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钛合金颅骨修复体数字化设计与制备的研究

发布于:2018-12-15 09:28 编辑:志峰钛业 浏览:

  【摘 要】利用逆向工程原理与计算机自动编程技术根据医学影像数据进行钛合金颅骨修复体数字化设计制备是一种新的设计制造方法。将病人头部的CT数据在逆向软件上进行编辑,通过点云的去噪、修补、封装,三角片松弛、拟合等一系列工作实现患者颅骨数学模型的重构。然后将颅骨修复体的数学模型经过数据转换传递给CAD/CAM软件,利用计算机自动编程技术生成模型曲面的加工刀具轨迹。最后在数控机床上加工出修复体的凸凹模具,在专用设备上加工出的合金颅骨修复体。该项技术提高了颅骨修复体加工精度、缩短加工周期、降低制作成本,提高了修复体与颅骨缺损处边缘的贴合程度。

  【关键词钛合金颅骨修复体;数字化制备;逆向工程;计算机自动编程

  引言

  在交通事故中颅骨损伤发生几率相当高,一般会导致颅骨缺损,针对于此国内大多采用两个阶段治疗,一期手术清创、抢救生命,二期手术颅骨修补。因为良好生物相容性,目前采用钛合金作为修补体材料,在手术前,医生根据病人伤口大小,颅骨形状通过手工敲击,大概得制作出钛网形状。此方法加工的钛网不能很好的和颅骨损伤处边缘贴合,在修补时如果处理不好会影响患者的容貌,严重者引起颅骨缺损综合症、脑萎缩、外伤性癫痫等多种不良后果,给病人生活带来不便。

  颅骨修复体数字化设计与制备技术利用逆向工程原理与多点成形技术根据医学影像数据进行钛合金颅骨修复体数字化设计与制备的一种新设计制造方法。其过程为:首先根据病人的CT数据按照医学影像数据处理方法建立患者颅骨的数学模型;利用逆向软件geomigic studio进行点云编辑、多边形处理等一系列数据处理过程得到CAM软件兼容的模型文件;到这一阶段,可以采用多点成型方式加工修复体,但是采用多点成形设备进行加工过程中,钛合金网状板上容易出现压痕,或基本体的球头将网孔挤裂,因钛合金网状板尺寸较小,没有压边区域,成型效果不好。笔者经过多种尝试,将修复体的数学模型放在CAD/CAM软件系统中,进行计算机自动编程。最后,在数控机床上加工出凸凹模具,通过模具压制成形,加工出所需的钛合金颅骨修复体。结果表明,经过此种工艺加工完成的修复体和颅骨损伤处边缘贴合理想,成本低,很好的解决手工制作修复体的弊端。 本文从CT数据处理开始完整阐述修复体数字化设计制备过程,着重对CAD/CAM阶段进行介绍。

  1、从CT数据到数学模型

  依据CT数据获得患者颅骨数学模型是进行修复体设计的基本思路。CT扫描作为先进的医疗仪器能够很准确的扫描得到患者颅骨外形数据,由这些数据经医学影像算法可得到三维数据,从而得到颅骨缺损区域周围的数学模型

  在这些模型上进行采样就可以获得具有代表性的点云数据

  2、从点云数据到stl模型

  经过医学影像算法得到的数据是点云数据,已经成为逆向工程数据处理的标准原始数据,这些点云数据在你想软件平台上要经过数据拼合、简化、三角化、去噪等预处理。此环节为本项技术的关键环节,它将影响到颅骨缺损处曲面拟合精度,进而影响修补体的使用效果。

  3、利用CAM软件进行模具的加工

  设备:

  (1)高配电脑:

  配置:双核主频3.6G 2G内存,显卡适合处理图形文件,要求能稳定运行三维造型软件。

  (2)数控铣床:

  配置:三轴联动,能实现连续控制、高精高速。随动误差不超过0.02mm。

  (3)软件:

  选用CAXA制造工程师2011r2, CAXA是国产最优秀CAM软件之一,编程功能多而强大,精度高。能识别多种文件格式,与其它一些造型软件完美兼容。

  模具材料的选取,根据挤压钛网成型时的压力大小,选取硬度、弹性比较合适的树脂作为模具材料,不仅轻便而且经济,最主要的是工艺性好,在数控铣床上很容易加工,对刀具几乎没用磨损。刀具选用¢16球头铣刀,刚性好,适合加工曲面。

  (4)加工过程:

  1)导入模型。因为经过逆向软件得到数据为stl三角片格式,此种格式比较常见,一般如见都支持,CAXA也很容易的通过数据导入打开模型。

  2)根据表面质量要求和实际加工情况设定加工参数。这里我们选用等高线粗加工方式和曲面区域精加工方式,以获得较高的加工效率和较高的表面质量与尺寸精度。3)生成刀具并进行模拟仿真。生成刀路文件后,为验证刀路文件的正确性,可以用CAXA提供的刀路仿真功能实现加工的仿真模拟,提前检查出影响加工的一些问题并予以解决。

  4)后处理生成程序。