一種頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及頜面整形醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種基于錐體束CT(CBCT)的頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造方法。其特征包括以下步驟：對(duì)患者頜面部進(jìn)行CBCT掃描，獲取DICOM數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件-MIMICS(Materialise，比利時(shí))重建頜骨三維模型、進(jìn)行個(gè)性化修復(fù)體的設(shè)計(jì)、按照擬采用的固位螺釘尺寸設(shè)計(jì)數(shù)顆虛擬螺釘模型，再移動(dòng)到頜骨適當(dāng)位置以模擬螺釘固位修復(fù)體的情況、得出模型范氏應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D、通過(guò)快速成型技術(shù)制作各種材料的實(shí)體等。本發(fā)明中的修復(fù)體在斷裂強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變分布和使用壽命等生物力學(xué)性能上表現(xiàn)良好，至今接受植入手術(shù)的上下頜骨缺損患者，觀察約2年，未有斷裂、暴露等不良并發(fā)癥的發(fā)生。
【專利說(shuō)明】一種頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)及頜面整形醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種基于錐體束CT(CBCT)的頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]大面積頜骨缺損多由于嚴(yán)重外傷、感染或腫瘤切除等原因引起，輕者導(dǎo)致患者面部畸形，重者喪失咀嚼、語(yǔ)言和吞咽等生理功能，極大地影響著患者的口頜系統(tǒng)功能、自然容貌和心理健康。頜骨缺損傳統(tǒng)的修復(fù)方法有自體游離/帶蒂骨移植、同種異體骨移植、非血管化骨移植、血管化骨移植及牽張成骨等方法，這些方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和臨床適應(yīng)癥，都需要借助術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)，術(shù)后效果難以保證，美觀和功能的恢復(fù)較差。
[0004]上頜骨是維持面中部外形和行使口腔功能的重要骨骼結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜而特殊的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能，鄰近有口腔、鼻腔、眼眶等重要結(jié)構(gòu)。上頜骨缺損對(duì)患者面容及功能的影響舉足輕重，往往導(dǎo)致面部畸形及口腔功能喪失，給患者的生理和心理帶來(lái)嚴(yán)重打擊，影響患者的生存質(zhì)量。隨著種植技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了磁性附著種植體、桿卡嵌合式種植體和插人性種植體等特殊種植體，使贗復(fù)體的穩(wěn)定性、舒適度和美觀效果獲得了很大提高。對(duì)于身體健康情況不穩(wěn)定的老年人、預(yù)后較差的患者或不愿接受自體組織移植所造成創(chuàng)傷的病人，贗復(fù)體修復(fù)均可作為一種能夠令人接受的方法。骨移植在頜骨缺損修復(fù)方面一直發(fā)揮著重要作用，技術(shù)成熟。特別是自體骨移植，在臨床已經(jīng)取得了很好的治療效果。但是，由于是取自體骨，必然對(duì)患者產(chǎn)生額外的創(chuàng)傷，而且自體骨的骨量有限，無(wú)法滿足大面積頜骨缺損的修復(fù)。異體骨和異種骨移植的解決了自體骨骨量不足的問(wèn)題。這種方法對(duì)患者沒(méi)有額外創(chuàng)傷，但是不可避免會(huì)有免疫排斥。目前，以鈦和鈦合金為代表的金屬材料、合成塑料和生物活性陶瓷類等人工材料被應(yīng)用于頜骨修復(fù)，這些人工材料力學(xué)性能好，而且可塑性靈活，能更好的恢復(fù)頜骨缺損的形態(tài)和功能。
