【摘 要】利用逆向工程原理與計算機(jī)自動編程技術(shù)根據(jù)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鈦合金顱骨修復(fù)體數(shù)字化設(shè)計與制備是一種新的設(shè)計制造方法。將病人頭部的CT數(shù)據(jù)在逆向軟件上進(jìn)行編輯，通過點(diǎn)云的去噪、修補(bǔ)、封裝，三角片松弛、擬合等一系列工作實(shí)現(xiàn)患者顱骨數(shù)學(xué)模型的重構(gòu)。然后將顱骨修復(fù)體的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳遞給CAD/CAM軟件，利用計算機(jī)自動編程技術(shù)生成模型曲面的加工刀具軌跡。最后在數(shù)控機(jī)床上加工出修復(fù)體的凸凹模具，在專用設(shè)備上加工出的鈦合金顱骨修復(fù)體。該項技術(shù)提高了顱骨修復(fù)體加工精度、縮短加工周期、降低制作成本，提高了修復(fù)體與顱骨缺損處邊緣的貼合程度。

　　【關(guān)鍵詞】鈦合金顱骨修復(fù)體；數(shù)字化制備；逆向工程；計算機(jī)自動編程

　　引言

　　在交通事故中顱骨損傷發(fā)生幾率相當(dāng)高，一般會導(dǎo)致顱骨缺損，針對于此國內(nèi)大多采用兩個階段治療，一期手術(shù)清創(chuàng)、搶救生命，二期手術(shù)顱骨修補(bǔ)。因為良好生物相容性，目前采用鈦合金作為修補(bǔ)體材料，在手術(shù)前，醫(yī)生根據(jù)病人傷口大小，顱骨形狀通過手工敲擊，大概得制作出鈦網(wǎng)形狀。此方法加工的鈦網(wǎng)不能很好的和顱骨損傷處邊緣貼合，在修補(bǔ)時如果處理不好會影響患者的容貌，嚴(yán)重者引起顱骨缺損綜合癥、腦萎縮、外傷性癲癇等多種不良后果，給病人生活帶來不便。

　　顱骨修復(fù)體數(shù)字化設(shè)計與制備技術(shù)利用逆向工程原理與多點(diǎn)成形技術(shù)根據(jù)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行鈦合金顱骨修復(fù)體數(shù)字化設(shè)計與制備的一種新設(shè)計制造方法。其過程為：首先根據(jù)病人的CT數(shù)據(jù)按照醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理方法建立患者顱骨的數(shù)學(xué)模型；利用逆向軟件geomigic studio進(jìn)行點(diǎn)云編輯、多邊形處理等一系列數(shù)據(jù)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(diǎn)成型方式加工修復(fù)體，但是采用多點(diǎn)成形設(shè)備進(jìn)行加工過程中，鈦合金網(wǎng)狀板上容易出現(xiàn)壓痕，或基本體的球頭將網(wǎng)孔擠裂，因鈦合金網(wǎng)狀板尺寸較小，沒有壓邊區(qū)域，成型效果不好。筆者經(jīng)過多種嘗試，將修復(fù)體的數(shù)學(xué)模型放在CAD/CAM軟件系統(tǒng)中，進(jìn)行計算機(jī)自動編程。最后，在數(shù)控機(jī)床上加工出凸凹模具，通過模具壓制成形，加工出所需的鈦合金顱骨修復(fù)體。結(jié)果表明，經(jīng)過此種工藝加工完成的修復(fù)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復(fù)體的弊端。 本文從CT數(shù)據(jù)處理開始完整闡述修復(fù)體數(shù)字化設(shè)計制備過程，著重對CAD/CAM階段進(jìn)行介紹。

　　1、從CT數(shù)據(jù)到數(shù)學(xué)模型

　　依據(jù)CT數(shù)據(jù)獲得患者顱骨數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行修復(fù)體設(shè)計的基本思路。CT掃描作為先進(jìn)的醫(yī)療儀器能夠很準(zhǔn)確的掃描得到患者顱骨外形數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)經(jīng)醫(yī)學(xué)影像算法可得到三維數(shù)據(jù)，從而得到顱骨缺損區(qū)域周圍的數(shù)學(xué)模型

