CN103919631B - 一种颌骨缺损个性化修复体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机辅助技术及颌面整形医疗器械领域，尤其涉及一种基于锥体束CT(CBCT)的颌骨缺损个性化修复体的优化设计与制造方法。其特征包括以下步骤：对患者颌面部进行CBCT扫描，获取DICOM数据、将数据导入三维建模软件-MIMICS(Materialise，比利时)重建颌骨三维模型、进行个性化修复体的设计、按照拟采用的固位螺钉尺寸设计数颗虚拟螺钉模型，再移动到颌骨适当位置以模拟螺钉固位修复体的情况、得出模型范氏应力和应变云图、通过快速成型技术制作各种材料的实体等。本发明中的修复体在断裂强度、应力-应变分布和使用寿命等生物力学性能上表现良好，至今接受植入手术的上下颌骨缺损患者，观察约2年，未有断裂、暴露等不良并发症的发生。

Description

一种颌骨缺损个性化修复体的制备方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助技术及颌面整形医疗器械领域，尤其涉及一种基于锥体束CT(CBCT)的颌骨缺损个性化修复体的优化设计与制造方法。

背景技术

大面积颌骨缺损多由于严重外伤、感染或肿瘤切除等原因引起，轻者导致患者面部畸形，重者丧失咀嚼、语言和吞咽等生理功能，极大地影响着患者的口颌系统功能、自然容貌和心理健康。颌骨缺损传统的修复方法有自体游离/带蒂骨移植、同种异体骨移植、非血管化骨移植、血管化骨移植及牵张成骨等方法，这些方法有其各自的优缺点和临床适应症，都需要借助术者的经验，术后效果难以保证，美观和功能的恢复较差。

上颌骨是维持面中部外形和行使口腔功能的重要骨骼结构，具有复杂而特殊的解剖结构和生理功能，邻近有口腔、鼻腔、眼眶等重要结构。上颌骨缺损对患者面容及功能的影响举足轻重，往往导致面部畸形及口腔功能丧失，给患者的生理和心理带来严重打击，影响患者的生存质量。随着种植技术的发展，出现了磁性附着种植体、杆卡嵌合式种植体和插人性种植体等特殊种植体，使赝复体的稳定性、舒适度和美观效果获得了很大提高。对于身体健康情况不稳定的老年人、预后较差的患者或不愿接受自体组织移植所造成创伤的病人，赝复体修复均可作为一种能够令人接受的方法。骨移植在颌骨缺损修复方面一直发挥着重要作用，技术成熟。特别是自体骨移植，在临床已经取得了很好的治疗效果。但是，由于是取自体骨，必然对患者产生额外的创伤，而且自体骨的骨量有限，无法满足大面积颌骨缺损的修复。异体骨和异种骨移植的解决了自体骨骨量不足的问题。这种方法对患者没有额外创伤，但是不可避免会有免疫排斥。目前，以钛和钛合金为代表的金属材料、合成塑料和生物活性陶瓷类等人工材料被应用于颌骨修复，这些人工材料力学性能好，而且可塑性灵活，能更好的恢复颌骨缺损的形态和功能。

颌骨缺损畸形的个性化设计的钛合金修复体已经在颌面外科临床中广泛应用，它避免了传统方法的开辟第二术区、移植骨量不足及长期骨吸收等问题，具有独特的优势。但它仍然存在修复体使用寿命短、恢复功能差及异物感明显等缺点，特别是在涉及咬合功能的上、下颌骨缺损的病例中，设计不佳的修复体可能会短期内断裂或外露，导致修复治疗的失败。在常规设计中仅仅依靠专科医生和工程人员的临床经验来完成外形设计，没有客观的、定量的评价手段，最终临床效果不甚理想。所以，设计制作生物力学性能良好的颌面修复体是颌面外科医学急需解决的问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明通过分析个性化设计的颌骨缺损修复体在生理功能状态下的力学特性，提供一种便捷、高效的个性化修复体的优化设计与制造方法。

解决以上技术问题的本发明中的一种针对颌骨缺损修复体制备方法，其特征包括以下步骤：

（1）对患者颌面部进行CBCT扫描，获取DICOM数据：

由于口腔颌面部解剖关系复杂，很难通过平面图形来确定颌骨病灶部位和范围，利用数字化模型外科技术可以给医生提供一个立体的模型，可以直观地对颌骨疾病进行诊断和制定手术方案，从而避免损伤重要解剖结构。