[0005]頜骨缺損畸形的個(gè)性化設(shè)計(jì)的鈦合金修復(fù)體已經(jīng)在頜面外科臨床中廣泛應(yīng)用，它避免了傳統(tǒng)方法的開辟第二術(shù)區(qū)、移植骨量不足及長(zhǎng)期骨吸收等問(wèn)題，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但它仍然存在修復(fù)體使用壽命短、恢復(fù)功能差及異物感明顯等缺點(diǎn)，特別是在涉及咬合功能的上、下頜骨缺損的病例中，設(shè)計(jì)不佳的修復(fù)體可能會(huì)短期內(nèi)斷裂或外露，導(dǎo)致修復(fù)治療的失敗。在常規(guī)設(shè)計(jì)中僅僅依靠專科醫(yī)生和工程人員的臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成外形設(shè)計(jì)，沒(méi)有客觀的、定量的評(píng)價(jià)手段，最終臨床效果不甚理想。所以，設(shè)計(jì)制作生物力學(xué)性能良好的頜面修復(fù)體是頜面外科醫(yī)學(xué)急需解決的問(wèn)題。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)分析個(gè)性化設(shè)計(jì)的頜骨缺損修復(fù)體在生理功能狀態(tài)下的力學(xué)特性，提供一種便捷、高效的個(gè)性化修復(fù)體的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造方法。[0008]解決以上技術(shù)問(wèn)題的本發(fā)明中的一種針對(duì)頜骨缺損修復(fù)體制備方法，其特征包括以下步驟:
(I)對(duì)患者頜面部進(jìn)行CBCT掃描，獲取DICOM數(shù)據(jù):
由于口腔頜面部解剖關(guān)系復(fù)雜，很難通過(guò)平面圖形來(lái)確定頜骨病灶部位和范圍，利用數(shù)字化模型外科技術(shù)可以給醫(yī)生提供一個(gè)立體的模型，可以直觀地對(duì)頜骨疾病進(jìn)行診斷和制定手術(shù)方案，從而避免損傷重要解剖結(jié)構(gòu)。
[0009](2)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件-MMICS (Materialise,比利時(shí))重建頜骨三維模型；根據(jù)患者特點(diǎn)進(jìn)行虛擬手術(shù)設(shè)計(jì):對(duì)殘端移位明顯的骨斷模擬復(fù)位，對(duì)感染或腫瘤骨斷進(jìn)行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保持為STL格式文件。
[0010](3)將STL格式文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic，依據(jù)對(duì)側(cè)正常結(jié)構(gòu)或一般人解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化修復(fù)體的設(shè)計(jì):按照點(diǎn)、線的原則，先設(shè)計(jì)數(shù)條表達(dá)主要外形特征的曲線，再曲線封裝連接得到修復(fù)體模型。
[0011]CAD中三維制圖的基本流程是點(diǎn)-線-面，而人體結(jié)構(gòu)組織多由不規(guī)則的曲面構(gòu)成，骨骼個(gè)性化修復(fù)體也是如此，而且最好由平滑曲面構(gòu)成以減少應(yīng)力集中區(qū)域。因此只要確定了頜骨修復(fù)體的幾條關(guān)鍵外形線，就可以簡(jiǎn)便快捷的得到整個(gè)修復(fù)體實(shí)體模型。最終模型要求恢復(fù)頜骨組織的連續(xù)性和外形輪廓。
[0012](4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設(shè)計(jì)數(shù)顆虛擬螺釘模型，再移動(dòng)到頜骨適當(dāng)位置以模擬螺釘固位修復(fù)體 的情況。完成重建方案后，分別將頜骨、修復(fù)體和螺釘模型轉(zhuǎn)化為NURBS模型(非均勻有理B樣條曲線,Non-Uniform Rational B-Spline),再分別保存為IGES(Initial Graphics Exchange Specification)文件，總共得到三個(gè)備用文件。
[0013]螺釘設(shè)計(jì)和定位是完成有限元分析模型的必需步驟，因?yàn)槁葆攲?duì)整個(gè)修復(fù)體的生物力學(xué)表現(xiàn)至關(guān)重要，需要在3D軟件中模擬實(shí)際手術(shù)中的螺釘情況，包括外形和位置。螺釘?shù)耐庑问氢佒亟葆敚叽鐬?.5 X 9mm。
[0014](5)將步驟(4)中三個(gè)文件分別導(dǎo)入ANSYS Workbench，首先在三個(gè)模型之間分別作布爾減運(yùn)算，去除模型之間相交部分并自動(dòng)產(chǎn)生接觸區(qū)域，再使用網(wǎng)格控制工具劃分體網(wǎng)格，參考相關(guān)文獻(xiàn)和患者實(shí)際咬合情況進(jìn)行三維有限元模型邊界條件的設(shè)定，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算得出模型范氏應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。
