[發明專利]鈦合金顱骨修復假體的數字化設計與制造系統

無效

• 申請號: 201110405394.5
• 申請日: 2011-12-07
• 公開（公告）號: CN102495929A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 關天民;單麗君
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B23P17/00;B23P23/00;G05B19/4097
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 陳紅燕

技術領域

本發明涉及顱骨修復假體的設計與制造系統，尤其涉及一種鈦合金顱骨修復假體的數字化設計與制造系統。

背景技術

顱骨修復患者有兩大類，一類是先天性，這類患者是因為出生時伴有不正常顱骨生長，導致后來顱骨發生嚴重畸形，必需進行外科手術引導顱骨的正常生長：還有一類是后天形成的顱骨缺損，這類患者所占比例很大，且數量逐年增多。人由于戰爭、車禍、重物打擊等原因會產生顱骨缺損，另一方面腦腫瘤的發病率也呈上升趨勢，腦部手術后伴隨而來的就是顱骨修補。因此，就該研究成果的應用上，存在著巨大的潛在用戶，市場應用前景廣闊。

在制造工藝上，國內外主要有四種方法：手工塑形、失蠟鑄造、模具壓制和多點成形技術。現在醫學上常用鈦網制作顱骨修復體，鈦網雖然具有組織相容性好的特點，但強度和硬度均低于顱骨組織，耐沖擊時產生塑性變形。而且只能靠手工塑形。手工塑形對臨床醫生的手工水平要求較高，鈦合金不易成型，塑形困難，勞動強度大，增加了手術時間，塑形時易產生翹曲和皺褶，導致修復體與缺損部位吻合較差，而且鈦網邊緣鋒利容易刺破皮膚而暴露出來，引起皮膚感染。這些缺點都是鈦網顱骨修復難以克服的缺點，嚴重影響了修復效果。鑄造和模具壓制在修復體質量上有所提高，但制造周期長、成本高柔性差，以目前的制備手段很難保證一次手術完成清創和修補。而壓痕、起皺、回彈和邊緣翹曲是多點成形中特有的成形缺陷，壓痕和起皺影響顱骨修復體的外形美觀，回彈會使修復假體尺寸與骨窗尺寸不吻合，導致修復體塌陷或固定松動。邊緣翹曲會使使修復假體與骨窗不能良好貼合，影響修復質量。顱骨修復技術，不僅關系到廣大顱骨缺損患者健康和美觀，而且嚴重影響患者今后的生活質量，因此對顱骨修復體制備技術的研究具有重要的意義。

發明內容

鑒于上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是針對現有顱骨修復假體的缺陷，從設計與制造上對其進行改進，提出一種利用圖像處理技術和數控加工方法相融合的數字化設計與制造系統。

本發明的技術解決方案是這樣實現的：

一種鈦合金顱骨修復假體的數字化設計與制造系統，包括：

三維點云數據獲取單元，其基于缺損顱骨標準醫學圖像DICOM格式的CT數據，采用VTK可視化工具包，獲取缺損顱骨三維點云數據；并利用Geomagic?Studio逆向工程軟件對點云數據進行濾波、去噪預處理，以破洞邊界構造基準平面，刪除冗余點云數據，完成點云截取采樣；

假體曲面修復擬合單元，其用于自動計算捕捉破洞邊界，刪除孤立點及零星三角面片，同時修補缺失點云及有效面域；繼而對整體曲面及邊界邊進行松弛平滑處理，作出擬合邊界軌跡，基于破損區域邊界曲率一致原則，對缺失數據進行填充，最佳擬合出修復假體曲面；

誤差分析單元，其利用Geomagic?Qualify校核軟件，對假體原始點云和擬合后的曲面，以最佳匹配原則進行3D特征比對和誤差分析，并自動生成分析報告；

三維實體建模單元，其利用Pro/E三維造型軟件，通過實體化操作得到外形光順的修復假體三維實體模型；以修復假體的實體模型為基礎，通過數控加工仿真模擬，生成數控加工NC代碼；和

數控加工單元，其根據三維實體建模單元導出的NC代碼，采用鈦合金數控加工出修復假體的凹凸面，鉆生理孔和鈦釘孔，在線切割機上切割成修復假體成品。

進一步的，所述數控加工單元的數控加工過程包括：

(1)根據NC代碼，數控加工出修復假體的凹側曲面；

(2)繼而將所述修復假體放入模具中夾緊定位，并在已加工的凹面一側灌入焊錫，冷卻后，模具、焊錫和修復假體三者固結在一起；

(3)在鉆床上鉆削修復假體上的生理孔和鈦釘孔；

(4)將模具反轉180度扣置，去掉模具底板，數控加工出所述修復假體的凸側曲面；

(5)將修復假體放入電爐中加熱使焊錫熔化，脫模，清理。

與現有技術相比，本發明具有突出的技術效果：

本發明所述系統實現了顱骨修復假體的數字化設計和數控加工仿真，加工出尺寸精度高、貼合性良好的修復假體；同時，其操作簡單，設計的假體通過檢驗也具有高質量和良好的貼合性，手術時只要把預先制作好的修復體安裝上即可，大大縮短手術時間，臨床應用的副作用小，真正實現了個性化顱骨修復；尤其是，其采用與臨床鈦網相同的鈦合金材料，并在數控加工過程中，采用加工完一側后灌入焊錫的方法，不僅組織相容性好，尤其改善了鈦合金材料的機械性能和加工工藝性能，從而避免了諸如壓痕、起皺、回彈和邊緣翹曲等加工缺陷，大大提高了修復質量從而減輕了患者的諸多負擔。

附圖說明