時(shí)指導(dǎo)。陳涯等人根據(jù)CT 掃描數(shù)據(jù)，通過逆向設(shè)計(jì)、3D 打印等手段制作了1:1 骨折模型，據(jù)此制定了個(gè)體化的手術(shù)方案，效果顯著。

CT、磁共振成像等技術(shù)手段由于獨(dú)特的應(yīng)用范圍以及對(duì)患者隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)等因素，大大限制了骨骼逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛使用。為了能夠低成本培養(yǎng)低年資醫(yī)師、醫(yī)學(xué)院學(xué)生的逆向設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用能力，同時(shí)，便于非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究人員開發(fā)醫(yī)療器械與護(hù)具，本文建立了一種適用于復(fù)雜形狀骨骼的低成本逆向設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)基于醫(yī)用人體骨骼實(shí)物，借助普通桌面三維掃描儀與光固化3D 打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀骨骼的逆向設(shè)計(jì)，避免了采用CT、磁共振成像等手段獲取骨骼的局限性，具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 人體骨骼掃描性分析

根據(jù)目標(biāo)物尺寸對(duì)三維掃描的影響，可以將目標(biāo)物分為極小型（≤10mm）、小型（10 ～30mm）、中型（30mm ～1m）、大型（1 ～10m）、超大型（≥10m）。目標(biāo)物尺寸過大、過小都不利于三維掃描。目標(biāo)物尺寸過大，需要在較大的尺度范圍內(nèi)進(jìn)行多次拼接，容易造成誤差積累。目標(biāo)物尺寸過小，不僅不能在目標(biāo)物上粘貼用于拼接標(biāo)記點(diǎn)，而且會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物本身的特征也很難區(qū)分出來。針對(duì)掃描物體尺寸過大的問題，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)出更精確的掃描儀、更高效的拼接方法，較好地解決了此類問題。但現(xiàn)有的大多數(shù)掃描儀難以掃描小于10mm 以下的物體。

人體骨骼具有豐富的骨骼形態(tài)、很好的多樣性，如圖1 所示。從尺寸角度而言，成年人體骨骼尺寸分布在5 ～500mm；從形態(tài)角度而言，骨骼呈現(xiàn)出球狀、細(xì)長體狀、扁平狀等。根據(jù)目標(biāo)物尺寸劃分，可以將人體骨骼劃分三大類：極小型、小型、中型。其中，小型與中型尺寸骨骼的掃描難度不大，關(guān)鍵點(diǎn)在于能夠根據(jù)所選骨骼的形態(tài)特征設(shè)計(jì)、確定便于掃描的位姿。對(duì)于極小型骨骼，難點(diǎn)在于多視拼接。

圖1 人體骨骼模型

2 復(fù)雜形狀骨骼逆向設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 中小型骨骼三維掃描與逆向建模技術(shù)

以額骨為例，研究中小型骨骼的三維掃描技術(shù)與逆向建模技術(shù)。額骨、寬度、深度依次為160mm、130mm、100mm，屬于中型尺寸骨骼，如圖2 所示。形態(tài)以球狀為主，局部帶有凹槽特征，壁厚相對(duì)較薄，在掃描過程中，需要在一定的位姿上將內(nèi)外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接起來。

圖2 額骨總體尺寸

將額骨放到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，掃描次數(shù)設(shè)置為8。隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)一定的角度掃描一次額骨，每次獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 額骨第1 輪部分掃描數(shù)據(jù)

將掃描得到的8 個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)整體，如圖4（a）所示。進(jìn)一步從圖4（b）中可以看出，第1 輪掃描得到的額骨數(shù)據(jù)僅僅是外表面數(shù)據(jù)；從圖4（c）、（d）中可以看出，額骨數(shù)據(jù)存在缺少的情況。這主要是由如下原因造成：（1）設(shè)置的掃描次數(shù)偏少，初始設(shè)置的是轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)1 周掃描8 次，當(dāng)掃描物體幾何特征簡單時(shí)，能夠滿足要求，當(dāng)對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，就需要減少角度間隔、增加掃描次數(shù)，但過多的增加掃描次數(shù)會(huì)增加點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重復(fù)；（2）采用轉(zhuǎn)臺(tái)掃描時(shí)，只能掃描得到額骨四周的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而頂部、底部、內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就難以獲取。為此，需要對(duì)額骨進(jìn)行補(bǔ)充掃描。

圖4 第1 輪掃描得到整體數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

在進(jìn)行補(bǔ)充掃描時(shí)，額骨是一種近似球形的骨骼，當(dāng)掃描其內(nèi)表面時(shí)，需要將額骨內(nèi)表面向上放置，并要不斷調(diào)整姿態(tài)，以便掃描儀能夠“觀察”到內(nèi)表面。但是，當(dāng)額骨內(nèi)表面向上放置時(shí)，額骨頂部與轉(zhuǎn)臺(tái)接觸區(qū)很小，從而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上顎骨會(huì)晃動(dòng)，影響掃描質(zhì)量，為此可以采用黑色橡皮泥或者熱熔膠來輔助固定額骨，如圖5 所示。

圖5 額骨內(nèi)表面掃描注意事項(xiàng)