[0015]這三部分是頜骨重建后的主要結(jié)構(gòu)，具有各自的外形特征和材料屬性，而它們之間的聯(lián)接關(guān)系是生物力學(xué)分析結(jié)果的重要影響因素之一。
[0016](6)通過(guò)快速成型技術(shù)制作各種材料的實(shí)體。
[0017]本發(fā)明中進(jìn)一步優(yōu)化方案為根據(jù)有限元分析結(jié)果重復(fù)(4)，(5)步驟，修改修復(fù)體外形，直到到達(dá)以下要求:整個(gè)模型應(yīng)力分布均勻，無(wú)應(yīng)力集中區(qū)域；特定部位應(yīng)力最大值低于其屈服強(qiáng)度。
[0018]所述步驟(6)中所用材料為鈦合金、樹脂、橡膠等。
[0019]幾何結(jié)構(gòu)的精確對(duì)于模型的有效性非常重要。在此模型上用鈦金屬提前“定做”缺損修復(fù)體。本發(fā)明中的修復(fù)體形態(tài)遵循了原骨骼解剖特征，保持了修復(fù)頜骨的功能，具有個(gè)性化、定制化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)手術(shù)創(chuàng)傷小。
[0020]本發(fā)明中的修復(fù)體在斷裂強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變分布和使用壽命等生物力學(xué)性能上表現(xiàn)良好，至今接受植入手術(shù)的上下頜骨缺損患者，觀察約2年，未有斷裂、暴露等不良并發(fā)癥的發(fā)生。
[0021]說(shuō)明書附圖
圖1為本發(fā)明中的工藝流程圖
【具體實(shí)施方式】
本發(fā)明中針對(duì)頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體制備方法，其特征包括以下步驟:
(1)對(duì)患者頜面部進(jìn)行CBCT掃描，獲取DICOM數(shù)據(jù):
由于口腔頜面部解剖關(guān)系復(fù)雜，很難通過(guò)平面圖形來(lái)確定頜骨病灶部位和范圍，利用數(shù)字化模型外科技術(shù)可以給醫(yī)生提供一個(gè)立體的模型，可以直觀地對(duì)頜骨疾病進(jìn)行診斷和制定手術(shù)方案，從而避免損傷重要解剖結(jié)構(gòu)。
[0022](2)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件-MMCS (Materialise，比利時(shí))重建頜骨三維模型；根據(jù)患者特點(diǎn)進(jìn)行虛擬手術(shù)設(shè)計(jì):對(duì)殘端移位明顯的骨斷模擬復(fù)位，對(duì)感染或腫瘤骨斷進(jìn)行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保持為STL格式文件。
[0023](3)將STL格式文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic，依據(jù)對(duì)側(cè)正常結(jié)構(gòu)或一般人解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化修復(fù)體的設(shè)計(jì):按照點(diǎn)、線的原則，先設(shè)計(jì)數(shù)條表達(dá)主要外形特征的曲線，再曲線封裝連接得到修復(fù)體模型。 [0024]CAD中三維制圖的基本流程是點(diǎn)-線-面，而人體結(jié)構(gòu)組織多由不規(guī)則的曲面構(gòu)成，骨骼個(gè)性化修復(fù)體也是如此，而且最好由平滑曲面構(gòu)成以減少應(yīng)力集中區(qū)域。因此只要確定了頜骨修復(fù)體的數(shù)條關(guān)鍵外形線，就可以簡(jiǎn)便快捷的得到整個(gè)修復(fù)體實(shí)體模型。最終模型達(dá)到恢復(fù)頜骨的組織連續(xù)性和外形輪廓，在正常生理功能狀態(tài)下能較好的分散咬合載荷而無(wú)應(yīng)力集中區(qū)域，具有良好的生物力學(xué)特性，在患者體內(nèi)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的發(fā)揮骨替代物作用。
[0025](4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設(shè)計(jì)數(shù)顆虛擬螺釘模型，再移動(dòng)到頜骨適當(dāng)位置以模擬螺釘固位修復(fù)體的情況。完成重建方案后，分別將頜骨、修復(fù)體和螺釘模型轉(zhuǎn)化為NURBS模型(非均勻有理B樣條曲線,Non-Uniform Rational B-Spline),再分別保存為IGES(Initial Graphics Exchange Specification)文件，總共得到三個(gè)備用文件。