（2）将数据导入三维建模软件-MIMICS(Materialise，比利时)重建颌骨三维模型；根据患者特点进行虚拟手术设计：对残端移位明显的骨断模拟复位，对感染或肿瘤骨断进行模拟截骨，得到缺损颌骨部位的三维模型，并保持为STL格式文件。

（3）将STL格式文件导入逆向工程软件Geomagic，依据对侧正常结构或一般人解剖结构进行个性化修复体的设计：按照点、线的原则，先设计数条表达主要外形特征的曲线，再曲线封装连接得到修复体模型。

CAD中三维制图的基本流程是点-线-面，而人体结构组织多由不规则的曲面构成，骨骼个性化修复体也是如此，而且最好由平滑曲面构成以减少应力集中区域。因此只要确定了颌骨修复体的几条关键外形线，就可以简便快捷的得到整个修复体实体模型。最终模型要求恢复颌骨组织的连续性和外形轮廓。

（4）按照拟采用的固位螺钉尺寸设计数颗虚拟螺钉模型，再移动到颌骨适当位置以模拟螺钉固位修复体的情况。完成重建方案后，分别将颌骨、修复体和螺钉模型转化为NURBS模型（非均匀有理B样条曲线，Non-UniformRationalB-Spline)，再分别保存为IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)文件，总共得到三个备用文件。

螺钉设计和定位是完成有限元分析模型的必需步骤，因为螺钉对整个修复体的生物力学表现至关重要，需要在3D软件中模拟实际手术中的螺钉情况，包括外形和位置。螺钉的外形是钛重建螺钉，尺寸为2.5×9mm。

（5）将步骤（4）中三个文件分别导入ANSYSWorkbench，首先在三个模型之间分别作布尔减运算，去除模型之间相交部分并自动产生接触区域，再使用网格控制工具划分体网格，参考相关文献和患者实际咬合情况进行三维有限元模型边界条件的设定，计算机自动计算得出模型范氏应力和应变云图。

这三部分是颌骨重建后的主要结构，具有各自的外形特征和材料属性，而它们之间的联接关系是生物力学分析结果的重要影响因素之一。

（6）通过快速成型技术制作各种材料的实体。

本发明中进一步优化方案为根据有限元分析结果重复（4）,（5）步骤，修改修复体外形，直到到达以下要求：整个模型应力分布均匀，无应力集中区域；特定部位应力最大值低于其屈服强度。

所述步骤（6）中所用材料为钛合金、树脂、橡胶等。

几何结构的精确对于模型的有效性非常重要。在此模型上用钛金属提前“定做”缺损修复体。本发明中的修复体形态遵循了原骨骼解剖特征，保持了修复颌骨的功能，具有个性化、定制化优势，同时手术创伤小。

本发明中的修复体在断裂强度、应力-应变分布和使用寿命等生物力学性能上表现良好，至今接受植入手术的上下颌骨缺损患者，观察约2年，未有断裂、暴露等不良并发症的发生。

说明书附图

图1为本发明中的工艺流程图

具体实施方式：

本发明中针对颌骨缺损个性化修复体制备方法，其特征包括以下步骤：

（1）对患者颌面部进行CBCT扫描，获取DICOM数据：

由于口腔颌面部解剖关系复杂，很难通过平面图形来确定颌骨病灶部位和范围，利用数字化模型外科技术可以给医生提供一个立体的模型，可以直观地对颌骨疾病进行诊断和制定手术方案，从而避免损伤重要解剖结构。

（2）将数据导入三维建模软件-MIMCS(Materialise，比利时)重建颌骨三维模型；根据患者特点进行虚拟手术设计：对残端移位明显的骨断模拟复位，对感染或肿瘤骨断进行模拟截骨，得到缺损颌骨部位的三维模型，并保持为STL格式文件。

（3）将STL格式文件导入逆向工程软件Geomagic，依据对侧正常结构或一般人解剖结构进行个性化修复体的设计：按照点、线的原则，先设计数条表达主要外形特征的曲线，再曲线封装连接得到修复体模型。

CAD中三维制图的基本流程是点-线-面，而人体结构组织多由不规则的曲面构成，骨骼个性化修复体也是如此，而且最好由平滑曲面构成以减少应力集中区域。因此只要确定了颌骨修复体的数条关键外形线，就可以简便快捷的得到整个修复体实体模型。最终模型达到恢复颌骨的组织连续性和外形轮廓，在正常生理功能状态下能较好的分散咬合载荷而无应力集中区域，具有良好的生物力学特性，在患者体内长期、稳定的发挥骨替代物作用。

