李元斌

（華中科技大學生命科學與技術學院，武漢430074）

0 引 言

近年來，3D打印技術飛速發(fā)展，在多個領域中都得到了應用［1］，同樣，3D打印技術在生物醫(yī)學工程領域也得到了巨大的發(fā)展，主要應用于以下幾個方面。①顱骨修復手術，這是3D打印技術在生物醫(yī)學工程領域最典型的應用之一。以往的顱骨修復手術采用統(tǒng)一的標準和一些固定的模式來制作完成，或者通過對患者受傷部位拍下的CT照片來進行手工制作，這種制作方法制作的修補件精度很低，很難實現(xiàn)與受傷部位的精準匹配，并且制作時間長，容易耽誤手術時間［2］。然而，3D打印技術可以很好地解決這一問題，利用來自核磁共振成像（MRI）或者計算機斷層成像（CT）等醫(yī)學圖像的數(shù)據(jù)，將其轉換成三維實體模型，3D打印技術可以實現(xiàn)精確打印病人需要的部位，實現(xiàn)完美的匹配。②器官打印，3D打印技術可以通過使用樹脂為材料打印出半透明的人體器官模型，可以用以醫(yī)療或者教育機構，幫助外科醫(yī)生和學生了解器官內部結構。目前也有研究人員使用計算機控制將生物相容性細胞、支架材料、生長因子、信號分子按照特定方式進行逐層打印，從而組合成為具有生理活性的人工器官［3］。③胎兒塑像診療，目前已有醫(yī)院可以通過對孕婦子宮內的胎兒進行超聲波探測，從反饋得到的數(shù)據(jù)構建出胎兒的三維模型并進行3D打印，這項技術可以幫助醫(yī)生判斷胎兒的先天性缺陷［4］。

總之，3D打印技術是一項對傳統(tǒng)制造業(yè)沖擊巨大的新興制造技術，具有開創(chuàng)性的意義，也對醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展產生了巨大的推動作用?？梢源竽懻雇?，未來實現(xiàn)克隆技術與3D打印技術的結合，解決3D打印器官移植的排異問題，從而緩解目前對器官移植供體的急迫需求。另外，隨著打印精度的不斷提高和材料性能的優(yōu)良改進，3D打印技術將更多地開始制作個性化的醫(yī)療產品，滿足越來越多患者的需求［5］。

1 系統(tǒng)組成

本文選用兩臺不同的3D打印機，分別是浙江閃鑄公司的Finder單色打印機和Dreamer雙色打印機。兩臺打印機各有自己的優(yōu)缺點，都采用熔融沉積技術進行打印，基本構造包括機體框架、控制電路、噴頭、進絲機構、打印平臺、步進電動機等。在材料上，選擇使用聚乳酸（PLA）進行打印工作。另外，打印結束后可能需要熱熔膠槍將產品粘結一起。由于打印機采用逐層打印的方法，所以操作切片軟件是進行打印工作的重要內容。FlashPrint是Finder和Dreamer兩臺打印機配套的一款切片軟件，在電腦端應用，與配套打印機相連，適合各種建模設計完成的STL文件切片。在切片軟件FlashPrint主界面左側的工具欄包含了6個子項目，分別是視角、移動、旋轉、縮放、切割、噴頭。在主界面上方的工具欄有載入、支撐、打印3個子項目（見圖1）。

在打印一些具有復雜結構模型時，會存在無論怎樣旋轉調整模型方位，仍然不可避免地存在懸空位置的情況，就需要添加支撐來保證打印工作的順利進行，如圖2所示。在支撐與模型的接觸位置呈圓錐狀，尖部與打印平臺相連，這樣是為了打印完成之后更容易拆除支撐。

圖2 模型自動添加支撐

Dreamer雙色打印機是一款高精度雙噴頭3D打印機，同樣采用熔融沉積技術，這款打印機可以實現(xiàn)雙色打印，并且打印平臺可以加熱，可以使用ABS材料打印。

2 建模設計

AutoCAD是美國歐特克公司開發(fā)的一款功能強大的三維建模軟件，具有高速的數(shù)據(jù)和圖形的處理能力以及良好的文字處理能力?？梢噪S意測量標注尺寸，具有實體造型，曲面造型，幾何造型等功能。可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享，數(shù)據(jù)直接應用到3D打印機進行打印［6］。

3Dmax是加拿大Discreet公司開發(fā)的一款用于三維建模的軟件，具有性價比高，簡單易學等優(yōu)點，在廣告、三維動畫設計、多媒體制作等方面有較為廣泛的應用。

