技術(shù)生物工程中鈦合金顱骨修復(fù)體的數(shù)字化制造技術(shù).pdf

1、學(xué)科間交叉融合，相互影響、相互促進(jìn)，共同為人類健康服務(wù)，是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。論文集成計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、逆向工程技術(shù)、薄板多點(diǎn)快速成形技術(shù)、薄板成形數(shù)值模擬技術(shù)以及快速原型技術(shù)，進(jìn)行鈦合金顱骨修復(fù)體的數(shù)字化制造研究，提出一套系統(tǒng)的個性化鈦合金顱骨修復(fù)體設(shè)計(jì)與制造方案，并在北京天壇醫(yī)院進(jìn)行了具體的臨床實(shí)現(xiàn)。 鈦合金顱骨修復(fù)體的數(shù)字化制造是技術(shù)生物(TechnicalBiology)工程中的典型應(yīng)用范例。在顱骨缺損修復(fù)

2、手術(shù)中，鈦合金材料以其組織相容性好，質(zhì)輕而強(qiáng)度高在臨床中廣為應(yīng)用。但其固有的材料特性致使其可成形性差，塑形困難，常規(guī)手段難以制備出與患者顱骨貼合良好又外觀形態(tài)完美的高質(zhì)量修復(fù)體，論文從修復(fù)體的個性化設(shè)計(jì)、單件定制制造、成形性分析到最后的裁剪與定位工藝幾個方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在研究過程中結(jié)合生物制造的諸多研究成果對技術(shù)生物工程進(jìn)行了更加深入系統(tǒng)的闡述。 “技術(shù)生物(TechnicalBiology)工程”最早由德國學(xué)者提出

3、，但對其概念、內(nèi)容、內(nèi)涵及特點(diǎn)并未做進(jìn)一步的論述。論文在總結(jié)大量的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成功解決生命科學(xué)難題成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合個性化鈦合金顱骨修復(fù)體定制研究，從系統(tǒng)的角度對技術(shù)生物工程進(jìn)行全面闡述。認(rèn)為技術(shù)生物工程是應(yīng)用各種技術(shù)手段，支持和保障生命科學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)延長生命和提高生命質(zhì)量的最終目標(biāo)。是一個特色鮮明、自成體系、方向明確的嶄新的應(yīng)用型研究領(lǐng)域。 在修復(fù)體曲面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)上，借鑒逆向設(shè)計(jì)的工程模式，基于患者CT圖像重建顱骨原型，

4、采用鏡像法和趨勢過渡法設(shè)計(jì)修復(fù)體三維曲面。參考患者健康數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的修復(fù)體曲面，在保證貼合精度的同時，實(shí)現(xiàn)了患者修復(fù)后整體外觀形態(tài)的對稱性。虛擬裝配技術(shù)使醫(yī)患雙方對病理情況有了更直觀的理解，對手術(shù)成功充滿信心。 塑形難、成本高、周期長是目前個性化鈦合金修復(fù)體制造工藝中的瓶頸。論文創(chuàng)造性地將薄板多點(diǎn)快速成形技術(shù)引入到修復(fù)體塑形工藝中。其過程是以修復(fù)體三維曲面為依據(jù)，自動調(diào)整基本體沖頭高度形成成形包絡(luò)面，進(jìn)而完成修復(fù)體沖壓塑形。論文還針

5、對所采用的醫(yī)用鈦板材料特點(diǎn)和多點(diǎn)成形方式的不足，提出夾持成形、局部粘結(jié)和彈性墊工藝來彌補(bǔ)成形缺陷，提高了修復(fù)體成形質(zhì)量。多點(diǎn)成形工藝的運(yùn)用，使個性化修復(fù)體塑形方式上較之其他工藝體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢：①沒有模具的材料消耗、加工、中試以及修整，使工藝過程簡單、高效、低成本；②壓機(jī)成形，沖壓力大，不存在無法塑形或成形困難現(xiàn)象；③成形模面可通過基本體沖頭隨時調(diào)整，柔性強(qiáng)適應(yīng)性廣，尤其是回彈補(bǔ)償方面具有傳統(tǒng)模具無可比擬的優(yōu)勢。 論文基于有限元

6、方法模擬修復(fù)體成形過程，使成形結(jié)果由定性的預(yù)測上升為定量的主動控制。從分析修復(fù)體鈦板的綜合成形性出發(fā)，確立其成形性能判斷指標(biāo)，建立了修復(fù)體沖壓成形系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及有限元模型，最后對求解的結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。將典型修復(fù)體作為算例，通過分析模擬結(jié)果，總結(jié)了主要工藝參數(shù)對成形過程的影響規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果，預(yù)測了成形過程可能出現(xiàn)的各種缺陷(拉裂、起皺與回彈)，并提出了針對性的解決方案，如預(yù)剪口工藝和中心變形法。有限元技術(shù)的運(yùn)用，減少了成形結(jié)果的

7、不確定性，提高了一次塑形成功的概率。 在修復(fù)體落料工藝上，提出采用薄片模型貼合對比法實(shí)現(xiàn)了修復(fù)體從壓制毛坯的精確分離。修復(fù)體邊緣是一條或幾條空間不規(guī)則曲線，不具備用于分辨的明顯特征，給裁剪分離造成很大困難。采用基于分層制造思想的FDM快速原型工藝制備的修復(fù)體薄片模型，不僅解決了修復(fù)體分離問題，還利用定位孔技術(shù)巧妙地化解了修復(fù)體邊界形狀的相似性給臨床醫(yī)生造成的術(shù)中定位混亂的困擾。 鈦合金顱骨修復(fù)體的數(shù)字化定制技術(shù)，在北京天