　　在這些模型上進(jìn)行采樣就可以獲得具有代表性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

　　2、從點(diǎn)云數(shù)據(jù)到stl模型

　　經(jīng)過醫(yī)學(xué)影像算法得到的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為逆向工程數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)在你想軟件平臺上要經(jīng)過數(shù)據(jù)拼合、簡化、三角化、去噪等預(yù)處理。此環(huán)節(jié)為本項技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將影響到顱骨缺損處曲面擬合精度，進(jìn)而影響修補(bǔ)體的使用效果。

　　3、利用CAM軟件進(jìn)行模具的加工

　　設(shè)備：

　　（1）高配電腦：

　　配置：雙核主頻3.6G 2G內(nèi)存，顯卡適合處理圖形文件，要求能穩(wěn)定運(yùn)行三維造型軟件。

　　（2）數(shù)控銑床：

　　配置：三軸聯(lián)動，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制、高精高速。隨動誤差不超過0.02mm。

　　（3）軟件：

　　選用CAXA制造工程師2011r2， CAXA是國產(chǎn)最優(yōu)秀CAM軟件之一，編程功能多而強(qiáng)大，精度高。能識別多種文件格式，與其它一些造型軟件完美兼容。

　　模具材料的選取，根據(jù)擠壓鈦網(wǎng)成型時的壓力大小，選取硬度、彈性比較合適的樹脂作為模具材料，不僅輕便而且經(jīng)濟(jì)，最主要的是工藝性好，在數(shù)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，適合加工曲面。

　　（4）加工過程：

　　1）導(dǎo)入模型。因為經(jīng)過逆向軟件得到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)導(dǎo)入打開模型。

　　2）根據(jù)表面質(zhì)量要求和實(shí)際加工情況設(shè)定加工參數(shù)。這里我們選用等高線粗加工方式和曲面區(qū)域精加工方式，以獲得較高的加工效率和較高的表面質(zhì)量與尺寸精度。3）生成刀具并進(jìn)行模擬仿真。生成刀路文件后，為驗證刀路文件的正確性，可以用CAXA提供的刀路仿真功能實(shí)現(xiàn)加工的仿真模擬，提前檢查出影響加工的一些問題并予以解決。

　　4）后處理生成程序。

　　這是軟件操作的最后一步，根據(jù)機(jī)床的功能、指令編寫加工程序，即后處理，在軟件提供的備選數(shù)控中選取所用機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，生成程序并傳輸給機(jī)床，然后對刀完成模具加工。

　　4、成型設(shè)備上完成修復(fù)體制備

　　將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(shè)備壓力要適當(dāng)，根據(jù)模具材料確定壓力。在鈦合金網(wǎng)狀板和模具體之間放置厚度為0.5mm的鋼板，將壓邊圈的壓邊力施加在鋼板上，來實(shí)現(xiàn)對鈦合金網(wǎng)狀板的夾緊作用，以防止其出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。壓制完成后剪邊，去毛刺，達(dá)到出廠要求。

　　5、結(jié)論

　　通過運(yùn)用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，基于患者的CT分層數(shù)據(jù)建立顱骨修復(fù)體的數(shù)字模型，并結(jié)合計算機(jī)輔助制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了顱骨修復(fù)體的數(shù)字化設(shè)計與制備。 由于顱骨修復(fù)體設(shè)計的原始數(shù)據(jù)來源于患者的CT分層數(shù)據(jù)，因而加工制作出的顱骨修復(fù)體能夠與患者顱骨缺損區(qū)域相吻合，此項技術(shù)改變了傳統(tǒng)的手工制作顱骨修復(fù)體弊端，是機(jī)械加工制造專業(yè)與生命科學(xué)的結(jié)合，模具成形技術(shù)的應(yīng)用，避免了修復(fù)體的手工方式成形，實(shí)現(xiàn)了個性化制造，增強(qiáng)了美容整形的效果，顯著提高了制造效率。對顱骨修復(fù)手術(shù)提供了優(yōu)越的輔助作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]裴永生，王連東，阮世捷.逆向工程在轎車頂蓋多點(diǎn)成形中的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程，2008，19（6）：748 -750

　　作者簡介：

　　齊超，畢業(yè)于天津工程示范學(xué)院，助理講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計與自動化。

　　李智慧，畢業(yè)于河北科技師范學(xué)院，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計與自動化。

　　王春光，畢業(yè)于河北師范大學(xué)，高級講師，研究方向：逆向工程、3D打印。