一種鈦合金顱骨修復體制備方法技術

一種制作鈦合金顱骨修復體的方法，應用于腦神經外科顱骨修復等領域。本發明專利技術是基于患者ＣＴ圖像設計、裝配修復體，在存放有通用圖象處理軟件和反求設計軟件的計算機將斷層圖像進行數據分割后，重建患者頭部三維原型，依據三維原型設計缺損部位的修復體，然后采用快速原型系統制作修復體模型，比照模型壓制鈦網板，形成最終的修復體。特征在于首先通過數字設計技術制作修復體模型，使用異形曲面快速成形系統，采用漸進成形方法壓制鈦網板，避免了采用無模多點技術壓制大尺寸零件時產生的回彈、斷裂、皺褶等問題。采用本發明專利技術的方法所完成的鈦合金修復體制備精度高，成本低，速度快，最終修復體與患者顱骨吻合良好，實現了顱骨修復體的個性化定制。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

，主要應用于腦神經外科顱骨修復、醫學整形、整容等領域。
技術介紹
顱骨修復是腦神經外科、醫學整形整容等常見的外科手術，所采用的材料主要有硅橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、好顱比和鈦合金網板。其中鈦合金網板以其良好的生物相容性、無毒性和高強度而獲得廣泛的臨床應用。但鈦金屬板目前的制備工藝要么塑形困難、要么制作費用高周期長，嚴重限制了其普及應用。目前主要有以下三種制備工藝(1)手工塑形這是國內普遍采用的塑形手段，醫生根據患者缺損部位的外觀形狀和自身經驗，手工預制出修復體的大致形狀，手術時，與患者暴露的顱骨進行比較，再手工反復修形，最后消毒完成手術。(2)模具壓制這是國外采用的塑形手段，首先利用數控機床加工出修復體沖壓模具，然后在壓力機上利用模具壓制修復體，最后裁減消毒完成手術。(3)鑄造成形首先利用快速原型技術制備出修復體的蠟模型，采用失蠟鑄造的方法鑄造鈦合金，然后在鈦合金修復體上鉆安裝孔及生長孔，最后消毒完成手術。以上三種工藝存在如下一些問題，限制了鈦金屬的應用或影響了手術的質量(1)手工塑形勞動強度大，精度差，預先塑形由于得不到顱骨的真實形狀，存在塑形盲區；另外為便于塑形，常常采用低強度鈦金屬板作為修復體，這給患者術后的安全埋下了隱患；(2)模具壓制在一定程度上具有一定的先進性，減輕了醫生的勞動強度。但其制作周期長、費用高(國外一般100000RMB一例)，況且模具固定后，無法解決修復體壓制后產生的回彈問題，從而對修復體的配合精度產生影響。(3)鑄造法解決了修復體的精度問題，但工藝復雜成本高，鈦合金在鑄造過程中會產生氧化，且修復體厚度不能太薄，否則不能鑄造。由于傳統的修復方法存在諸多問題，需要找到一種柔性技術以達到快速準確制作修復體的目的。專利“”(申請號03156843.2)，采用CT機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數據處理，此專利技術的特征在于存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數據分割后，重建頭部缺損部位的三維修復體，然后將設計好的修復體曲面分別讀入多點成形系統和快速原型系統壓制鈦網板和制作修復體薄片模型，最后經貼合對比裁減鈦網板形成最終修復體。鈦合金的壓制采用多點成形的方法。多點成形是金屬板材三維曲面成形的新技術，原理是將傳統的整體模具離散成一系列規則排列、高度數字可調的基本體(或稱沖頭)。在傳統模具成型中，板材由模具曲面來成型，而多點成形中則由基本體群沖頭構成要求的包絡面(或成形曲面)來完成。采用多點成形技術快速壓制修復體，可利用無模多點技術的柔性特點反復壓制修復體解決修復體的回彈問題。但是在實際使用過程中發現，采用多點成形技術壓制修復體在成形尺寸小的零件時質量較好，而在成形尺寸大的零件時(尺寸大于10cm×10cm)存在以下幾個問題1、成形大零件時零件回彈問題比較突出，必須采用反復多次的方法壓制，這樣增加了制作時間。2、為消除回彈壓制時必須過壓，如零件本身變形就比較大，極易造成零件的斷裂。3、為消除回彈過壓的工藝參數很難一次確定，實踐中往往是采用試壓的方法(一次壓制很難消除回彈)，這樣不僅是時間長，而且往往會造成零件中間過凸、皺褶等問題。4、由于多點成形在壓制過程中很容易造成應力集中，從而導致板材的變薄，強度下降，影響術后的安全性。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術及采用無模多點成形技術不適合制作大零件的問題，在名稱為，申請號03156843.2的專利技術的基礎上，提出了，技術思路為基于圖像處理、逆向工程、漸進成形和快速原型技術進行鈦合金修復體的制造。即首先基于患者CT數據進行計算機上的三維重建，基于重建模型設計修復體、進行模擬裝配，確保修復體外形美觀、邊緣與缺損部位邊緣貼合良好；然后采用快速成型技術制作修復體的實物模型，比照實物模型采用漸進成形技術壓制鈦合金板，剪邊后得到最終的修復體。