快速成型(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。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。
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。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。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
1.1 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700mm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。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。
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机模型。由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，激光扫描数据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，因此需要对扫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较为复杂，FreeForm的触感式操作更好，可通过触觉编辑点云，因而选用FreeForm软件对点云数据进行编辑处理更为合适，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、设计师以及医生共同探讨、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为了设计出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生不满意以及降低医疗的难度，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模型时，患者、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。FreeForm软件操作简单，通过摇摆画笔即可进行设计。通过FreeForm便捷地设计假体外形，运用雕刻等功能对假体的相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。
图5 雕刻鼻子
图6 鼻子的逆向工程模型
1.3 快速成型制造
RP技术将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，将复杂的三维分工分解成简单的二维加工组合。具体加工过程为：首先在计算机上构建产品的三维模型，然后对其进行分层切片；接下来计算机根据模型各层轮廓的信息，控制材料在工作台上一层一层地堆积；最后逐层叠加形成最终的三维产品。目前应用比较成熟的RP技术有熔融挤压(FDM)、三维打印(TDP)、激光固化(SLA)、激光烧结(SLS)和激光切纸(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。
1.3.1 FDM快速成型
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0.2mm。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0.038mm。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
1.4 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。
图9 脸部假体硅胶模
图10 鼻子浇注件
1.5 CAV分析
将快速成型件及硅胶复模件进行激光扫描，为实验的精度分析提供数据，并形成脸部假体制作工艺的精度指标。本实验采用GOM公司的软件GOM Inspect进行扫描数据的CAV(Computer Aided Verification)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，蓝色代表差值为-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，红色代表差值在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供了有效的反馈，在技术方面为减少医患矛盾提供了新的途径。
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高，在CAV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，主要由成型技术及设备的差异决定。TDP成型一个鼻子假体大约需要20分钟，而FDM为40分钟；TDP成型一个鼻子假体成本大约为1550元人民币，而FDM为1200元人民币。这两种成型方法的成本是患者可接受的，但如果患者需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，脸部假体的老化现象仍不可避免，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，医院可以保存患者修复后的数据，并建成数据库；患者再次更换假体时，可直接调用数据库里的个人数据，进行个性化处理后直接制作脸部假体，极大地节省了时间、人力及费用。
3 结语
针对耳朵或鼻子等脸部假体修复中存在的问题，本文通过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，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。
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