选区激光熔化直接成型个性化外科手术模板研究

论文摘要

选区激光熔化（selective laser melting, SLM）快速成型是一种近十几年来发展起来的快速原型（RP-Rapid Prototyping）技术,它由于能直接成型金属件,成为国内外快速成型领域的一个重要研究方向。从选区激光熔化快速成型技术的现状和目前存在问题来看,成型设备、工艺的研发及应用领域的推广是研究热点。本文主要研究了选区激光熔化快速成型技术在医学领域的应用,选用生物相容性好的316L不锈钢粉末材料进行了选区激光熔化成型实验研究,研究了工艺参数、能量输入、致密度、表面形貌之间的关系以及微观组织特征;医学临床应用流程和外科手术模板的设计、应用。论文的主要内容如下:首先,回顾了快速成型技术在医学领域的应用现状,讨论了选区激光熔化快速成型技术的基本原理和研究现状,为本课题开展研究奠定了理论基础。其次,针对选区激光熔化快速成型本身的特点,结合逆向工程技术,设计出了适用于医用个性化外科手术模板的一整套解决方案,提出了一种全数字化设计制造个性化金属质手术模板的方法,设计采用逆向工程结合正向建模实现,制造采用选区激光熔化快速成型技术实现。以一例骨科多发病例股骨头坏死为例探讨了针对SLM技术定制个性化手术模板的相关问题。采用自行研制的光纤激光选区熔化快速成型设备,研究了选区激光熔化316L不锈钢粉末工艺参数、能量输入、致密度、表面形貌之间的关系,微观组织特征以及一些常见加工缺陷。分析了金属质手术模板的医学需求特点,从成型方式以及扫描策略两方面出发提出了可提高成型精确度,减少热变形和下表面加工缺陷的方案,扫描成型过程采用邻层互错、正交及分区扫描策略,成型出满足要求的模板。文章最后选择具有代表性的外科手术为例,阐述了一种个性化外科手术的系统解决方案。只需要患者的CT/MRI图像便可以借助图像处理与设计软件直接进行术前的数字化手术规划、模拟以及设计对应的手术模板。手术结果表明:该解决方案简化了手术的操作,提高手术的准确性,为临床手术提供一种精确操作的方法,并为该技术今后在临床的应用推广提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 快速成型技术在医学领域的研究现状
• 1.2.1 快速成型技术在外科领域的应用和发展现状
• 1.2.2 快速成型技术在组织工程中的应用
• 1.2.3 快速成型技术在植入体中的应用
• 1.3 SLM 技术简介
• 1.3.1 选区激光熔化快速成型技术的原理
• 1.3.2 选区激光熔化技术的研究现状
• 1.4 SLM 技术制作辅助手术模板的研究意义
• 1.4.1 缩小国内外研究技术差距
• 1.4.2 SLM 技术在医疗行业中的应用前景良好
• 1.5 本文的选题意义、研究内容和课题来源
• 1.5.1 选题意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 课题来源
• 第二章 外科手术模板的个性化定制研究
• 2.1 需求分析
• 2.2 流程设计
• 2.2.1 数字化数据采集及处理
• 2.2.2 数字化模型重建
• 2.3 本章小结
• 第三章 工艺实验
• 3.1 基础工艺实验方法
• 3.2 表面形貌分析
• 3.3 致密度分析
• 3.3.1 扫描速度对致密度的影响
• 3.3.2 扫描间距对致密度的影响
• 3.3.3 激光功率对致密度的影响
• 3.3.4 离焦量对致密度的影响
• 3.3.5 加工层厚对致密度的影响
• 3.3.6 扫描策略对致密度的影响
• 3.4 尺寸精度分析
• 3.4.1 成型系统误差
• 3.4.2 激光扫描系统的影响
• 3.5 微观组织分析
• 3.6 模板加工工艺研究
• 3.6.1 扫描策略研究
• 3.6.2 热变形缺陷分析研究
• 3.6.3 下表面加工缺陷分析研究
• 3.6.4 手术模板加工实例分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 个性化手术模板的临床应用
• 4.1 股骨肿瘤切除术手术模板研究
• 4.1.1 设计原理
• 4.1.2 肿瘤切除范围的确定
• 4.1.3 图像提取处理及模板的设计与制造
• 4.1.4 临床试验
• 4.2 粉碎性骨折手术复位模板研究
• 4.2.1 手术模板的设计原理
• 4.2.2 CT 图像预处理
• 4.2.3 手术规划、虚拟手术以及模板的设计
• 4.2.4 临床试验
• 4.2.5 讨论
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 临床试用证明