CN104537164A - 一种针对骨缺损修复的一体化集成系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对骨缺损修复的一体化集成系统和方法。本系统包括依次连接的医学图像获取系统、CAM系统和3D打印成形系统；本方法包括如下步骤：1）医学图像获取系统对医学CT图像进行三维模型的重建，最终输出可供CAM系统操作的STL文件；2）CAM系统生成路径文件；3）后置处理并按再生骨支架成形工艺要求生成PMAC运动控制卡驱动文件；4）3D打印系统通过系统总控模块控制PMAC运动控制卡，使得集成系统综合成形具有微观和宏观结构的再生骨支架，并能够在线实时监测成形过程工艺参数。本发明能够从宏观和微观两个角度来实现再生骨支架的制备，实现宏观和微观的实时调控，方便快捷，灵活性较高。

Description

一种针对骨缺损修复的一体化集成系统和方法

技术领域

本发明涉及一种针对骨缺损修复的一体化集成系统和方法。

背景技术

由交通事故和先天性肢体缺陷以及运动创伤和自然灾害等原因引起的骨组织受损给患者带来了极大的痛苦，因此针对受损骨组织的修复就成为了医学领域的研究热点和重点。目前临床上常用的骨组织修复途径主要有三种：自体骨组织移植、异体骨组织移植或应用人工假体作为替代品。由于供体受到数量和排异等因素的限制，自体骨组织以及异体骨组织的移植不能大范围的实现骨组织的修复。因此，实现再生骨支架的制备就显得尤为重要。作为一种新兴产业，再生医学及生物制造技术具有良好的发展前景和广阔的应用市场。再生骨支架的制备工艺及技术一直以来也是骨缺损修复领域的研究热点。

目前，尽管现有成熟3D打印装备也已具有了从设计到制造的软件处理系统，但主要是面向民用和工业用，其软件系统是处理通过CAD建模软件生成的数字模型，并不能满足生物3D打印技术及装备需要的从医学CT或MRI影像数字模型到最终模型实体的加工。而针对生物制造的3D打印设备，其医学图像获取及处理系统往往是分离的，即针对骨组织的医学CT或MRI图像文件首先是通过第三方的设计软件对模型进行重建并对重建的模型进行处理，然后将处理过的模型再通过制造系统进行处理，最后通过3D打印设备进行模型的成型。这样的系统往往要求使用者能够使用专业的第三方CAD或CAM软件系统，对使用者的专业性提出了很高的要求，这也限制了该技术的进一步发展。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，针对临床上骨缺损修复的问题，在基于再生骨支架制备的基础上，提出了再生骨支架成型工艺路线，从研究开发生物3D打综合成形再生骨支架装备的角度出发，提出了从医学CT图像或再生骨支架的STL模型直接到模型实体加工成形的针对骨缺损修复的生物设计及制造系统并结合生物3D打印的一体化集成系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种针对骨缺损修复的一体化集成系统，包括依次连接的医学图像获取系统、CAM系统和3D打印成形系统；所述医学图像获取系统包括逆向重建模块和正向构建模块；所述CAM系统包括路径规划模块和后置处理模块；所述3D打印系统包括以PMAC运动控制卡为核心的由系统总控模块控制的宏观成形子系统和微观成形子系统，从而成形再生骨支架模型。

一种针对骨缺损修复的一体化集成方法，包括以下步骤：

1）医学图像获取系统的逆向重建模块包含医学图像的输入、图像预处理、表面重建和交互切割；正向构建模块包括了补缺体的构建、表面模型后处理、局部孔隙单元的设计、样本库的扩充、网格的装配以及多孔结构的生成；医学图像获取系统对医学CT图像进行三维模型的重建，最终输出可供CAM系统操作的STL文件；

