快速成型(Rapid Prototyping，RP)技術是20世紀80年代發展起來的一種原型制造技術，它利用計算機輔助設計工件的三維模型，并快速制作其實體模型，無需任何附加的傳統工模具或機械加工。快速成型技術具有快速、靈活以及適合任何形狀、高度柔韌性、高度集成化等優點，廣泛應用于工業制造領域。逆向工程(Reverse Engineering，RE)是基于一個已獲得的實體模型構造其設計概念，并可通過對重構模型特征參數的調整和修改實現對實物模型再設計的技術，主要技術內容包括：數據獲取；曲面重構。
由于意外事故或先天性發育異常引起的耳朵或鼻子等缺陷是臉部假體修復領域較為常見的病例。目前國內的治療方法主要是采用技師進行手工雕刻，因此假體的外觀以及和缺損面的貼合程度主要取決于技師的雕刻水平。RP技術以其不受零件復雜程度限制的優點為醫學領域帶來了新的技術突破。目前，RP技術在醫療領域的應用主要在于醫療診斷和外科手術策劃，它能有效地提高診斷和手術水平、縮短時間、節省費用。國際上將RP技術與RE技術相結合應用于醫學領域已成為研究熱點，然而國內這方面的研究仍鮮有報道。
本實驗將使用ATOS便攜式三維掃描儀、FreeForm自由設計軟件、FDM及TDP快速成型設備、真空注型設備、CAV軟件等快速成型及逆向工程技術為患者制作個性化、精度可靠、經濟快捷、以及外形舒適的臉部假體，為醫學治療中的臉部假體制作提供一種新的工藝方案。
1 實驗方法及過程
1.1 數據獲取
本實驗采用德國GOM公司的ATOS便攜式三維掃描儀完成數據采集工作。ATOS便攜式三維掃描儀在測量過程中可隨意繞著人體移動，在距離臉部約700mm處高速攝取實物表面數據，掃描系統可連續投影11種不同間距的光帶于臉部，通過光帶間距的變化及數碼攝像處理器的分析，在數秒內便可得到表面數據。在獲取患者的臉部數據過程中，患者應素妝并佩戴防護眼鏡，掃描時保持身體直立10分鐘-15分鐘。掃描過程如圖1所示，掃描結果如圖2所示。
圖1患者臉部掃描過程
圖2 患者臉部掃描數據
1.2 數據處理
逆向工程的關鍵過程在于根據大規模散亂點云數據，重構具有復雜曲面外形的三維計算機模型。由于光照條件的細微變化、人臉不光滑的表面以及部位遮擋、數據采集規劃等因素的影響，激光掃描數據通常會有一些需要彌補或平滑的區域，例如耳朵、鼻子等部位的不光滑區域會產生毛刺，因此需要對掃描獲取的臉部假體數據進行處理。
對點云數據進行編輯的逆向工程軟件有Imageware、FreeForm等。由于臉部假體的曲面較為復雜，FreeForm的觸感式操作更好，可通過觸覺編輯點云，因而選用FreeForm軟件對點云數據進行編輯處理更為合適，FreeForm觸感式操作器及軟件界面如圖3和圖4所示。
圖3 FreeForm觸感式操作器
圖4 FreeForm軟件界面
本實驗采用SensAble公司的自由造型軟件FreeForm，該軟件的觸感式操作可讓患者、設計師以及醫生共同探討、設計臉部假體方案，并制作出患者滿意的假體外形。個性化臉部假體設計是為了設計出與患者自身吻合度極高的臉部假體而提出的，它可避免患者對設計師單方面設計出的假體產生不滿意以及降低醫療的難度，極大地提高了臉部假體的制作效果。設計師在處理患者的臉部假體原始模型時，患者、醫生可直接給予意見，且患者可親自操作FreeForm處理自己的臉部假體模型。FreeForm軟件操作簡單，通過搖擺畫筆即可進行設計。通過FreeForm便捷地設計假體外形，運用雕刻等功能對假體的相關部位進行光順處理（如圖5），假體外形的逆向工程模型如圖6所示。
圖5 雕刻鼻子
圖6 鼻子的逆向工程模型
1.3 快速成型制造
RP技術將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數字控制(CNC)、精密伺服驅動和新材料等先進技術集于一體，將復雜的三維分工分解成簡單的二維加工組合。具體加工過程為：首先在計算機上構建產品的三維模型，然后對其進行分層切片；接下來計算機根據模型各層輪廓的信息，控制材料在工作臺上一層一層地堆積；最后逐層疊加形成最終的三維產品。目前應用比較成熟的RP技術有熔融擠壓(FDM)、三維打印(TDP)、激光固化(SLA)、激光燒結(SLS)和激光切紙(LOM)等5種，本實驗通過FDM、TDP兩種方法制作快速成型樣件，并對制作的樣件及復模件進行精度分析。
