应用激光快速成型方法复制下颌骨——(2)用LOM由三维重建数据制作下颌骨
作者：高勃 谭永生 卿侯 李延民 黄卫东 王健
单位：高勃 李延民 黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室)；卿侯(西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室)；谭永生 王健(北京航空工艺研究所高能束流国防科技重点实验室)
关键词：下颌骨；快速成型；模型
实用口腔医学杂志000218 〔摘要〕 目的：由下颌骨螺旋CT断层像三维重建数据用分层实体制造方法复制该下颌骨。方法：Rhinoceros 3D软件将下颌骨三维数据由DXF文件转换为STL文件，快速成型机M-RPMS-II的数据检验与处理软件读入STL文件、进行实体分层、输出CLI(comman layer interface)文件，监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，控制层厚0.1 mm的涂敷纸逐层叠加制作下颌骨。结果：得到了下颌骨纸质实物模型,其几何外形与下颌骨标本基本一致。结论：下颌骨复制模型精度符合颌面外科要求，可用于术前设计和规划。
, 百拇医药
中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1001-3733(2000)02-0140-03
Fabrication of mandibula replicas with rapid prototyping by laminated object manufacturing--part 2:Fabrication of mandibula with the data of three-dimensional reconstruction of human mandibula
Gao Bo, Tan Yongsheng, Qing Hou
(The State Key Laboratory of Solidification Processing In Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072)
, 百拇医药
〔Abstract〕 Objective: To fabricate mandibula replica by laminated object manufacturing with the data of three-dimensional reconstruction of human mandibula for surgery.Methods: Rhinoceros 3D software was used to convert the 3-D data of the mandibula to STL format, then the STL file was input into the computer which is a part of the rapid apparatus M-RPMS-II, and the STL data was converted to slice format such as CLI by processing software, at last processing parameters were chosen, the 3D stereo mandibular model was built layer by layer by laminating of 0.1 mm thin paper, after the layers of paper had been attached one by one a laser was used to cut to remove unwanted areas. Results: Pilot model of mandibula, built with paper was modelled, the dimensions of the model were in agreement with the mandibula specimen. Conclusions:The accuracy of the mandible modlss can meet with maxillofacial expectation.
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Key words Mandibul Rapid Prototyping; Model
快速成型 (rapid prototyping ,简称RP) 技术诞生于20世纪80年代后期，1986年美国3D System公司推出第一台立体平板印刷机，标志着快速成型技术的兴起。90年代，RP从实验室正式步入市场。该技术被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破，应用领域从开始时的汽车制造行业和来图加工中心发展到航空、商用机械、日用消费品、医疗、政府/军事等各行业。在医学中的应用比例已经占整个应用领域的12%，仅次于汽车(13%)、航空(13%)、商用机械领域(13%)〔1〕。SLA方法于1991年在维也纳首次被引入颌面外科研究领域〔2〕，但该方法存在设计制作支撑问题。目前有人致力于其它快速成型方法在医学中的应用研究〔3〕。分层实体制造(laminated object manufacturing，简称LOM)在快速成型方法中最具制作效率且不需要支撑结构，国内外尚未见用该方法复制人体硬组织器官的报道。本研究在获得离体下颌骨螺旋CT断层像三维重建数据的基础上〔4〕，进一步利用重建数据经LOM方法复制该下颌骨的纸质模型。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 数据文件格式转换
经二抽一采样的下颌骨三维重建数据文件为DXF格式，在奔腾III500计算机上用Rhinoceros(Evaluation)3D软件将DXF格式转换为快速成型设备能够读取的STL文件格式。
1.2 STL数据读入
快速成型机M-RPMS-II(清华大学制造)的数据检验与处理软件读入STL文件，检验其合理性，修正错误，共获得三角形面片243 952个，三角形顶点121 926个。
1.3 数据处理参数设定