（4）按照拟采用的固位螺钉尺寸设计数颗虚拟螺钉模型，再移动到颌骨适当位置以模拟螺钉固位修复体的情况。完成重建方案后，分别将颌骨、修复体和螺钉模型转化为NURBS模型（非均匀有理B样条曲线，Non-UniformRationalB-Spline)，再分别保存为IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)文件，总共得到三个备用文件。

螺钉设计和定位是完成有限元分析模型的必需步骤，因为螺钉对整个修复体的生物力学表现至关重要，需要在3D软件中模拟实际手术中的螺钉情况，包括外形和定位。螺钉的外形是依据临床最常应用的钛重建螺钉尺寸设计的，为2.5×9mm。

（5）将步骤（4）中三个文件分别导入ANSYSWorkbench，首先在三个模型之间分别作布尔减运算，去除模型之间相交部分并自动产生接触区域，再使用网格控制工具划分体网格，进行三维有限元模型边界条件的设定，得出模型范氏应力和应变云图。采用布尔减运算可去除模型之间相交部分并自动产生接触区域。

这三部分是颌骨重建后的主要结构，具有各自的外形、材料特性，而它们之间的联接关系是生物力学分析结果的重要影响因素之一。

模型的网格划分关系到有限元分析结果的最终精度，十分重要。网格数量与计算效率成反比，而与计算精度成正比，理论上是网格越多越好。但是网格越多计算效率越低，费时长。不规则模型最好选用四面体网格。

表1不同网格数量和相应的精度

0.5mm

53,072

1h+20min

98.5%

97.8%

关键部位增加网格的密度，提高计算精度。

（6）通过快速成型技术制作各种材料的实体。比如钛合金、树脂、橡胶等等。

本发明中进一步优化方案为根据有限元分析结果重复（4）,（5）步骤，修改修复体外形，直到到达以下要求：整体模型应力-应变分布均匀，无应力集中区域；整体范式应力值保持在较低水平；特定部位应力峰值低于材料的断裂强度。

本发明中重建后修复体具有了良好的生物力学表现，无力学集中区域表明修复体应力部分均匀，无断裂的高发部位，从而延长修复体的使用寿命。

有限元分析通过建立人体有限元模型，赋予模型物理材料性质并合理模拟体内条件，可以有效地分析人体结构的物理场性质。它的流程为：建立分析模型、材料赋值、边界条件设定、计算和结果分析。能得到结构内部的应力值，从而改进结构设计使其具有更佳的生物力学表现。

几何结构的精确对于模型的有效性非常重要。在此模型上用钛金属提前“定做”缺损修复体。定做的修复体形态遵循了原骨骼解剖特征，保持了颌骨功能，具有个性化、定制化优势，同时手术创伤小。

本发明中的修复体在断裂强度，应力-应变分布，使用寿命等生物力学性能上良好，至今使用约20余例上下颌骨缺损患者，观察约2年，未有断裂，暴露等不良并发症的发生。

表2在临床上采用此修复方法得到的病例效果

本发明中的修复体形态遵循了原骨骼解剖特征，保持了修复颌骨的功能，具有个性化、定制化优势，同时手术创伤小。

Claims (2)

1.一种颌骨缺损个性化修复体的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）对患者颌面部进行CBCT扫描，获取DICOM数据：

（2）将数据导入三维建模软件MIMICS，重建颌骨三维模型，对残端移位明显的骨断模拟复位，对感染或肿瘤骨断进行模拟截骨，得到缺损颌骨部位的三维模型，并保存为STL格式文件；

（3）将STL格式文件导入逆向工程软件Geomagic，按照点、线的原则，先设计数条表达主要外形特征的曲线，再封装连接得到修复体模型；

（4）按照拟采用的固位螺钉尺寸设计数颗虚拟螺钉，再移动到颌骨适当位置以模拟螺钉固位修复体的情况；完成重建方案后，分别将颌骨、修复体和螺钉模型转化为NURBS模型，再分别保存为IGES文件，总共得到三个备用文件；

（5）将步骤（4）中三个文件分别导入ANSYSWorkbench，首先在三个模型之间分别作布尔减运算，去除模型之间相交部分并自动产生接触区域，再使用网格控制工具划分体网格，根据患者的实际情况进行三维有限元模型边界条件的设定，计算机自动计算得出范氏应力和应变云图；

重复（3）,（4）,（5）步骤，修改修复体外形，直到到达以下要求：整个模型应力分布均匀，无应力集中区域，特定部位应力最大值低于其屈服强度；

（6）通过快速成型技术制作各种材料的实体。

2.根据权利要求1中所述的一种颌骨缺损个性化修复体的制造方法，其特征在于：所述步骤（6）中所用材料为钛合金。