1.3.1 FDM快速成型
本實驗使用上海富奇凡機電科技有限公司的HTS-300熔融擠壓臺式快速成型機進行FDM快速成型，精度為0.2mm。FDM快速成型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材加熱溶化的成型方法。FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出；材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結。FDM快速成型樣件如圖7。
1.3.2 TDP快速成型
本實驗使用美國3D Systems公司的設備Projet HD3000，精度為0.038mm。TDP快速成型采用Multi-jet Modeling(MJM)技術與光硬化樹脂建構模型。TDP快速成型樣件如圖8。
圖7 FDM快速成型樣件
圖8 TDP快速成型樣件
1.4 硅膠復模
FDM快速成型樣件需經過后處理才能進行硅膠模制作，以處理后的FDM快速成型件為樣本，制造硅膠模具，澆注樣件。TDP快速成型樣件進行簡單的拋光處理后即可進行硅膠模制作。本實驗采用上海福菲科技公司的VCM600真空注型機制作硅膠模（如圖9所示），并通過硅膠模澆注樣件，如圖10所示。
圖9 臉部假體硅膠模
圖10 鼻子澆注件
1.5 CAV分析
將快速成型件及硅膠復模件進行激光掃描，為實驗的精度分析提供數據，并形成臉部假體制作工藝的精度指標。本實驗采用GOM公司的軟件GOM Inspect進行掃描數據的CAV(Computer Aided Verification)分析，形成2D檢測及色彩圖報告，GOM Inspect操作界面如圖11所示。
圖11 GOM Inspect界面
2D檢測及色彩報告如圖12所示，圖中顯示的不同著色代表掃描件與原始數據的差值，藍色代表差值為-0.2以下，綠色代表差值在-0.2到0.2之間，黃色代表差值在0.2到0.5之間，紅色代表差值在0.5以上。色彩圖清晰的顯示了臉部假體制作的精度情況，為患者臉部假體的外形效果提供了有效的反饋，在技術方面為減少醫患矛盾提供了新的途徑。
圖12 鼻子CAV分析圖
2 結果與討論
由FDM與TDP快速成型件的CAV分析圖可知，TDP成型件及其復模件的制作精度較高，在CAV分析圖中基本以綠色顯示，誤差相當小。
由實驗研究可知，TDP比FDM成型時間短，但成本比FDM成型高，主要由成型技術及設備的差異決定。TDP成型一個鼻子假體大約需要20分鐘，而FDM為40分鐘；TDP成型一個鼻子假體成本大約為1550元人民幣，而FDM為1200元人民幣。這兩種成型方法的成本是患者可接受的，但如果患者需要精度較高的假體時，可采用TDP快速成型方法制作臉部假體。
由于臉部假體所用材料自身的局限性及臉部假體經常性暴露等因素，臉部假體的老化現象仍不可避免，患者需要在3年～5年后更換一次臉部假體。因此患者臉部假體治療結束后，醫院可以保存患者修復后的數據，并建成數據庫；患者再次更換假體時，可直接調用數據庫里的個人數據，進行個性化處理后直接制作臉部假體，極大地節省了時間、人力及費用。
3 結語
針對耳朵或鼻子等臉部假體修復中存在的問題，本文通過ATOS便攜式三維掃描儀獲取患者臉部數據，應用FreeForm軟件修復及個性化設計患者的臉部模型，并通過快速成型設備制作出臉部假體樣件，最后通過CAV軟件進行精度分析。實驗結果表明，通過以上工藝流程，可經濟快捷地制作出精度可靠的個性化臉部假體，為醫學治療中的臉部假體制作提供一種新的工藝方案。
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