基于 CT的骨骼三维打印技术的应用价值分析

基于 CT的骨骼三维打印技术的应用价值分析

阮广安

南京市雨花医院 210039

摘要：目的：探讨基于CT的骨骼三维打印技术的应用价值。方法：选取2017年10月-2018年12月期间我院收治的患者60例为研究对象，采用基于CT的骨骼三维打印技术进行治疗，对治疗效果进行分析。结果：患者治疗后的效果显著。结论：三维打印技术作为现在有效制作活性人工骨骼的技术，通过CT机的扫描数据经过相关处理导入三维打印机中，保证了其准确性，避免了建模的繁琐。但目前由于技术的缺陷，人工骨骼精度、强度不能达到要求，一些技术难点还需要进一步解决。相信随着技术的创新和进步，制造出理想的生物活性骨骼指日可待。

关键词：CT；骨骼三维打印技术；应用价值分析

Application value analysis of bone 3d printing technology based on CT

Abstract: objective: to explore the application value of 3d bone printing technology based on CT.Methods: 60 cases of patients admitted to our hospital from October 2017 to December 2018 were selected as research objects, and the treatment effect was analyzed by using ct-based bone 3d printing technology.Results: the effect was significant after treatment.Conclusion: as an effective technique for making active artificial bones, 3d printing technology can ensure its accuracy and avoid the tedious modeling by importing the scanning data of CT machine into 3d printer after relevant processing.However, due to technical defects, the accuracy and strength of artificial bones cannot meet the requirements, and some technical difficulties need to be further solved.It is believed that with the innovation and progress of technology, the ideal bioactive skeleton can be produced within days.

Key words: CT;Bone 3d printing technology;Application value analysis

前言：在人造骨骼研究领域，由于人体骨骼的曲面比较复杂，其形状各不相同，精确制造出活性人造骨骼存在一定的困难。三维打印技术采用离散堆积的方法，可以制造任意复杂的三维结构，成形过程与工件的复杂程度没有直接的关系，根据孔隙率、微孔的大小，调节支架材料粉末颗粒的大小；通过改变切层的填充方式来改变孔隙率和微孔的大小，制造出适应细胞生长的活性骨骼，非常适合制造人体骨骼^[1]。三维打印技术制造人体骨骼与传统的人体骨骼制造技术相比，不需要制造人体骨骼的模具，具有柔性大、生产周期短和成本低等优点。应用三维打印技术制造人体骨骼，快速满足临床医学的大量需求，是亟待解决的重要难题。

资料与方法

1.1一般资料

选取2017年10月-2018年12月期间我院收治的患者60例为研究对象，其中男性患者25例，女性患者35例，年龄18-46岁，平均年龄为32岁。

1.2方法

对60例患者采用基于CT的骨骼三维打印技术进行治疗，对治疗效果进行分析。

结果

60例患者的治疗总有效率为93.33%，具体见下表1所示。

表1 患者治疗效果分析

讨论

由于人体结构的复杂和几何形态的不规则性，增加了三维建模的难度，不能简单地用CAD和CAE软件进行直接三维建模。本文讨论通过医用CT扫描人体骨骼得到骨骼的截面数据，经过相关处理导入三维打印机，以保证人体骨骼建模的准确性，成形出理想的人体骨骼^[2]。目前CT的接口均为DICOM格式，首先由医用CT得到骨骼断层图像，经过MIMICS软件导入DICOM格式，软件自动设定CT原始扫描参数，每层原始图像灰度值以内插值处理，达到亚体素的精度。调整窗位窗宽，对比度达到最佳视度，调整方向和阈值，最终转化为三维打印机所用的STL文件，再用三维打印机软件MAGICS对STL格式文件进行进一步地处理，得到SLC格式的加工文件。这样在快速成形的制造过程中省去中间环节，避免信息丢失，节省时间。骨骼数据转化的难点主要是CT的最小每层扫描厚度和三维打印机的每层扫描厚度不一致。

