CN101249028A - 个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法 - Google Patents

Abstract

一种个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，采用CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据；根据颅颌面骨图像数据，利用计算机进行三维重建；利用计算机辅助设计获得修复体的计算机图像数据；将计算机图像数据输入到电子束熔融机中，使得电子束对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔融加工成型，获得个性化钛制材料颅颌面骨修复体。采用这种结合图像学技术和电子束熔融的技术、将钛制材料粉末制备成个性化钛制材料颅颌面骨修复体的方法，能够方便快捷地获得可以直接使用的个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

Description

个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法

技术领域

本发明涉及用于替代颅颌面缺损骨骼的人工假体的制备技术，特别是一种个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，该方法采用先进制造技术进行个性化的颅颌面骨修复体的加工，所述个性化钛制材料颅颌面骨修复体主要用于神经外科、整形外科、口腔颌面外科等领域的颅颌面骨创伤或病变切除后的骨缺损修复。

背景技术

医学内置物置换手术是常见的外科手术之一，而临床的假体置换手术面临的一个难题就是：在进行手术干预之前无法知道内置物的最佳几何形态，而颅颌面骨缺损的特殊性在于对术后形态的要求较之其他部位更加突出。传统的修补材料包括有机玻璃、灭火异体骨、骨水泥、硅胶假体。但是，有些上述材料需要在手术台上花费很长的时间塑形并且强度不够而渐渐被新材料所替代。近年来钛网、多孔聚乙烯，由于其良好的生物相容性，较易塑形等特点成为临床新宠。但面对复杂程度较高的形态，其塑形难度往往不能很好的解决。而针对较大面积的缺损或力学要求较高的部位(如下颌骨缺损修复)，易塑形的材料又往往面临强度不够的难题。

在材料加工方面，传统的手术多采用临床人工塑形。对于缺损形态极不规则，解剖结构复杂，缺损面积巨大的病例，修补体的塑形和拼接工作成为令外科医生头疼的难题，他们往往需要花费很长的时间将市场上可以购得的规格不同的材料利用有限的手术器械弯制成不同的曲度，再像拼图一样将小块拼接起来，不仅大大延长了手术时间，增加手术风险，而且这种“人工”打造的修补体形态往往不能让患者满意。近年来，运用工业领域的先进制造技术进行修复体的预制成型成为新的研究领域。目前主要的几种加工方法及其特点有：

模具加工：在数控机床上加工出冲压模具，然后压制钛板或钛网成形。这种方法较之手工塑形能满足更好的形态需要，但这种方法一般用于大规模标准件的生产，用于个性化的生产由于模具只使用一次，造成浪费。另一方面，由于冲压造成的应力问题也会造成配合精度的隐患。

精密铸造：利用快速成型设备加工出修复体的蜡模，采用钛制材料材料用精密铸造加工技术翻模加工成型。这种方法精确度高，成型后形态稳定、强度高。但是由于铸造出的修复体弹性系数较高，可塑性相对较差，因此修复体与患者缺损边缘的贴合性也不是很完美。

数控加工：利用数控铣床对块状钛材进行切削加工成型。这种方法精确度高，而且加工时所用块材是经过锻造而成，相对于铸造材料来说弹性系数较低，有一定的可塑性，因此修复体与患者缺损边缘也会相对贴合的更完美。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，采用该方法，能够方便快捷地获得可以直接使用的个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

本发明的技术构思为，利用CT技术、计算机图像技术和电子束熔融加工成型技术，获得个性化钛制材料颅颌面骨修复体。钛制材料是指金属钛或钛合金。

本发明的技术方案如下：

个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：结合图像学技术和电子束熔融的技术，将钛制材料粉末制备成个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

制备步骤包括：采用CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据；根据颅颌面骨图像数据，利用计算机进行三维重建；利用计算机辅助设计获得修复体的计算机图像数据；将计算机图像数据输入到电子束熔融机中，使得电子束对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔融加工成型，获得个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

还包括，参照患者的病理树脂头模，对数控铣床加工出的修复体进行抛光、打磨、清洁、和/或消毒的后处理。

所述CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据满足以下条件：要求扫描层厚≤10mm，重建层厚≤2mm，将数据用标准DICOM格式记录或光盘文件保存。

所述三维重建包括，采用医学图像控制系统软件形成反映颅颌面骨原形的三维图形数据，输出文件格式为STL。

所述计算机辅助设计包括：采用通用非线性曲面造型软件进行修复体的设计，得到修复体的基本三维模型，然后在修复体表面设计通孔及沉孔，得到最终的修复体三维模型。

所述电子束熔融机按照修复体三维模型的计算机图像数据将修复体加工成型的步骤包括：

(1)把修复体三维模型分层，分成一系列的层片；

(2)根据每个层片的轮廓信息或数据，电子束熔融机确定加工参数并自动生成数控代码；

(3)电子束按照数控代码对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔融；

(4)加工完成待修复体冷却后，清除多余的粉末即得到修复体雏型。

本发明的技术效果如下：

本发明提供了一种个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，利用CT技术、计算机图像技术和电子束熔融加工成型技术，能够方便快捷地获得可以直接使用的个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