[0026]螺釘設(shè)計(jì)和定位是完成有限元分析模型的必需步驟，因?yàn)槁葆攲?duì)整個(gè)修復(fù)體的生物力學(xué)表現(xiàn)至關(guān)重要，需要在3D軟件中模擬實(shí)際手術(shù)中的螺釘情況，包括外形和定位。螺釘?shù)耐庑问且罁?jù)臨床最常應(yīng)用的鈦重建螺釘尺寸設(shè)計(jì)的，為2.5X9mm。
[0027](5)將步驟(4)中三個(gè)文件分別導(dǎo)入ANSYS Workbench，首先在三個(gè)模型之間分別作布爾減運(yùn)算，去除模型之間相交部分并自動(dòng)產(chǎn)生接觸區(qū)域，再使用網(wǎng)格控制工具劃分體網(wǎng)格，進(jìn)行三維有限元模型邊界條件的設(shè)定，得出模型范氏應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。采用布爾減運(yùn)算可去除模型之間相交部分并自動(dòng)產(chǎn)生接觸區(qū)域。
[0028]這三部分是頜骨重建后的主要結(jié)構(gòu)，具有各自的外形、材料特性，而它們之間的聯(lián)接關(guān)系是生物力學(xué)分析結(jié)果的重要影響因素之一。
[0029]模型的網(wǎng)格劃分關(guān)系到有限元分析結(jié)果的最終精度，十分重要。網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算效率成反比，而與計(jì)算精度成正比，理論上是網(wǎng)格越多越好。但是網(wǎng)格越多計(jì)算效率越低，費(fèi)時(shí)長(zhǎng)。不規(guī)則模型最好選用四面體網(wǎng)格。
[0030]表1不同網(wǎng)格數(shù)量和相應(yīng)的精度
【權(quán)利要求】
1.一種頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)對(duì)患者頜面部進(jìn)行CBCT掃描，獲取DICOM數(shù)據(jù): (2)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件-MMICS，重建頜骨三維模型，對(duì)殘端移位明顯的骨斷模擬復(fù)位，對(duì)感染或腫瘤骨斷進(jìn)行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保存為STL格式文件； (3)將STL格式文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic，按照點(diǎn)、線的原則，先設(shè)計(jì)數(shù)條表達(dá)主要外形特征的曲線，再封裝連接得到修復(fù)體模型； (4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設(shè)計(jì)數(shù)顆虛擬螺釘，再移動(dòng)到頜骨適當(dāng)位置以模擬螺釘固位修復(fù)體的情況；完成重建方案后，分別將頜骨、修復(fù)體和螺釘模型轉(zhuǎn)化為NURBS模型，再分別保存為IGES文件，總共得到三個(gè)備用文件； (5)將步驟(4)中三個(gè)文件分別導(dǎo)入ANSYSWorkbench,首先在三個(gè)模型之間分別作布爾減運(yùn)算，去除模型之間相交部分并自動(dòng)產(chǎn)生接觸區(qū)域，再使用網(wǎng)格控制工具劃分體網(wǎng)格，根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行三維有限元模型邊界條件的設(shè)定，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算得出范氏應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D； (6)通過(guò)快速成型技術(shù)制作各種材料的實(shí)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的制造方法，其特征在于:重復(fù)(3)，(4)，(5)步驟，修改修復(fù)體外形，直到到達(dá)以下要求:整個(gè)模型應(yīng)力分布均勻，無(wú)應(yīng)力集中區(qū)域，特定部位應(yīng)力最大值低于其屈服強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種頜骨缺損個(gè)性化修復(fù)體的制造方法，其特征在于:所述步驟(6)中所用材料為 鈦合金。
【文檔編號(hào)】A61B6/03GK103919631SQ201410171863
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】李鵬, 湯煒, 田衛(wèi)東, 章毅, 劉磊, 龍潔 申請(qǐng)人:四川大學(xué)