經(jīng)過多輪修復(fù)，采用修補(bǔ)、降噪、平滑等措施，最終的額骨模型見圖6。

2.2 極小型骨骼三維掃描與逆向建模

以足骨中的最小趾骨為例，研究極小型骨骼三維掃描與逆向建模技術(shù)。本例中最小趾骨形態(tài)近似為圓柱與圓臺(tái)的組合形態(tài)，最小處直徑為6mm，最大處直徑為9mm，高度為8mm，如圖7 所示。

圖6 額骨最終模型

圖7 足骨中的最小趾骨

將最小趾骨固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，如圖8（a）所示，使用轉(zhuǎn)臺(tái)掃描，默認(rèn)次數(shù)為8 次，掃描完成后，進(jìn)行自動(dòng)拼接，拼接效果如圖8（b）所示，最小趾骨的8 次點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法自動(dòng)拼接到一起。

圖8 最小趾骨第1 輪掃描數(shù)據(jù)及其拼接

經(jīng)深入分析，采用轉(zhuǎn)臺(tái)掃描（圖8）拼接失敗的原因主要是最小趾骨的尺寸過小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)每次旋轉(zhuǎn)的角度對(duì)最小趾骨來講過大，導(dǎo)致8 次掃描數(shù)據(jù)重合度過低，從而無法拼接。因此，對(duì)于極小尺寸骨骼，只能對(duì)其進(jìn)行微小幅度移動(dòng)，相鄰兩次掃描能夠獲取足夠的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，才可能拼接成功。

第3 輪掃描依然采用單面掃描方法，但此次掃描將底面數(shù)據(jù)與側(cè)面數(shù)據(jù)一同掃描，以底面（圖7 中直徑為9mm 的面）作為過渡面，共進(jìn)行了13 次單面掃描，每次掃描時(shí)，都需要精細(xì)地調(diào)整骨骼的位姿，最終使其自動(dòng)拼接成功，如圖9所示。使用底面作為過渡面的原因主要有：底面面積較大，特征便于識(shí)別，掃描的數(shù)據(jù)量比較充足，便于拼接。部分掃描數(shù)據(jù)如圖9（a）～（d）所示，拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖9（e）所示，效果較好。

圖9 最小趾骨第3 輪掃描數(shù)據(jù)及其拼接

3 3D 打印工藝研究

在桌面式3D 打印機(jī)中，F(xiàn)DM 打印機(jī)、光固化打印機(jī)應(yīng)用的比較廣泛。FDM 打印機(jī)采用PLA、PEEK 等材料，噴嘴直徑有0.2mm、0.4mm、0.8mm 等多種規(guī)格，但最小的噴嘴直徑為0.2mm，這也是現(xiàn)有主流FDM 打印機(jī)的最小噴嘴直徑。光固化打印機(jī)采用光敏樹脂為材料進(jìn)行打印，精度較高，可以達(dá)到0.025mm。人體骨骼形態(tài)多樣，對(duì)打印工藝提出了較高的要求。本文篩選了4 種典型的骨骼形態(tài)，如圖10 所示。

圖10 骨骼3D 打印需要考慮的關(guān)鍵要素

如圖10（a）所示，骨骼邊緣往往帶有“刃”形特征，薄且鋒利，F(xiàn)DM 打印機(jī)無法實(shí)現(xiàn)0.2mm 以下的特征打印，而且越薄的地方打印出來的強(qiáng)度越差（層與層之間的黏結(jié)性較差）；如圖10（b）所示，骨骼表面帶有一定的“粗糙度”，F(xiàn)DM 打印機(jī)達(dá)不到粗糙度級(jí)別的精度；如圖10（c）所示，骨骼對(duì)縫處有“鋸齒狀”特征；如圖10（d）所示，骨骼帶有深度不一的“溝壑”特征，采用FDM 工藝會(huì)出現(xiàn)“拉絲”現(xiàn)象。綜上考慮，骨骼打印需要采用光固化工藝。打印的頭部骨骼模型與足部骨骼模型如圖11、圖12 所示，效果較好。

圖11 部分頭骨原型與打印模型

圖12 部分足骨原型與打印模型

4 結(jié)語

重點(diǎn)研究了復(fù)雜形狀骨骼的逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，包括三維掃描中的骨骼位姿固定、極小尺寸骨骼點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、骨骼3D打印工藝等關(guān)鍵問題。在復(fù)雜形狀骨骼的逆向設(shè)計(jì)中，需要注意：

（1）根據(jù)目標(biāo)骨骼的形態(tài)特征，確定相應(yīng)的位姿固定方案?？梢圆捎孟鹌つ唷崛勰z等物體將骨骼固定在某個(gè)位姿上。但采用橡皮泥時(shí)，需要留出一定的時(shí)間釋放出橡皮泥的彈性變形，避免引起骨骼在掃描過程中的抖動(dòng)現(xiàn)象。

（2）為了能夠成功拼接極小尺寸骨骼的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要采用較大幾何尺寸特征作為過渡面，依次掃描其余幾何特征。需要特別注意的是，在掃描過程中只能對(duì)極小尺寸骨骼進(jìn)行微小幅度移動(dòng)，相鄰兩次掃描能夠獲取足夠的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，才可能拼接成功。