双喷头以及多喷嘴根据以上研究，当前以及未来应用于成形人体骨骼的三维打印技术首推熔融材料三维打印成形技术，由于该技术需要对整个骨骼截面进行扫描涂覆，成形时间长，为提高成形速度和成形效率，该打印技术将向多喷头以及多喷嘴方向发展^[3]。受骨骼形状的限制，过多的喷头将增加规划扫描路径的难度，运动时容易造成喷头间的干涉，对于成形人体骨骼，双喷头是最佳的选择。双喷头是指由两个喷头同时工作，对于熔融材料三维打印成形，还需添加喷射支撑材料的喷头。填充方向的优化三维打印技术成形人体骨骼是由二维离散数据 层层堆积构成三维实物，由于各层的固化时间顺序不同，因此在骨骼的梯度方向上留下大量的阶梯状台阶，导致实际的人体骨骼表面与期望的人体骨骼表面有较大的区别，影响人体骨骼的表面质量和强度。阶梯状台阶在三维打印技术中被称为台阶效应，是由自身的成形原理带来的，只能通过优化人体骨骼的填充方向来减少这种台阶效应，以提高人体骨骼的表面质量和强度，满足人体骨骼的需要。新型的去除材料方式不论是三维打印技术还是其他快速成形技术，在后处理中去除粉料或支撑材料的工艺十分重要，它是进一步提高成形时间的最后操作。当前去除材料有以下两种方式：粘结材料三维打印成形采用的是待填充完毕，去除外面的粉末；光敏材料三维打印成形和熔融材料三维打印成形用的都是易水解型支撑材料，最后用压力水枪喷射去除支撑材料。此两种方法对去除骨骼外的支撑材料或粉末是可行的，但对骨骼内腔里面的支撑材料或粉末就很困难，因为人体骨骼里面存在内腔，有空隙。因此，需要新型的去除材料方式，同时去除骨骼外面和骨骼内腔的支撑材料或粉末，达到方便简洁、去除材料速度快又容易实现的目的。材料三维打印技术首要解决的问题就是材料问题，受材料的影响工艺会有所不同，目前相对于其他快速成形技术，三维打印技术可供选择的材料范围较小。羟基磷灰石作为活性骨骼的材料，自身不属于光敏材料和粘结性材料，需加入光敏材料或粘结剂，但这样会影响骨骼活性，限制光敏材料三维打印成形和粘接材料三维打印成形打印人体骨骼的临床应用。因此，需要进一步研究开发出更多具有良好综合性能的人体骨骼成形材料，以满足医用骨骼的需要。网络化当今世界是一个信息化、网络化的时代，三维打印成形机也可借助网络资源发挥它的优势。该技术可与医院储存的患者CT扫描人体骨骼信息相结合，在患者住院治疗之前做好需要替换的人工骨骼，以便减少患者的痛苦。为保证人工骨骼植入人体内能够迅速活化，还可将提前成形的人工骨骼在无菌环境中进行体外预培养，选用利于成骨细胞附着、增殖和分化的培养液和环境条件，从而使制造出的人体骨骼在体外得到初步地活化，大大增加人体骨骼替换的成功率。

综上所速，三维打印技术作为现在有效制作活性人工骨骼的技术，通过CT机的扫描数据经过相关处理导入三维打印机中，保证了其准确性，避免了建模的繁琐。但目前由于技术的缺陷，人工骨骼精度、强度不能达到要求，一些技术难点还需要进一步解决。相信随着技术的创新和进步，制造出理想的生物活性骨骼指日可待。

参考文献：

[1]成博,赵文,罗伟,王洪福,刘峰. 基于CT三维重建模型在数字化骨科的应用研究[J]. 武汉理工大学学报,2017,39(02):89-94.

[2]鲁媛媛,李俊来,宋丹绯. 三维重建及打印技术在乳腺肿瘤中的研究进展[J]. 中国医学影像技术,2018,34(01):149-151.

[3]谷静平. 基于CT图像集表面建模的数据处理技术研究[D].南京师范大学,2017.