本專利技術技術方案參見圖1、圖2。該方法是由CT機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數據處理，在存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數據分割后，重建頭部缺損部位的三維修復體，然后將修復體殼體STL文件輸入到快速原型系統，采用快速成型技術制作修復體的實物模型，比照實物模型壓制鈦網板，最后貼合對比裁減鈦網板形成最終的修復體；其中CT圖像處理采用Mimics軟件系統，修復體設計采用Surfacer軟件系統，修復體模型采用熔融沉積快速原型系統；其特征在于，本專利技術是使用異形曲面快速成形系統，比照實物模型采用漸進成形方法壓制鈦網板，剪邊后得到最終的修復體，漸進成形方法的步驟為a 用柔軟的布將模具包裹，在壓制零件時用塑料薄膜將鈦合金板封住；b 根據零件的不同曲率選擇模具，在成形相對平坦的零件時采用直徑大的模具，成形弧度大的零件采用直徑小的模具；首先采用大模具壓制，通過調節壓入深度成形零件上不同曲率的部分，弧度平坦的部位壓入深度小，弧度大的部位壓入深度大；c 在壓制過程中反復與快速原型模型比較，直至兩者吻合。本專利技術集成運用計算機圖像處理、逆向工程、漸進成形和快速原型等先進制造技術來共同完成鈦合金修復體的制作，保證了每一環節的精度與效率。由于本專利技術修復體的設計與制造參數的調節、優化均在計算機中完成，柔性強，成本低，速度快，最終修復體質量高，解決了鈦合金修復體的快速塑形問題；并且保證了貼合精度，沒有造型盲區，實現了顱骨修復體的個性化。附圖說明圖1本專利技術鈦合金修復體制造系統框圖1 CT機，2 存儲介質，3 計算機，4 圖像處理，5 修復體設計，6 快速原型系統，7 異形曲面快速成形系統，8 貼合對比，9 最終修復體；圖2本專利技術方法流程圖；圖3現有技術中采用多點成形技術壓制修復體在成形尺寸大的零件時(尺寸大于10cm×10cm)存在的缺陷圖像a圖零件斷裂現象，b圖鉚接后的零件，c圖過凸、折皺現象，d圖一次成型后的回彈，e圖板材變薄；圖4是調整顱骨原型位置圖；圖5是修復體曲面的控制頂點；圖6是采用鏡像法設計修復體時提取的局部點云，外圍曲線為裁減邊界；圖7是采用趨勢過渡方法設計修復體時提取的局部點云，外圍曲線為裁減邊界；圖8是修復體殼體模型與鈦網板的貼合對比；圖9是最終鈦網板修復體；圖10是術中修復體與患者顱骨良好貼合。具體實施例方式利用本專利技術技術，在北京天壇醫院進行了臨床應用。患者數據采集在天壇醫院信息中心完成，CT圖像處理采用Mimics軟件系統，修復體設計采用Surfacer軟件系統，鈦網板壓制采用異形曲面快速成形系統，修復體模型采用熔融沉積快速原型系統，最后經貼合對比裁減形成最終鈦網板修復體，具體步驟如下(1)首先對患者顱骨進行螺旋CT掃描，掃描間距設定為2-3mm。本專利技術是根據患者顱骨缺損的位置設定掃描層的間距，若缺損部位形狀比較復雜，像顳部或耳根部，掃描間距設定為2mm。若缺損部位形狀變化比較平緩，掃描間距設定為3mm；(2)將采集到的CT圖像以醫學數字成像標準(dicom)文件格式存儲到移動硬盤或可刻錄光盤存儲介質上。存儲格式為dicom格式；dicom格式是醫學數字成像與通信標準文件格式，dicom格式記錄信息全；(3)從CT圖像中分割出顱骨數據，灰度閾值范圍1250-4095，灰度級范圍為0-4095，組織表達細膩；存放有通用的醫學圖像控制系統軟件(Mimics)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制作鈦合金顱骨修復體的方法，是由ＣＴ機采集頭部斷層圖像，再將斷層圖像輸入計算機中進行數據處理，在存放有通用圖像處理軟件的計算機將斷層圖像進行數據分割后，重建頭部缺損部位的三維修復體，然后將修復體殼體ＳＴＬ文件輸入到快速原型系統，采用快速成型技術制作修復體的實物模型，比照實物模型壓制鈦網板，最后貼合對比裁減鈦網板形成最終的修復體；其中ＣＴ圖像處理采用Ｍｉｍｉｃｓ軟件系統，修復體設計采用Ｓｕｒｆａｃｅｒ軟件系統，修復體模型采用熔融沉積快速原型系統；其特征在于，本專利技術是使用異形曲面快速成形系統，比照實物模型采用漸進成形方法壓制鈦網板，剪邊后得到最終的修復體，漸進成形方法的步驟為：ａ用柔軟的布將模具包裹，在壓制零件時用塑料薄膜將鈦合金板封住；ｂ根據零件的不同曲率選擇模具，在成形相對平坦的零件時采用直 徑大的模具，成形弧度大的零件采用直徑小的模具；首先采用大模具壓制，通過調節壓入深度成形零件上不同曲率的部分，弧度平坦的部位壓入深度小，弧度大的部位壓入深度大；ｃ在壓制過程中反復與快速原型模型比較，直至兩者完全吻合。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李彥生，費仁元，郭宇，韓景蕓，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]