CN101099696A - 促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物及其制备方法 - Google Patents

促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物及其制备方法，采用反求技术、CAD技术、快速成形技术，以患者的CT图片为数据源，采用“CT图像/点云/曲面/实体模型”的设计流程，对下颌骨替代物的外形和结构进行个体定制化设计，并通过改变下颌骨钛支架体部结构，增加钛下颌骨替代物的柔性，改善由于钛支架过硬引起的应力屏蔽问题。钛支架的改进结构通过有限元进行优化设计，以人体骨改建的最佳应变区间的填充骨体积占总体积的比例作为判别骨替代物柔性的标准，比例越大柔性越好。该下颌骨替代物结合了人体颌面部生理解剖学特性和生物力学特性，可显著改善患者手术效果，有效降低医生手术时间和手术风险，且具有工艺简单、性能可靠的特点。

Description

促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种下颌骨替代物，具体涉及一种基于反求技术和人体下颌骨生物力学特性的促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物。
背景技术
目前，现有的下颌骨替代物采用纯钛或钛合金为基体材料。设计者利用反求技术和三维图像技术对下颌骨缺损的整复进行整个过程的计算机模拟，切除骨骼的病变部分，设计相应的骨替代物。骨替代物呈中空的U型槽状，其中填充患者自体骨，并以延伸板进行固定。
金属钛具有良好的生物相容性，但是其硬度过大，弹性模量(1.14×105MPa)约为皮质骨(1.37×104MPa)弹性模量的10倍。故在其包裹之下，患者自体骨无法得到有利于骨改建的应力刺激。临床实验显示，下颌骨替代物植入1年(公认的骨终身改建完成期)后，下颌骨替代物内未见明显新骨长成。故，现有的定制化下颌骨替代物的功能仅体现在恢复患者面部外观，改善咀嚼功能方面，其植入人体后产生的应力屏蔽作用极大阻碍了新骨的长成。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种不仅能恢复患者面部外观，改善咀嚼功能，而且能提供给患者自体骨有益于骨改建的应力刺激，从而促进患者自体骨的改建完成的促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)原始数据获取
首先，通过医用螺旋CT机对需要施行骨替代物植入手术的患者进行CT扫描，并对CT图像进行多平面重建，获得CT断层图片；
2)定制型骨替代物的设计阶段
对CT断层图片进行预处理，并对图像中的伪影和误差进行校正；利用医学图像处理软件对校正后的CT图像进行重构，获得患者下颌骨缺损情况的病理模型；借助该病理模型设计骨替代物的CAD模型，骨替代物成中空的U型槽状，两端通过延伸板与骨断端连接，体部U形槽顶端与下颌牙牙根齐平，延伸板顶部略低于U形槽，该延伸板长15mm，上开设三个孔径为2mm的固定钉孔；
3)有限元优化分析
提取上述定制型骨替代物的特征数据对其参数化建模，在其体部设计可促进骨改建的柔性结构，模拟骨替代物在人体内的正常生理环境，利用有限元方法进行优化分析，并制定评价标准对优化结果进行分析、判定；有限元分析模拟下颌正中咬和状态，假设假体固定牢固，无相对位移，对螺钉孔内表面进行全自由度约束，载荷按照牙位区的咬合咀嚼力转化为面应力形式加载，其具体大小见表1
    牙位   1     2   3     4     5     6     7
    加载力/N   60     60   100     120     150     200     200
下颌骨替代物的材料参数见表2
    材料名称     弹性模量/MPa     泊松比
    TC4松质骨     1.14×1051.37×103     0.330.3
模型特征数据：下颌骨外侧下弧线方程y＝aX2，下颌骨替代物体部U形槽结构剖面轨迹线方程Y＝bZ2，a、b的值由定制化骨替代物的CAD模型测量得到；
柔性结构：在下颌骨替代物体部上开设孔或回形槽，其中，回形槽的设计要点是：将下颌骨钛支架按其在人体内的正常位置摆放，在其体部从上、下两方向交替开槽，槽的方向以系统解剖学界定的人体坐标轴确定，其x方向平行于水平面，y方向与人体矢状面成一定交角，角的大小根据患者个体情况可在0°-180°之间任意选取，z方向为槽底中心点的骨替代物曲面的法方向；
4)评价优化：将上述柔性结构的有限元优化分析结果进行评价，获取最优值，在ANSYS分析软件中对填充骨模型划分网格设定均匀尺寸，建立单元表数组，对各个单元的应变进行统计比较，其中最佳应变区间0.0015～0.005的填充骨体积占总体积的比例记为P，P越大，柔性越好；同时考量骨替代物在咬合承载时的最大应力SMAX，为保证骨替代物强度足够，此应力值不应高于550MPa；以此数据来评价上述骨替代物的柔性结构的优化结果；
5)根据评价优化结果在定制型下颌骨替代物的CAD模型上设计可促进骨改建的柔性孔结构、回型槽结构或孔槽结合结构，采用快速成形技术与熔模精密铸造技术制造下颌骨替代物。