数据处理软件修正STL文件错误，进行实体分层，输出CLI(comman layer interface)文件。使x、y、z起点回零，取x=126.23 mm, y=98.15 mm, z=89.000 mm。设边框x方向长度为150 mm，y方向长度为130 mm。
, 百拇医药
设机器原点坐标为x，y(0 mm，0 mm)，加工区域中心点坐标x，y(210 mm，300 mm)。设分层厚度为0.1 mm。
1.4 监控系统参数设定
用监控系统软件读入分层信息、设定加工参数、生成NC代码、控制实时加工。网格划分间距x，y分别取25 mm，20 mm。走纸速度70 mm/s，二氧化碳激光器功率40 W，激光切割零件边缘轮廓和边框速度100 mm/s，切割网格速度140 mm/s。热压温度100 ℃，热压速度60 mm/s。
1.5 片层数控加工
按照设定参数，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层宽度为450 mm的涂敷纸(清华大学制造)，形成各截面轮廓并叠加成三维下颌骨模型。
1.6 去除多余材料
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用小刀片沿网格线和下颌骨轮廓线小心去除包裹在下颌骨周围的材料，得到下颌骨纸质模型(见图3)。用千分尺分别测量下颌骨标本和模型x, y, z方向的最大距离(见表1)。
2 实验结果
如图1、2、3和表1所示。图1、3为下颌骨标本和复制模型。图2为1/2采样后下颌骨三维重建图象。未采样前的STL数据模型文件达到37M，三角形面片达75万之多，三角形顶点数为26万多个，M-RPMS-II数据检验与处理系统不能完全读入并处理该文件。采样处理后，文件容量缩小到11M，三角形面片数为24万多个，三角形顶点12万多个。表1显示下颌骨标本和模型x, y, z方向的最大距离，x, y方向差值较大。
表1 下颌骨模型与标本测量比较结果 最大距离(mm)
x
y
, 百拇医药
z
模 型
121.1
102.2
90.0
标 本
123.3
104.5
91.2
差 值
2.2
2.3
1.2
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图1 下颌骨标本
图2 下颌骨三维重建图象
图3 下颌骨复制模型
3 讨 论
3.1 快速成型技术原理〔5〕
快速成型技术集成了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学等领域的最新成果，它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称为增材制造技术。其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各层截面的轮廓信息，即将三维信息转换成一系列的二维信息，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层纸(或固化一层层的液态树脂；或烧结一层层的粉末材料；或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等)，形成各截面轮廓并叠加成三维产品。该技术可自动而迅速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制。
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3.2 LOM快速成型方法的特点
SLA在医学应用中最为广泛。用于复制颞骨、眶骨、股骨、下颌骨等。但因采用液态光敏树脂固化，固化后的悬臂或悬空结构需要支撑结构，这就需要编制具有能够自动设计加工支撑结构的专门软件。在加工完成后，必须去除支撑结构，但有时很难精确区分支撑结构和模型的界限，往往造成模型外表解剖特征的破坏。另外，有些模型，如整个头骨，SLA不能一次加工完成，必须分段加工。LOM工艺应用的是薄片状材料(目前主要是纸)，材料的一面涂有一层热溶胶。其加工过程以热压—激光切割—送料为循环，最终得到实体零件。与SLA工艺相比，这种工艺所采用的原料成本要低得多，而且原料的保存相当简便。但是，就目前而言，制作成本仍较高，复制该下颌骨模型成本价格超过8 000元人民币，包括CT扫描费，图象三维重建费和快速成型制作加工费等。
3.3 LOM方法复制下颌骨模型精度
从图1、3和表1可见，所复制下颌骨模型与标本解剖外形基本一致，但在x, y方向上的复制精度较差，大于2 mm，低于一般快速成型方法1 mm左右的平均复制精度，z方向的精度符合复制精度的一般规律。LOM方法的制作精度在0.1 mm以下。因此，误差的主要成因不在LOM制作方法，而在于前期三维重建的数据处理。最为关键的环节为图象配准。所谓配准，就是各片CT图象按一定标志配置在统一坐标系下。本实验由于选取扫描图象边框为配准标志线，将90张图片逐一采用手工配准，可能产生较大的误差，致使模型表面台阶明显，连续性较差。另一个原因在于数据采样。在采样前，数据量太大，计算机不能处理。在1/2采样后，就要在一定程度上牺牲精度。所以，在今后的工作当中，应该着重加强图象配准和数据简化处理方面的研究，提高精度数据和处理速度，才能充分发挥快速成型方法的优势。
, 百拇医药
本研究得到陕西省自然科学基金资助(99DM70)
参 考 文 献
1，冯莉萍.激光多层涂覆的工艺特性研究:〔学论论文〕.西安:西北工业大学，1999
2，Lindner A, Rasse M, Wolf HP,et al. Indications and use of stereolithographic skull reconstructions in oromaxillofacial surgery , Radiologe, 1995, 35(9): 578
3，Berry E,Brown JM, Connell M; Preliminary experience with medical applications of rapid prototyping by selective laser sintering. Med Eng Phys, 1997, 19(1): 90
4，高勃，卿侯，白建军,等.应用激光快速成型方法复制下颌骨——(1)下颌骨CT断层像的三维重建.实用口腔医学杂志,2000,16(2)：137
5，单忠德，曾艺成.快速成型技术在铸造中的应用.铸造技术，1998,增刊：44
(收稿：1999-12-15), http://www.100md.com
