基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究

东 莞 理 工 学 院 学 报第 20 卷第 1 期2 0 1 3 年 2 月Vol 20 No 1JOURNAL OF DONGGUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Feb 2013基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究陈若瀚陈盛贵四库( 东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808)摘要: 针对脸部假体修复中存在的不足，提出基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体工艺方案。该方案通过 ATOS 便携式三维扫描仪获取患者脸部数据，应用 FreeForm 软件修复及个性化设计患者的脸部模型， 并通过快速成型设备制作出脸部假体样件，最后通过 CAV 软件进行精度分析。实验结果表明: 所提出的方案 能够经济快捷地制作出精度可靠的个性化脸部假体。关键词: 脸部假体; 快速成型; 个性化设计; CAV中图分类号: TP391. 1文献标识码: A文章编号: 1009 0312 ( 2013) 01 0087 05( Rapid Prototyping，RP)技术是 20 世纪 80 年代发展起来的一种原型制造技术，它利用快速成型计算机辅助设计工件的三维模型，并快速制作其实体模型，无需任何附加的传统工模具或机械加工。快速成型技术具有快速、灵活以及适合任何形状、高度柔韧性、高度集成化等优点，广泛应用于工业制造领域1。逆向工程( Reverse Engineering，RE)是基于一个已获得的实体模型构造其设计概念，并可通过对重构模型特征参数的调整和修改实现对实物模型再设计的技术，主要技术内容包括: 数据获取; 曲面重构2。由于意外事故或先天性发育异常引起的耳朵或鼻子等缺陷是脸部假体修复领域较为常见的病例。目 前国内的治疗方法主要是采用技师进行手工雕刻，因此假体的外观以及和缺损面的贴合程度主要取决于技师的雕刻水平3。RP 技术以其不受零件复杂程度限制的优点为医学领域带来了新的技术突破。目前，RP 技术在医疗领域的应用主要在于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平、缩短时间、节省费用4 6。国际上将 RP 技术与 RE 技术相结合应用于医学领域已成为研究热点，然而国内 这方面的研究仍鲜有报道。本实验将使用 ATOS 便携式三维扫描仪、FreeForm 自由设计软件、FDM 及 TDP 快速成型设备、真 空注型设备、CAV 软件等快速成型及逆向工程技术为患者制作个性化、精度可靠、经济快捷、以及外 形舒适的脸部假体，为医学治疗中的脸部假体制作提供一种新的工艺方案。1实验方法及过程数据获取本实验采用德国 GOM 公司的 ATOS 便携式三维扫描仪完成数据采集工作。ATOS 便携式三维扫描仪 在测量过程中可随意绕着人体移动，在距离脸部约 700 mm 处高速摄取实物表面数据，扫描系统可连续 投影 11 种不同间距的光带于脸部，通过光带间距的变化及数码摄像处理器的分析，在数秒内便可得到 表面数据7。在获取患者的脸部数据过程中，患者应素妆并佩戴防护眼镜，扫描时保持身体直立 10 分 钟 15 分钟。扫描过程如图 1 所示，扫描结果如图 2 所示。1. 1收稿日期: 2012 10 16基金项目: 东莞市高等院校、科研机构科技计划项 目 ( 2012108101001) 。图 1 患者脸部扫描过程图 2 患者脸部扫描数据1. 2数据处理逆向工程的关键过程在于根据大规模散乱点云数据，重构具有复杂曲面外形的三维计算于光照条件的细微变化、人脸不光滑的表面以及部位遮挡、数据采集规划等因素的影响，激通常会有一些需要弥补或平滑的区域，例如耳朵、鼻子等部位的不光滑区域会产生毛刺，因 描获取的脸部假体数据进行处理。对点云数据进行编辑的逆向工程软件有 Imageware、FreeForm 等。由于脸部假体的曲面FreeForm 的触感式操作更好，可通过触觉编辑点云，因而选用 FreeForm 软件对点云数据进更为合适，FreeForm 触感式操作器及软件界面如图 3 和图 4 所示。图 3 FreeForm 触感式操作器图 4 FreeForm 软件界面本实验采用 SensAble 公司的自由造型软件 FreeForm，该软件的触感式操作可让患者、医生共同探讨、设计脸部假体方案，并制作出患者满意的假体外形。个性化脸部假体设计是 与患者自身吻合度极高的脸部假体而提出的，它可避免患者对设计师单方面设计出的假体产 及降低医疗的难度，极大地提高了脸部假体的制作效果。设计师在处理患者的脸部假体原始 者、医生可直接给予意见，且患者可亲自操作 FreeForm 处理自己的脸部假体模型。FreeFor 简单，通过摇摆画笔即可进行设计。通过 FreeForm 便捷地设计假体外形，运用雕刻等功能 关部位进行光顺处理 ( 如图 5) ，假体外形的逆向工程模型如图 6 所示。第 1 期陈若瀚，等: 基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究89( LOM) 等 5 种，本实验通过 FDM、TDP 两种方法制作快速成型样件，并对制作的样件及复模件进行精度分析。FDM 快速成型1. 3. 1本实验使用上海富奇凡机电科技有限公司的 HTS 300 熔融挤压台式快速成型机进行 FDM 快速成型，精度为 0. 2 mm。FDM 快速成型工艺是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材加热溶化的成 型方法。FDM 的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔 化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出; 材料迅速凝固，并与周围的材料凝 结。