面向復雜形狀骨骼的逆向設計技術研究

馬常亮，張憲政，肖幽，陸廣華

（1.南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州 225300；2. 中航工業江西洪都航空工業集團有限責任公司，江西 南昌 330024）

在骨科領域，3D 逆向設計技術主要應用在醫療器械（植入物、手術導板、夾板、矯正器、義肢、牙齒等）、醫用教學模型等設計與制造，骨骼修復，整形美容，術前規劃，護理干預等方面。在生物支架設計領域，黨麗等人設計制備了不同配方的人工骨支架,并測試了其力學性能。劉春等人通過實驗研究獲得了噴嘴溫度對3D 打印PLA 支架材料的生物力學性能的影響規律。在矯正器設計方面，廖政文等人設計制作了與患者肢體吻合較好的肢體矯形器，姜繆文設計制作了能有效減小足后跟處壓力的足底矯形器設計模型。在手術導板設計方面，卞學勝對骨骼CT 掃描數據進行分割和重建，據此設計出與骨骼模型吻合度很高的手術導板。丁祥等人采用3D 打印技術、逆向工程原理等設計AS 頸椎椎弓根導向模板，顯著提高了置釘的準確性和安全性。在術前規劃領域，張書新根據CT 掃描數據，通過逆向設計、3D 打印等手段制作了6 例個體化的肺癌實體模型用于術前規劃和術中實時指導。陳涯等人根據CT 掃描數據，通過逆向設計、3D 打印等手段制作了1:1 骨折模型，據此制定了個體化的手術方案，效果顯著。

CT、磁共振成像等技術手段由于獨特的應用范圍以及對患者隱私數據的保護等因素，大大限制了骨骼逆向設計技術的廣泛使用。為了能夠低成本培養低年資醫師、醫學院學生的逆向設計技術應用能力，同時，便于非醫學領域研究人員開發醫療器械與護具，本文建立了一種適用于復雜形狀骨骼的低成本逆向設計技術。該技術基于醫用人體骨骼實物，借助普通桌面三維掃描儀與光固化3D 打印機即可實現復雜形狀骨骼的逆向設計，避免了采用CT、磁共振成像等手段獲取骨骼的局限性，具有較好的應用優勢。

1 人體骨骼掃描性分析

根據目標物尺寸對三維掃描的影響，可以將目標物分為極小型（≤10mm）、小型（10 ～30mm）、中型（30mm ～1m）、大型（1 ～10m）、超大型（≥10m）。目標物尺寸過大、過小都不利于三維掃描。目標物尺寸過大，需要在較大的尺度范圍內進行多次拼接，容易造成誤差積累。目標物尺寸過小，不僅不能在目標物上粘貼用于拼接標記點，而且會導致目標物本身的特征也很難區分出來。針對掃描物體尺寸過大的問題，國內外學者設計出更精確的掃描儀、更高效的拼接方法，較好地解決了此類問題。但現有的大多數掃描儀難以掃描小于10mm 以下的物體。

人體骨骼具有豐富的骨骼形態、很好的多樣性，如圖1 所示。從尺寸角度而言，成年人體骨骼尺寸分布在5 ～500mm；從形態角度而言，骨骼呈現出球狀、細長體狀、扁平狀等。根據目標物尺寸劃分，可以將人體骨骼劃分三大類：極小型、小型、中型。其中，小型與中型尺寸骨骼的掃描難度不大，關鍵點在于能夠根據所選骨骼的形態特征設計、確定便于掃描的位姿。對于極小型骨骼，難點在于多視拼接。

圖1 人體骨骼模型

2 復雜形狀骨骼逆向設計技術

2.1 中小型骨骼三維掃描與逆向建模技術

以額骨為例，研究中小型骨骼的三維掃描技術與逆向建模技術。額骨、寬度、深度依次為160mm、130mm、100mm，屬于中型尺寸骨骼，如圖2 所示。形態以球狀為主，局部帶有凹槽特征，壁厚相對較薄，在掃描過程中，需要在一定的位姿上將內外表面點云數據拼接起來。

圖2 額骨總體尺寸

將額骨放到旋轉平臺上，掃描次數設置為8。隨著轉臺的旋轉，每個一定的角度掃描一次額骨，每次獲取點云數據如圖3 所示。

圖3 額骨第1 輪部分掃描數據

將掃描得到的8 個點云數據合并為一個整體，如圖4（a）所示。進一步從圖4（b）中可以看出，第1 輪掃描得到的額骨數據僅僅是外表面數據；從圖4（c）、（d）中可以看出，額骨數據存在缺少的情況。這主要是由如下原因造成：（1）設置的掃描次數偏少，初始設置的是轉臺旋轉1 周掃描8 次，當掃描物體幾何特征簡單時，能夠滿足要求，當對于復雜的結構，就需要減少角度間隔、增加掃描次數，但過多的增加掃描次數會增加點云數據的重復；（2）采用轉臺掃描時，只能掃描得到額骨四周的點云數據，而頂部、底部、內部的點云數據就難以獲取。為此，需要對額骨進行補充掃描。