单位：高勃 李延民 黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室)；卿侯(西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室)；谭永生 王健(北京航空工艺研究所高能束流国防科技重点实验室)
关键词：下颌骨；快速成型；模型
实用口腔医学杂志000218 〔摘要〕 目的：由下颌骨螺旋CT断层像三维重建数据用分层实体制造方法复制该下颌骨。方法：Rhinoceros 3D软件将下颌骨三维数据由DXF文件转换为STL文件，快速成型机M-RPMS-II的数据检验与处理软件读入STL文件、进行实体分层、输出CLI(comman layer interface)文件，监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，控制层厚0.1 mm的涂敷纸逐层叠加制作下颌骨。结果：得到了下颌骨纸质实物模型,其几何外形与下颌骨标本基本一致。结论：下颌骨复制模型精度符合颌面外科要求，可用于术前设计和规划。
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中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1001-3733(2000)02-0140-03
Fabrication of mandibula replicas with rapid prototyping by laminated object manufacturing--part 2:Fabrication of mandibula with the data of three-dimensional reconstruction of human mandibula
Gao Bo, Tan Yongsheng, Qing Hou
(The State Key Laboratory of Solidification Processing In Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072)
, 百拇医药
〔Abstract〕 Objective: To fabricate mandibula replica by laminated object manufacturing with the data of three-dimensional reconstruction of human mandibula for surgery.Methods: Rhinoceros 3D software was used to convert the 3-D data of the mandibula to STL format, then the STL file was input into the computer which is a part of the rapid apparatus M-RPMS-II, and the STL data was converted to slice format such as CLI by processing software, at last processing parameters were chosen, the 3D stereo mandibular model was built layer by layer by laminating of 0.1 mm thin paper, after the layers of paper had been attached one by one a laser was used to cut to remove unwanted areas. Results: Pilot model of mandibula, built with paper was modelled, the dimensions of the model were in agreement with the mandibula specimen. Conclusions:The accuracy of the mandible modlss can meet with maxillofacial expectation.
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Key words Mandibul Rapid Prototyping; Model
快速成型 (rapid prototyping ,简称RP) 技术诞生于20世纪80年代后期，1986年美国3D System公司推出第一台立体平板印刷机，标志着快速成型技术的兴起。90年代，RP从实验室正式步入市场。该技术被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破，应用领域从开始时的汽车制造行业和来图加工中心发展到航空、商用机械、日用消费品、医疗、政府/军事等各行业。在医学中的应用比例已经占整个应用领域的12%，仅次于汽车(13%)、航空(13%)、商用机械领域(13%)〔1〕。SLA方法于1991年在维也纳首次被引入颌面外科研究领域〔2〕，但该方法存在设计制作支撑问题。目前有人致力于其它快速成型方法在医学中的应用研究〔3〕。分层实体制造(laminated object manufacturing，简称LOM)在快速成型方法中最具制作效率且不需要支撑结构，国内外尚未见用该方法复制人体硬组织器官的报道。本研究在获得离体下颌骨螺旋CT断层像三维重建数据的基础上〔4〕，进一步利用重建数据经LOM方法复制该下颌骨的纸质模型。
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1 材料和方法
1.1 数据文件格式转换
经二抽一采样的下颌骨三维重建数据文件为DXF格式，在奔腾III500计算机上用Rhinoceros(Evaluation)3D软件将DXF格式转换为快速成型设备能够读取的STL文件格式。
1.2 STL数据读入
快速成型机M-RPMS-II(清华大学制造)的数据检验与处理软件读入STL文件，检验其合理性，修正错误，共获得三角形面片243 952个，三角形顶点121 926个。
1.3 数据处理参数设定
数据处理软件修正STL文件错误，进行实体分层，输出CLI(comman layer interface)文件。使x、y、z起点回零，取x=126.23 mm, y=98.15 mm, z=89.000 mm。设边框x方向长度为150 mm，y方向长度为130 mm。