2）CAM系统的路径规划模块以STL文件为信息源，读取STL模型后，按照再生骨支架的结构特征参数要求输入特征参数，以特征参数为处理条件，对STL模型进行分层，分层后的模型要与平面求交生成层面交点，即加工路径的起始点，得到加工路径的起始点后要对这些坐标点进行排序，从而生成路径文件；

3）CAM系统的后置处理模块将路径文件进行后置处理并按再生骨支架成形工艺要求生成PMAC运动控制卡驱动文件；首先将路径文件转换成G代码文件，然后在G代码文件的基础上添加设置PMAC运动控制卡的使能变量，生成驱动PMAC运动控制卡的驱动文件；消除CAM系统路径规划模块处理STL模型产生的冗余路径。

4）3D打印系统通过系统总控模块控制PMAC运动控制卡，使得集成系统综合成形具有微观和宏观结构的再生骨支架，并能够在线实时监测成形过程工艺参数。

本发明与现有的生物CAD、生物CAM和生物3D打印技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.在再生骨支架制造过程中，不再依赖于第三方软件系统来对医学CT数据或已有的STL文件数据进行输入、处理和输出。

2.克服了现有的CAD软件不具有的对医学CT数据进行处理的问题。

3.医学图像获取系统、CAM系统和3D打印系统的集成，使得从医学缺损图像的获取到处理再到最后的模型生成能够连贯的在一个集成系统上进行。

4.利用本发明可以做到实时监测再生骨支架的制作过程，获取其中的工艺参数，对相应不合适的地方进行修改和改进。

5.本发明能够从宏观和微观两个角度来实现再生骨支架的制备，实现宏观和微观的实时调控，方便快捷，灵活性较高。

附图说明

图1是针对骨缺损修复的一体化集成系统。

图2是针对骨缺损修复的一体化集成方法。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

如图1所示，一种针对骨缺损修复的一体化集成系统，包括依次连接的医学图像获取系统、CAM系统和3D打印成形系统；所述医学图像获取系统包括逆向重建模块和正向构建模块；所述CAM系统包括路径规划模块和后置处理模块；所述3D打印系统包括以PMAC运动控制卡为核心的由系统总控模块控制的宏观成形子系统和微观成形子系统，从而成形再生骨支架模型。

如图2所示，一种针对骨缺损修复的一体化集成方法，包括以下步骤：

1）医学图像获取系统的逆向重建模块包含医学图像的输入、图像预处理、表面重建和交互切割；正向构建模块包括了补缺体的构建、表面模型后处理、局部孔隙单元的设计、样本库的扩充、网格的装配以及多孔结构的生成；医学图像获取系统对医学CT图像进行三维模型的重建，最终输出可供CAM系统操作的STL文件；

2）CAM系统的路径规划模块以STL文件为信息源，读取STL模型后，按照再生骨支架的结构特征参数要求输入特征参数，以特征参数为处理条件，对STL模型进行分层，分层后的模型要与平面求交生成层面交点，即加工路径的起始点，得到加工路径的起始点后要对这些坐标点进行排序，从而生成路径文件；

3）CAM系统的后置处理模块将路径文件进行后置处理并按再生骨支架成形工艺要求生成PMAC运动控制卡驱动文件；首先将路径文件转换成G代码文件，然后在G代码文件的基础上添加设置PMAC运动控制卡的使能变量，生成驱动PMAC运动控制卡的驱动文件；消除CAM系统路径规划模块处理STL模型产生的冗余路径。

4）3D打印系统通过系统总控模块控制PMAC运动控制卡，使得集成系统综合成形具有微观和宏观结构的再生骨支架，并能够在线实时监测成形过程工艺参数。

实施例1

在本实施例中，以壳聚糖和明胶作为宏观成形材料，颅骨缺损部分为例，对其具体实施步骤进行介绍：

步骤一：将得到的颅骨部分的医学CT图像导入到医学图像获取系统软件中，实现医学图像的可视化，提取出颅骨缺损部分，对其进行重建以及相应的处理，得到相应的STL文件并输出；