MAYA同樣是美國歐特克公司推出的一款新型建模軟件，在三維動畫的制作方面功能更強大［7］，該軟件相對AutoCAD更簡單易學，更適合初學者操作使用，可以大大提高工作效率。本文所用的建模方法主要是多邊形建模法，這也是目前用途最廣的建模方法。多邊形是從一個最簡單的幾何體開始，經過頂點、面的不斷修改，再加上移動、縮放和旋轉等操作，將幾何體不斷地修改成我們想要的模型，整個操作軟件的過程簡單重復，需要具有相當?shù)哪托模瑫r，也要求具備良好的空間想象能力和位置感，對于模型每一個小細節(jié)的處理都需要細致和耐心。

通過上面建模設計成的三維模型，可以直接導出為3D打印機切片軟件可以識別的STL文件，從而進行3D打印工作。

3 雙色打印方法

在解剖與生理學上講解心臟結構知識時，通常將流著動脈血的血管（如主動脈）表示為紅色，將流著靜脈血的血管（如肺動脈）表示為藍色。本課題使用的Dreamer雙色打印機，也選用了紅色和藍色的PLA材料做打印材料，通過雙色打印的功能，將心臟模型的主動脈使用紅色耗材，從而直接打印成紅色。

在進行雙色打印時，打印機左右兩臺噴頭均需要處于工作狀態(tài)，加熱到220℃，保證耗材可以流暢擠出。如果存在模型的某一層切片有兩種顏色的情況，就需要兩臺噴頭來回轉換工作和噴頭處于待命狀態(tài)來完成打印，但是，處于待命狀態(tài)的噴頭同樣處在工作狀態(tài)下的高溫中，難以避免會有熔融狀的材料從噴頭緩慢擠出殘留在噴頭孔位置。當待命狀態(tài)的噴頭轉換為工作狀態(tài)移動到模型的位置進行打印時，之前殘留在噴頭孔處的材料會粘在產品的外表面，逐漸累積粘在產品表面的雜質會越來越多，嚴重影響產品的美觀。實際操作中，碰到這種情況可以通過對模型添加“圍墻”的方法，盡可能地擋住待命狀態(tài)噴頭上的殘余漏料。所謂“圍墻”，就是在打印機打印產品的同時，在產品四周添加并打印出一個圓柱狀外殼，這種圓柱狀外殼可以在左右噴頭同時工作進行雙色打印時，擋住待機噴頭大部分的漏料，盡可能保證產品表面不會粘到漏料，有效起到了保護產品美觀的作用。

由于課題所使用的“心臟模型.stl”文件是一個完整的模型，在切片軟件中，無法直接通過“噴頭”選項，選擇模型的某一部分來使用不同的顏色的材料，在此之前還要使用切片軟件內的切割功能，對模型需要區(qū)分顏色的部位進行切割分離的操作。

在切片軟件的切割選項內，可以選擇直接沿著X、Y或Z平面直接切割（見圖3），也可以按照手繪方向切割模型（見圖4）。但是切片軟件內的切割功能，只能把模型沿著直線切割，不太方便處理結構較為復雜的三維模型，在實際操作中可以選擇使用一些更專業(yè)的stl文件編輯軟件（例如Magics），對模型進行切割或者其他的修改工作。

圖3 Z平面切割

圖4 手繪切割方案

通過切割操作，將心臟模型上的主動脈部位分離出來之后，再與剩余部位拼接在一起，此時在切片軟件中，心臟模型的外觀與之前看起來并無差別，但是實際上原來的心臟模型已經變成了兩個被切割出來的新模型的組合體，這時就可以通過噴頭選項，設置兩個部位用不同的噴頭打印，從而區(qū)分顏色（見圖5、6）。

