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可移植人体外耳支架的3D打印关键技术(二)

2 数据采集和逆向建模

        以一25 岁男子的外耳为例,如图3(a)所示,通过CT 得到原始数据,通过医学逆向工程软件Mimics 得到外耳的三维模型,并使用Studio 2012对模型进行后处理和基于移植的减薄处理。

2.1 CT 数据采集与三维建模
        使用医学螺旋CT(东芝Aquilion/64)对一25岁男子头部进行了局部环形扫描,得到原始层片数据。

图3 人体外耳的逆向建模和后处理
 
        利用医学逆向建模软件Mimics 对该层片集进行了三维重建。通过选取合适的CT 值,对头部皮肤信息进行了三维还原,如图3(b)所示。同时,由于只对人体外耳进行研究,对CT 层片进行分割筛选,得到外耳模型,如图3(c)所示。该模型被转换为STL 格式以方便进行后处理。

        直接转换得到的模型表面粗糙,三角片过渡不自然,与真实人体外耳表面的光滑、连续曲面的实际情况不符,故需要对其进行一定的后处理。将生成的外耳模型导入Studio 2012,进行网格均匀化、降噪、表面光顺化、去除钉状物等处理,消除局部的网格畸形,最后得到表面光顺的STL格式模型,如图3(d)所示。

2.2 植入的模型减薄
        根据临床观察得出,不同患者的耳后乳突区皮肤厚度有较大差异,其最小厚度不足1 mm(6 ~8岁儿童),最大厚度达到3 mm 左右(成年男子)。因此,植入的硅胶外耳支架需要在原始尺寸上进行等距减薄,使得其被皮肤包裹后尺寸与正常耳一致。将外耳分为支撑结构和特征结构,支撑结构主要起到支撑和保持耳朵形状以及保证耳朵强度的作用,如耳轮、耳舟、对耳轮、耳甲腔、耳垂等部位;特征结构的作用是使耳朵的特征更加明显,而在皮肤包裹的过程中这些部位并非是承力部位,如三角窝、耳甲艇等。显然,减薄过程中,外耳支架的支撑结构厚度必须大于零以保证其能够支撑外面的皮肤。

        对上面生成的外耳进行厚度分析,得出该外耳超过80%的部位数据,包括支撑部位厚度均大于4 mm。故拟以4 mm 为最大减薄量,保持原始模型中性面不变,对耳朵两边的外表面分别进行等距偏移,每次偏移量设为0.25 mm,每边最大偏移2 mm。按照这种方法,对原尺寸外耳进行减薄。部分非支撑结构如三角窝、耳甲艇处原始厚度小于4 mm。在减薄过程中前后两面贯穿形成孔洞,由于其并不对结构强度产生影响,为保持曲面连续对其进行了适当修补。减薄完成后对所有减薄模型进行了网格细化、表面光顺等后处理。最后得到8个减薄后的支架模型,如图4 所示。其中:(a)为原始模型,从(b)至(i)分别为每边减薄0.25 mm,0.50 mm,0.75 mm,…,2.00 mm 的模型。对于不同皮肤厚度的患者,选用相应的模型减薄量。但是若支架的支撑部位厚度太小,在移植过程中会因其强度不够而导致变形。故在完成支架制造后,应对减薄量较大的支架进行模拟移植,分析确定可供移植的最大减薄厚度。
图4 不同厚度的人体外耳支架模型

未完待续;
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