步骤二：将上一步得到的STL文件数据导入到CAM系统软件中，首先对其文件数据进行读取，输入模型的特征参数，对STL模型文件进行分层，再到层面交点的生成和排序，最终输出加工路径文件；

步骤三：加工路径文件生成后，导入到CAM系统的后置处理模块中，将路径文件转换成G代码文件，在G代码文件中设置PMAC运动控制卡的使能变量，生成驱动PMAC运动控制卡的驱动文件；

步骤四：将配比为18%明胶和4%壳聚糖进行混合作为宏观成形水凝胶材料，将驱动文件导入到3D打印系统中，挤出材料的同时，使设备按照规划好的路径行走，完成再生骨支架的制作。

实施例2

在本实施例中，以壳聚糖和明胶作为宏观成形材料，PCL（聚几内脂）作为微观成形材料，人胫骨缺损部分为例，对其具体实施步骤进行介绍：

步骤一：将得到的胫骨部分的医学CT图像导入到医学图像获取系统软件中，实现医学图像的可视化，提取出颅骨缺损部分，对其进行重建以及相应的处理，得到相应的STL文件并输出；

步骤二：将上一步得到的STL文件数据导入到CAM系统软件中，首先对其文件数据进行读取，输入模型的特征参数，对STL模型文件进行分层，再到层面交点的生成和排序，最终输出加工路径文件；

步骤三：加工路径文件生成后，导入到CAM系统的后置处理模块中，将路径文件转换成G代码文件，在G代码文件中设置PMAC运动控制卡的使能变量，生成驱动PMAC运动控制卡的驱动文件；

步骤四：将配比为18%明胶和4%壳聚糖进行混合作为宏观成形水凝胶材料，将驱动文件导入到3D打印系统中，挤出材料的同时，使设备按照规划好的路径行走，宏观部分成形完成后，将工位移到微观成形处，以PCL（聚几内脂）作为电纺丝材料，在高压电场下挤出成丝，这样进行两个工位的转换，完成复合再生骨支架的制作。

Claims (2)

1.一种针对骨缺损修复的一体化集成系统，其特征在于：包括依次连接的医学图像获取系统、CAM系统和3D打印成形系统；所述医学图像获取系统包括逆向重建模块和正向构建模块；所述CAM系统包括路径规划模块和后置处理模块；所述3D打印系统包括以PMAC运动控制卡为核心的由系统总控模块控制的宏观成形子系统和微观成形子系统，从而成形再生骨支架模型。

2.一种针对骨缺损修复的一体化集成方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）医学图像获取系统的逆向重建模块包含医学图像的输入、图像预处理、表面重建和交互切割；正向构建模块包括了补缺体的构建、表面模型后处理、局部孔隙单元的设计、样本库的扩充、网格的装配以及多孔结构的生成；医学图像获取系统对医学CT图像进行三维模型的重建，最终输出可供CAM系统操作的STL文件；

2）CAM系统的路径规划模块以STL文件为信息源，读取STL模型后，按照再生骨支架的结构特征参数要求输入特征参数，以特征参数为处理条件，对STL模型进行分层，分层后的模型要与平面求交生成层面交点，即加工路径的起始点，得到加工路径的起始点后要对这些坐标点进行排序，从而生成路径文件；

3）CAM系统的后置处理模块将路径文件进行后置处理并按再生骨支架成形工艺要求生成PMAC运动控制卡驱动文件；首先将路径文件转换成G代码文件，然后在G代码文件的基础上添加设置PMAC运动控制卡的使能变量，生成驱动PMAC运动控制卡的驱动文件；消除CAM系统路径规划模块处理STL模型产生的冗余路径；

4）3D打印系统通过系统总控模块控制PMAC运动控制卡，使得集成系统综合成形具有微观和宏观结构的再生骨支架，并能够在线实时监测成形过程工艺参数。