本发明的下颌骨替代物采用纯钛或钛合金制成。
本发明的下颌骨替代物包括下颌骨替代物以及填充在下颌骨替代物体部3内的松质骨，该下颌骨替代物的XZ面的轨迹线Z＝aX2；YZ面骨替代物体部剖面轨迹线方程Y＝bZ2；a、b的值由定制化骨替代物的CAD模型测量得到；下颌骨替代物体部两侧各设置一长15mm的延伸板，并在该延伸板2上开设三个孔径为2mm的固定钉孔；在下颌骨替代物体部上开设孔或回形槽，其孔或回形槽的位置及结构尺寸根据患者下颌骨的特征数据利用有限元方法进行优化分析，并根据评价标准对优化结果进行分析、判定获得。
本发明通过提取患者的CT图像，通过CAD技术和RP技术个体定制化设计而成，不仅能恢复患者面部外观，改善咀嚼功能，而且能提供给患者自体骨有益于骨改建的应力刺激，促进患者自体骨的改建完成。
附图说明
图1是本发明回形槽结构柔性钛下颌骨替代物的CAD模型图；
图2是本发明回形槽4的结构示意图，其中B为槽宽，D为槽间距，H为槽高，θ为槽的倾斜角度，L为钛支架体长；
图3是本发明孔结构柔性钛下颌骨替代物的CAD模型图；
图4是本发明孔结构6的设计参数图，其中R为孔径，D为孔间距，L为钛支架体长。
图5是本发明孔槽结构柔性钛下颌骨替代物的CAD模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明
实施例1，参见图1、2本发明包括下颌骨替代物2以及填充在下颌骨替代物2内的松质骨3，该下颌骨替代物2的XZ面的轨迹线Z＝aX2，a＝0.0246；YZ面假体体部剖面轨迹线方程Y＝bZ2，内侧面b＝0.25，外侧面b＝0.2；下颌骨替代物2两侧各设置一长15mm的延伸板1，并在该延伸板1上开设三个孔径为2mm的固定钉孔5；在下颌骨替代物2上开设回形槽4，回形槽4的槽宽B为3mm，长H为12mm，间距D为5mm；槽的倾角θ为30°。
其制作方法如下：
1)原始数据获取
首先，通过医用螺旋CT机对需要施行骨替代物植入手术的患者进行CT扫描，并对CT图像进行多平面重建，获得CT断层图片；
2)定制型骨替代物的设计阶段
对CT断层图片进行预处理，并对图像中的伪影和误差进行校正；利用医学图像处理软件对校正后的CT图像进行重构，获得患者下颌骨缺损情况的病理模型；借助该病理模型设计骨替代物的CAD模型，骨替代物成中空的U型槽状，两端通过延伸板与骨断端连接，体部U形槽顶端与下颌牙牙根齐平，延伸板顶部略低于U形槽，该延伸板长15mm，上开设三个孔径为2mm的固定钉孔；
3)有限元优化分析
提取上述定制型骨替代物的特征数据对其参数化建模，在其体部设计可促进骨改建的柔性结构，模拟骨替代物在人体内的正常生理环境，利用有限元方法进行优化分析，并制定评价标准对优化结果进行分析、判定；
有限元分析模拟下颌正中咬和状态，假设假体固定牢固，无相对位移，对螺钉孔内表面进行全自由度约束，载荷按照牙位区的咬合咀嚼力转化为面应力形式加载，其具体大小见表1
    牙位     1     2     3     4     5     6     7
  加载力/N     60     60   100     120     150     200     200
下颌骨替代物的材料参数见表2
    材料名称     弹性模量/MPa     泊松比
    TC4松质骨     1.14×1051.37×103       0.330.3
模型特征数据：下颌骨外侧下弧线方程y＝aX2，下颌骨替代物体部U形槽结构剖面轨迹线方程Y＝bZ2，本实施例中a＝0.0246；内侧面b＝0.25，外侧面b＝0.2；
柔性结构：在下颌骨替代物体部上开设孔或回形槽，其中，回形槽的设计要点是：将下颌骨钛支架按其在人体内的正常位置摆放，在其体部从上、下两方向交替开槽，槽的方向以系统解剖学界定的人体坐标轴确定，其x方向平行于水平面，y方向与人体矢状面成一定交角，角的大小根据患者个体情况可在0°-180°之间任意选取，z方向为槽底中心点的骨替代物曲面的法方向；
4)评价优化：将上述柔性结构的有限元优化分析结果进行评价，获取最优值，在ANSYS分析软件中对填充骨模型划分网格设定均匀尺寸，建立单元表数组，对各个单元的应变进行统计比较，其中最佳应变区间0.0015～0.005的填充骨体积占总体积的比例记为P，P越大，柔性越好；同时考量骨替代物在咬合承载时的最大应力SMAX，为保证骨替代物强度足够，此应力值不应高于550MPa；以此数据来评价上述骨替代物的柔性结构的优化结果；
5)根据评价优化结果在定制型下颌骨替代物的CAD模型上设计可促进骨改建的柔性孔结构、回型槽结构或孔槽结合结构，采用快速成形技术与熔模精密铸造技术制造下颌骨替代物，该下颌骨替代物采用钛合金TC4为下颌骨替代物2的材料，并在下颌骨替代物内填充患者自体松质骨3，在下颌骨替代物2两侧各设置一长15mm的延伸板1，并在该延伸板1上开设三个孔径为2mm的固定钉孔5；在下颌骨替代物2上开设回形槽4，回形槽4的槽宽为3mm，长为12mm，间距为5mm；槽的倾角为30°。
实施例2：参见图3、4，本实施例是在下颌骨替代物2上开设孔6，孔6的直径R为3mm，左右孔距D为4mm，上下孔距为2.5mm。其它结构及制作方法同实施例1。
实施例3，参见图5，本发明还可以采用孔6和回形槽4相结合的结构。