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设机器原点坐标为x，y(0 mm，0 mm)，加工区域中心点坐标x，y(210 mm，300 mm)。设分层厚度为0.1 mm。
1.4 监控系统参数设定
用监控系统软件读入分层信息、设定加工参数、生成NC代码、控制实时加工。网格划分间距x，y分别取25 mm，20 mm。走纸速度70 mm/s，二氧化碳激光器功率40 W，激光切割零件边缘轮廓和边框速度100 mm/s，切割网格速度140 mm/s。热压温度100 ℃，热压速度60 mm/s。
1.5 片层数控加工
按照设定参数，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层宽度为450 mm的涂敷纸(清华大学制造)，形成各截面轮廓并叠加成三维下颌骨模型。
1.6 去除多余材料
, http://www.100md.com
用小刀片沿网格线和下颌骨轮廓线小心去除包裹在下颌骨周围的材料，得到下颌骨纸质模型(见图3)。用千分尺分别测量下颌骨标本和模型x, y, z方向的最大距离(见表1)。
2 实验结果
如图1、2、3和表1所示。图1、3为下颌骨标本和复制模型。图2为1/2采样后下颌骨三维重建图象。未采样前的STL数据模型文件达到37M，三角形面片达75万之多，三角形顶点数为26万多个，M-RPMS-II数据检验与处理系统不能完全读入并处理该文件。采样处理后，文件容量缩小到11M，三角形面片数为24万多个，三角形顶点12万多个。表1显示下颌骨标本和模型x, y, z方向的最大距离，x, y方向差值较大。
表1 下颌骨模型与标本测量比较结果 最大距离(mm)
x
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z
模 型
121.1
102.2
90.0
标 本
123.3
104.5
91.2
差 值
2.2
2.3
1.2
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图1 下颌骨标本
图2 下颌骨三维重建图象
图3 下颌骨复制模型
3 讨 论
3.1 快速成型技术原理〔5〕
快速成型技术集成了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学等领域的最新成果，它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称为增材制造技术。其基本原理是：在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后切片软件将三维CAD模型切成一定厚度的薄片，得到各层截面的轮廓信息，即将三维信息转换成一系列的二维信息，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层纸(或固化一层层的液态树脂；或烧结一层层的粉末材料；或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等)，形成各截面轮廓并叠加成三维产品。该技术可自动而迅速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。具有快速、精确、经济等优点，特别是该技术对零件的复杂程度没有限制。
, http://www.100md.com
3.2 LOM快速成型方法的特点
SLA在医学应用中最为广泛。用于复制颞骨、眶骨、股骨、下颌骨等。但因采用液态光敏树脂固化，固化后的悬臂或悬空结构需要支撑结构，这就需要编制具有能够自动设计加工支撑结构的专门软件。在加工完成后，必须去除支撑结构，但有时很难精确区分支撑结构和模型的界限，往往造成模型外表解剖特征的破坏。另外，有些模型，如整个头骨，SLA不能一次加工完成，必须分段加工。LOM工艺应用的是薄片状材料(目前主要是纸)，材料的一面涂有一层热溶胶。其加工过程以热压—激光切割—送料为循环，最终得到实体零件。与SLA工艺相比，这种工艺所采用的原料成本要低得多，而且原料的保存相当简便。但是，就目前而言，制作成本仍较高，复制该下颌骨模型成本价格超过8 000元人民币，包括CT扫描费，图象三维重建费和快速成型制作加工费等。
3.3 LOM方法复制下颌骨模型精度
从图1、3和表1可见，所复制下颌骨模型与标本解剖外形基本一致，但在x, y方向上的复制精度较差，大于2 mm，低于一般快速成型方法1 mm左右的平均复制精度，z方向的精度符合复制精度的一般规律。LOM方法的制作精度在0.1 mm以下。因此，误差的主要成因不在LOM制作方法，而在于前期三维重建的数据处理。最为关键的环节为图象配准。所谓配准，就是各片CT图象按一定标志配置在统一坐标系下。本实验由于选取扫描图象边框为配准标志线，将90张图片逐一采用手工配准，可能产生较大的误差，致使模型表面台阶明显，连续性较差。另一个原因在于数据采样。在采样前，数据量太大，计算机不能处理。在1/2采样后，就要在一定程度上牺牲精度。所以，在今后的工作当中，应该着重加强图象配准和数据简化处理方面的研究，提高精度数据和处理速度，才能充分发挥快速成型方法的优势。
, 百拇医药
本研究得到陕西省自然科学基金资助(99DM70)
参 考 文 献
1，冯莉萍.激光多层涂覆的工艺特性研究:〔学论论文〕.西安:西北工业大学，1999
2，Lindner A, Rasse M, Wolf HP,et al. Indications and use of stereolithographic skull reconstructions in oromaxillofacial surgery , Radiologe, 1995, 35(9): 578
3，Berry E,Brown JM, Connell M; Preliminary experience with medical applications of rapid prototyping by selective laser sintering. Med Eng Phys, 1997, 19(1): 90
4，高勃，卿侯，白建军,等.应用激光快速成型方法复制下颌骨——(1)下颌骨CT断层像的三维重建.实用口腔医学杂志,2000,16(2)：137
5，单忠德，曾艺成.快速成型技术在铸造中的应用.铸造技术，1998,增刊：44
(收稿：1999-12-15), http://www.100md.com