附图说明

图1是实施本发明采用电子束熔融法制备个性化钛制材料颅颌面骨修复体的工艺流程。

图2是实施本发明电子束熔融制备方法制造的上颌骨修复体示意图。

图3是实施本发明电子束熔融制备方法制造的颅骨修复体示意图。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图3)对本发明进一步进行说明。

首先对电子束熔融技术说明如下：

电子束熔融技术：指在电子束选区熔化金属粉末成形。其原理是利用电子束聚焦后能量密度极高，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的的时间(几分之一秒)内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，引起材料的局部熔化或气化的性能。

本发明采用了这种新的加工方法，即电子束熔融法，该方法依靠电子束熔融设备实施，例如瑞典的ARCAM AB公司的ARCAM A2电子束熔融机。相较于精密铸造方法，电子束熔融法有更快的速度，仅十余小时即可加工完成，而铸造法需要一个月左右；相较于模具加工法，电子束熔融不需要生产模具，而且可以一次性制造多个不同的修复体，更加有利于多样化、小批量的生产；相较于数控加工法，电子束熔融法可以加工任何一种形状复杂的修复体，数控加工法却因其加工工艺的限制在修复体的形态上有一定的加工局限性；总之，采用电子束熔融法加工修复体，具有加工形状不受限制、加工时间短等优点。

图1是实施本发明采用电子束熔融法制备个性化钛制材料颅颌面骨修复体的工艺流程。该工艺流程包括以下加工步骤：

1、采用CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据，要求扫描层厚≤10mm，重建层厚≤2mm，将数据用标准DICOM格式记录或光盘文件保存。

2、颅颌面骨计算机三维重建，将CT图像中分割的颅颌面骨数据进行三维重建，即采用医学图像控制系统软件形成反映颅颌面骨原形的三维图形数据，输出文件格式为STL。

3、修复体的计算机辅助设计，采用通用非线性曲面造型软件进行修复体的设计，得到修复体的基本三维模型，然后在修复体表面设计通孔及沉孔，得到最终的修复体三维模型。

4、电子束熔融法加工修复体：

加工流程：

(1)、把修复体的三维模型分层，分成一系列的层片；

(2)、根据每个层片的轮廓信息或数据，向电子束熔融设备输入加工参数自动生成数控代码；

(3)、电子束按照数控代码对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔化；

(4)、加工完成待修复体冷却后，清除多余的粉末即得到修复体雏型。

5、后处理：

参照患者的病理树脂头模，对电子束熔融加工出的修复体进行抛光、打磨、清洁、消毒等后处理。

6、得到个性化的修复体。

图2是实施本发明电子束熔融制备方法制造的上颌骨修复体示意图。图3是实施本发明电子束熔融制备方法制造的颅骨修复体示意图。由图2和图3可见修复体明显的个性化特征。图2和图3中边缘环绕的网纹线，并非指实际纹理或网格，只是一种表现立体曲面效果的通常画法，以增强人们对立体曲面的观感。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，例如，钛合金也可以用其他具有生物相容性的可熔融生物材料替代等；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：结合图像学技术和电子束熔融的技术，将钛制材料粉末制备成个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

2.根据权利要求1所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于，制备步骤包括：采用CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据；根据颅颌面骨图像数据，利用计算机进行三维重建；利用计算机辅助设计获得修复体的计算机图像数据；将计算机图像数据输入到电子束熔融机中，使得电子束对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔融加工成型，获得个性化钛制材料颅颌面骨修复体。

3.根据权利要求2所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：还包括，参照患者的病理树脂头模，对数控铣床加工出的修复体进行抛光、打磨、清洁、和/或消毒的后处理。

4.根据权利要求2所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：所述CT断层扫描获取患者颅颌面骨图像数据满足以下条件：要求扫描层厚≤10mm，重建层厚≤2mm，将数据用标准DICOM格式记录或光盘文件保存。

5.根据权利要求2所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：所述三维重建包括，采用医学图像控制系统软件形成反映颅颌面骨原形的三维图形数据，输出文件格式为STL。

6.根据权利要求2所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：所述计算机辅助设计包括：采用通用非线性曲面造型软件进行修复体的设计，得到修复体的基本三维模型，然后在修复体表面设计通孔及沉孔，得到最终的修复体三维模型。

7.根据权利要求6所述的个性化钛制材料颅颌面骨修复体的电子束熔融制备方法，其特征在于：所述电子束熔融机按照修复体三维模型的计算机图像数据将修复体加工成型的步骤包括：

(1)把修复体三维模型分层，分成一系列的层片；

(2)根据每个层片的轮廓信息或数据，电子束熔融机确定加工参数并自动生成数控代码；

(3)电子束按照数控代码对金属钛粉末或钛合金粉末进行有选择的熔融；

(4)加工完成待修复体冷却后，清除多余的粉末即得到修复体雏型。

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