FDM 快速成型样件如图 7。1. 3. 2 TDP 快速成型本实验使用美国 3D Systems 公司的设备 ProJet HD3000，精度为 0. 038 mm。TDP 快速成型采用 Multi jet Modeling ( MJM)技术与光硬化树脂建构模型。TDP 快速成型样件如图 8。图 7 FDM 快速成型样件图 8 TDP 快速成型样件硅胶复模FDM 快速成型样件需经过后处理才能进行硅胶模制作，以处理后的 FDM 快速成型件为样本，制造硅 胶模具，浇注样件。TDP 快速成型样件进行简单的抛光处理后即可进行硅胶模制作。本实验采用上海福菲 科技公司的 VCM600 真空注型机制作硅胶模 ( 如图 9 所示) ，并通过硅胶模浇注样件，如图 10 所示。1. 4FDM 硅胶模图 9TDP 硅胶模脸部假体硅胶模FDM 硅胶件 TDP 硅胶件tion )分析，形成 2D 检测及色彩图报告，GOM Inspect 操作界面如图 11 所示。图 11 GOM Inspect 界面2D 检测及色彩报告如图 12 所示，图中显示的不同着色代表扫描件与原始数据的差值， 值为 0. 2 以下，绿色代表差值在 0. 2 到 0. 2 之间，黄色代表差值在 0. 2 到 0. 5 之间，红 在 0. 5 以上。色彩图清晰的显示了脸部假体制作的精度情况，为患者脸部假体的外形效果提 反馈，在技术方面为减少医患矛盾提供了新的途径。TDP 及 TDP 复件差值图FDM 及 FDM 复件差值图图 12 鼻子 CAV 分析图2结果与讨论由 FDM 与 TDP 快速成型件的 CAV 分析图可知，TDP 成型件及其复模件的制作精度较分析图中基本以绿色显示，误差相当小。由实验研究可知，TDP 比 FDM 成型时间短，但成本比 FDM 成型高，主要由成型技术及 决定。TDP 成型一个鼻子假体大约需要 20 分钟，而 FDM 为 40 分钟; TDP 成型一个鼻子假 为 1 550 元人民币，而 FDM 为 1 200 元人民币。这两种成型方法的成本是患者可接受的，但 要精度较高的假体时，可采用 TDP 快速成型方法制作脸部假体。由于脸部假体所用材料自身的局限性及脸部假体经常性暴露等因素，脸部假体的老化现 免，患者需要在 3 年 5 年后更换一次脸部假体。因此患者脸部假体治疗结束后，医院可以第 1 期陈若瀚，等: 基于快速成型及逆向工程技术的脸部假体实验研究91最后通过 CAV 软件进行精度分析。实验结果表明，通过以上工艺流程，可经济快捷地制作出精度可靠的个性化脸部假体，为医学治疗中的脸部假体制作提供一种新的工艺方案。参 考 文 献12345钱超，孙健 快速成型技术在口腔修复中的应用J 国际口腔医学杂志，2012，39( 3) : 390 393龚振宇，李国华，刘彦普，等 反求与快速成型技术在复杂颌面骨性病变修复中的应用J 疑难病杂志，2011，10( 10) : 767 770 黄雪梅，张文强，叶铭，等 基于快速成型技术的人耳赝复体的设计与制造J 上海交通大学学报，2003，37( 5) : 733 736 焦婷，叶铭，张富强，等 应用快速原形法( FDM 法) 制作耳郭模型的基础研究J 上海口腔医学，2002，11( 4) : 319 321Sekou Singare，Qin Lian，Wei Ping Wang，et al Rapid prototyping assisted surgery planning and custom implant designJ Rapid Prototy- ping Journal，2009，15( 1) : 19 23Sekou Singare，Liu Yaxiong，Li Dichen，et al Fabrication of customised maxillo-facial prosthesis using computer-aided design and rapid proto- typing techniquesJ Rapid Prototyping Journal，2006，12( 4) : 206 213冉洋，龚媛媛，何鹏 应用激光快速原形及逆向工程技术辅助个性化人工整形的实验研究J 激光杂志，2010，31( 3) : 56 57平雪良，高同军，孟凡虹 一种提高快速成形系统精度的新切片算法J 机械科学与技术，2008，27( 9) : 1121 1124678Experimental Research on the Facial Prosthesis Based onRapid Prototyping and Reverse Engineering TechnologyCHEN Ruo-hanCHEN Sheng-guiSekou Singare( College of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)Due to the deficiencies of facial prosthesis reconstruction，this paper proposes the process scheme of facial prosthe-Abstractsis based on rapid prototyping and reverse engineering technology The scheme collects the patients facial data through 3D scannersATOS，using FreeForm software for custom design and reconstruction of the patients facial prosthesis CAD model Finally the CAD data of the prosthesis is transferred to rapid prototyping machine to produce the p