圖5 分離主動脈

圖6 雙色心臟模型

4 結果與分析

本課題主要是研究3D打印機在生物醫(yī)學工程領域的應用，所以打印產品主要包括顱骨、心臟、人體骨架等醫(yī)療模型。

4.1 顱骨打印

本課題共進行3次顱骨打印，使用Finder單色打印機以及FlashPrint切片軟件。將模型導入切片軟件進行切片工作，打印機經過預熱后即開始打印工作。

3次打印采用了不同的模型打印以便比較分析。圖8中，圖8（a）根據(jù)3D打印交流網(wǎng)站上標準顱骨模型stl文件打印，可以看出打印效果較好，顱骨外形以及各個部位棱角分明，包括面顎骨的部分，而且顱骨頂部的頂骨額骨部分打印效果非常光滑。圖8（b）是以解剖實驗室里真實人體骨架中的顱骨（無面顎骨）為模版建模設計的，通過使用Autodesk 123D catch軟件進行建模工作，先對真實顱骨進行全方位的拍照，環(huán)繞一周拍攝約30～40張照片，然后將拍攝的照片導入123D catch軟件，由軟件自動對照片進行分析并構建模型。從打印成果來看，通過照片建模得到的產品明顯不如標準顱骨模型，且頂骨額骨處有突起的部分。圖8（c）由三維建模軟件Autodesk MAYA直接建模設計得到，通過對軟件內的基本立體幾何元素進行拉伸，修剪，擠出等操作一步步繪制完成，從產品來看，建模工作明顯做的不夠好，與標準顱骨模型相比，產品整體只有一個大概的顱骨外形，而且頂骨額骨部位不太光滑。

圖7 顱骨模型的打印

4.2 脊柱打印

由于脊柱模型整體結構呈一定角度的彎曲，而且有很多突出的部分，直立打印需要添加比較復雜的支撐結構，所以選擇讓脊柱模型“躺”在打印平臺之上，打印產品如圖8、9所示。

圖8 單色脊柱

圖9 雙色脊柱

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雙色脊柱打印效果較好，將各個部位通過黏結后，除了顏色外，和單色脊柱基本一致，由于是各個顏色分開打印，不會出現(xiàn)產品表面粘上漏料的情況。

4.3 心臟打印

本課題同樣共進行了3次心臟模型的打印，前兩次使用Finder單色打印機，第3次使用Dreamer雙色打印機雙色打印，打印產品如圖10所示。

圖10 心臟模型的打印

心臟打印的操作過程同顱骨打印類似，左邊產品是由3D打印模型網(wǎng)站上的標準心臟模型打印得到，可以看出心臟結構較為完整，具有心耳結構，心臟上部血管較為圓滑且連接較為緊密，心房、心室表面可以看出細微的血管結構［8-12］。中間產品是通過MAYA建模軟件繪制得到，相較于標準心臟模型，心臟整體外觀較為簡單，有主動脈、肺動脈等血管結構，心臟表面沒有細微血管。右邊產品和第2個產品使用同一個心臟模型，為了能夠通過顏色，區(qū)分動靜、脈血管，先通過切片軟件將模型的主動脈部分切割下來，然后使用雙色打印機通過添加圍墻的方式直接打印，完成了心臟模型的雙色打印功能。

4.4 人體骨架打印

圖11是一個通過Finder單色打印機打印得到的完整人體骨架，由于打印機最大打印尺寸的限制，該骨架是通過對骨架各部分分別打印之后粘結得到的。從產品效果來看，整體效果良好，并且顱骨、軀干骨、四肢骨之間粘結緊密，各個部位的骨骼都能在模型中觀察得到。在骨骼粘結過程中，發(fā)現(xiàn)個別部位無法緊密接觸，使用膠水很難完成固定，而使用熱熔膠槍擠出的流體狀態(tài)的膠體，則可以使骨骼之間的空隙充分填充，看上去更美觀自然，效果很好。打印的模型包括人體顱骨、脊柱、胸骨、骨盆、上肢骨和下肢骨，包含了人體所有骨骼。在打印前，已經對各部分模型的大小比例有所調整和設計，在分別打印完人體各部分的骨骼模型之后，去除掉打印過程中添加的支撐結構，再用熱熔槍將各個部分的骨骼拼接起來，便得到了一副完整的人體醫(yī)學骨架模型，如圖12所示，此模型較為精美細致，可用于醫(yī)學解剖教學或是人體展示使用。

圖11 打印拼接完成的人體骨架模型

5 結 語

通過使用3D打印機打印制作出多種醫(yī)學醫(yī)療模型，使用Finder單色打印機和Dreamer雙色打印機進行了顱骨，心臟，脊椎，人體骨架等醫(yī)療模型的打印工作。從打印的產品來看，單色產品的效果大多較為理想，能夠較好地展示出三維模型的各個細節(jié)，例如標準顱骨、標準心臟等。進行脊柱雙色打印時，采用了分部分打印，進行粘結的辦法，包括完整人體骨架的打印，最后整體效果較為理想。可以看出，Dreamer雙色打印機雖然具有兩個噴頭，兩種顏色的材料，但是在同時工作直接進行雙色打印時，打印出的產品并不如分別打印效果好，所以操作時可以把一臺雙色打印機看作是兩臺單色打印機來使用，并且3D打印機的軟件操作很方便。

隨著科學技術的發(fā)展，三維建模操作會越來越簡單、快捷，3D打印機的性能也會得到改善提高，制作的模型更加完美，促進3D打印在生物醫(yī)學方面更好的應用和發(fā)展。