Claims (3)

1、促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物的制备方法，其特征在于：
1)原始数据获取
首先，通过医用螺旋CT机对需要施行骨替代物植入手术的患者进行CT扫描，并对CT图像进行多平面重建，获得CT断层图片；
2)定制型骨替代物的设计阶段
对CT断层图片进行预处理，并对图像中的伪影和误差进行校正；利用医学图像处理软件对校正后的CT图像进行重构，获得患者下颌骨缺损情况的病理模型；借助该病理模型设计骨替代物的CAD模型，骨替代物成中空的U型槽状，两端通过延伸板与骨断端连接，体部U形槽顶端与下颌牙牙根齐平，延伸板顶部略低于U形槽，该延伸板长15mm，上开设三个孔径为2mm的固定钉孔；
3)有限元优化分析
提取上述定制型骨替代物的特征数据对其参数化建模，在其体部设计可促进骨改建的柔性结构，模拟骨替代物在人体内的正常生理环境，利用有限元方法进行优化分析，并制定评价标准对优化结果进行分析、判定；有限元分析模拟下颌正中咬和状态，假设假体固定牢固，无相对位移，对螺钉孔内表面进行全自由度约束，载荷按照牙位区的咬合咀嚼力转化为面应力形式加载，其具体大小见表1
    牙位   1   2     3     4     5     6     7 加载力/N 60 60 100 120 150 200 200
下颌骨替代物的材料参数见表2
    材料名称   弹性模量/MPa     泊松比
    TC4松质骨     1.14×1051.37×103     0.330.3
模型特征数据：下颌骨外侧下弧线方程y＝aX2，下颌骨替代物体部U形槽结构剖面轨迹线方程Y＝bZ2，a、b的值由定制化骨替代物的CAD模型测量得到；
柔性结构：在下颌骨替代物体部上开设孔或回形槽，其中，回形槽的设计要点是：将下颌骨钛支架按其在人体内的正常位置摆放，在其体部从上、下两方向交替开槽，槽的方向以系统解剖学界定的人体坐标轴确定，其x方向平行于水平面，y方向与人体矢状面成一定交角，角的大小根据患者个体情况可在0°-180°之间任意选取，z方向为槽底中心点的骨替代物曲面的法方向；
4)评价优化：将上述柔性结构的有限元优化分析结果进行评价，获取最优值，在ANSYS分析软件中对填充骨模型划分网格设定均匀尺寸，建立单元表数组，对各个单元的应变进行统计比较，其中最佳应变区间0.0015～0.005的填充骨体积占总体积的比例记为P，P越大，柔性越好；同时考量骨替代物在咬合承载时的最大应力SMAX，为保证骨替代物强度足够，此应力值不应高于550MPa；以此数据来评价上述骨替代物的柔性结构的优化结果；
5)根据评价优化结果在定制型下颌骨替代物的CAD模型上设计可促进骨改建的柔性孔结构、回型槽结构或孔槽结合结构，采用快速成形技术与熔模精密铸造技术制造下颌骨替代物。
2、根据权利要求1所述的促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物的制备方法，其特征在于：所述的下颌骨替代物采用纯钛或钛合金制成。
3、一种促进骨改建的定制化柔性钛下颌骨替代物，包括下颌骨替代物(2)以及填充在下颌骨替代物(2)内的松质骨(3)，其特征在于：该下颌骨替代物(1)的XZ面的轨迹线Z＝aX2；YZ面骨替代物体部剖面轨迹线方程Y＝bZ2；a、b的值由定制化骨替代物的CAD模型测量得到；下颌骨替代物2两侧各设置一长15mm的延伸板(1)，并在该延伸板(1)上开设三个孔径为2mm的固定钉孔(5)；在下颌骨替代物2上开设孔(6)或回形槽(4)，其孔或回形槽的位置及结构尺寸根据患者下颌骨的特征数据利用有限元方法进行优化分析，并根据评价标准对优化结果进行分析、判定获得。
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