圖4 第1 輪掃描得到整體數據及數據分析

在進行補充掃描時，額骨是一種近似球形的骨骼，當掃描其內表面時，需要將額骨內表面向上放置，并要不斷調整姿態，以便掃描儀能夠“觀察”到內表面。但是，當額骨內表面向上放置時，額骨頂部與轉臺接觸區很小，從而會導致轉臺轉動時，上顎骨會晃動，影響掃描質量，為此可以采用黑色橡皮泥或者熱熔膠來輔助固定額骨，如圖5 所示。

圖5 額骨內表面掃描注意事項

經過多輪修復，采用修補、降噪、平滑等措施，最終的額骨模型見圖6。

2.2 極小型骨骼三維掃描與逆向建模

以足骨中的最小趾骨為例，研究極小型骨骼三維掃描與逆向建模技術。本例中最小趾骨形態近似為圓柱與圓臺的組合形態，最小處直徑為6mm，最大處直徑為9mm，高度為8mm，如圖7 所示。

圖6 額骨最終模型

圖7 足骨中的最小趾骨

將最小趾骨固定在轉臺上，如圖8（a）所示，使用轉臺掃描，默認次數為8 次，掃描完成后，進行自動拼接，拼接效果如圖8（b）所示，最小趾骨的8 次點云數據無法自動拼接到一起。

圖8 最小趾骨第1 輪掃描數據及其拼接

經深入分析，采用轉臺掃描（圖8）拼接失敗的原因主要是最小趾骨的尺寸過小，從而導致轉臺每次旋轉的角度對最小趾骨來講過大，導致8 次掃描數據重合度過低，從而無法拼接。因此，對于極小尺寸骨骼，只能對其進行微小幅度移動，相鄰兩次掃描能夠獲取足夠的重合點云數據，才可能拼接成功。

第3 輪掃描依然采用單面掃描方法，但此次掃描將底面數據與側面數據一同掃描，以底面（圖7 中直徑為9mm 的面）作為過渡面，共進行了13 次單面掃描，每次掃描時，都需要精細地調整骨骼的位姿，最終使其自動拼接成功，如圖9所示。使用底面作為過渡面的原因主要有：底面面積較大，特征便于識別，掃描的數據量比較充足，便于拼接。部分掃描數據如圖9（a）～（d）所示，拼接后的點云數據如圖9（e）所示，效果較好。

圖9 最小趾骨第3 輪掃描數據及其拼接

3 3D 打印工藝研究

在桌面式3D 打印機中，FDM 打印機、光固化打印機應用的比較廣泛。FDM 打印機采用PLA、PEEK 等材料，噴嘴直徑有0.2mm、0.4mm、0.8mm 等多種規格，但最小的噴嘴直徑為0.2mm，這也是現有主流FDM 打印機的最小噴嘴直徑。光固化打印機采用光敏樹脂為材料進行打印，精度較高，可以達到0.025mm。人體骨骼形態多樣，對打印工藝提出了較高的要求。本文篩選了4 種典型的骨骼形態，如圖10 所示。

圖10 骨骼3D 打印需要考慮的關鍵要素

如圖10（a）所示，骨骼邊緣往往帶有“刃”形特征，薄且鋒利，FDM 打印機無法實現0.2mm 以下的特征打印，而且越薄的地方打印出來的強度越差（層與層之間的黏結性較差）；如圖10（b）所示，骨骼表面帶有一定的“粗糙度”，FDM 打印機達不到粗糙度級別的精度；如圖10（c）所示，骨骼對縫處有“鋸齒狀”特征；如圖10（d）所示，骨骼帶有深度不一的“溝壑”特征，采用FDM 工藝會出現“拉絲”現象。綜上考慮，骨骼打印需要采用光固化工藝。打印的頭部骨骼模型與足部骨骼模型如圖11、圖12 所示，效果較好。

圖11 部分頭骨原型與打印模型

圖12 部分足骨原型與打印模型

4 結語

重點研究了復雜形狀骨骼的逆向設計技術，包括三維掃描中的骨骼位姿固定、極小尺寸骨骼點云數據拼接、骨骼3D打印工藝等關鍵問題。在復雜形狀骨骼的逆向設計中，需要注意：

（1）根據目標骨骼的形態特征，確定相應的位姿固定方案。可以采用橡皮泥、熱熔膠等物體將骨骼固定在某個位姿上。但采用橡皮泥時，需要留出一定的時間釋放出橡皮泥的彈性變形，避免引起骨骼在掃描過程中的抖動現象。

（2）為了能夠成功拼接極小尺寸骨骼的點云數據，需要采用較大幾何尺寸特征作為過渡面，依次掃描其余幾何特征。需要特別注意的是，在掃描過程中只能對極小尺寸骨骼進行微小幅度移動，相鄰兩次掃描能夠獲取足夠的重合點云數據，才可能拼接成功。