CN103006364B - 一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学领域的先天性唇腭裂外鼻畸形非创伤性矫形治疗方法，具体涉及一种唇腭裂外鼻畸形矫治器数字化制备方法。其特征是：至少包括如下步骤：1）采集唇腭裂患儿面部三维数据；2）三维重建唇裂患儿面部数字化模型；3）依据三维面片模型建造外鼻矫治器数字化模型：数字化模型包括鼻撑C、桥体B、基托A；4）通过快速成型技术依据数字化模型制作的鼻撑、桥体、基托建造实体模型鼻撑C、桥体B、基托A；5）临床应用外鼻矫治器实体模型。该方法由现有的单纯手工制作改为由计算机控制自动加工，保证了矫治器的制作精度，从而为唇腭裂患者提供了一种标准、快捷的个体化治疗方法，利于该项技术在临床的普及应用。

Description

一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法

技术领域

本发明属于医学领域的先天性唇腭裂外鼻畸形非创伤性矫形治疗方法，具体涉及一种唇腭裂外鼻畸形矫治器数字化制备方法。

背景技术

唇腭裂是最常见的先天性颌面缺损畸形之一，在中国的发病率约占出生人口率的七百分之一，据统计我国至少有240万唇腭裂患者，其中约70%伴有明显的外鼻畸形。在患儿新生儿期进行唇腭裂外鼻畸形的术前早期矫治是目前该领域内最热点研究之一，该方法原理是利用单侧唇腭裂患儿机体处于快速生长发育期的潜能，参照患儿健侧外鼻形态，利用人工设计制作的外鼻矫治器对畸形侧外鼻鼻翼形态进行纠正，引导其逐渐塑形发育并最终达到与健康侧外鼻形态对称一致。现有临床研究均证明在患儿出生后新生儿期进行此项治疗，能以非创伤性方式最大限度矫正外鼻畸形，从而极大改善唇腭裂手术外鼻美观修复效果并降低手术难度和风险。但是现在国内外各种唇腭裂外鼻矫治器均完全依靠医师主观经验设计，采取纯手工方式制作，治疗随意性大，制作精度不稳定，对治疗过程和效果难以预计。在我国仅有少数唇腭裂治疗专科中心能够开展此项治疗，严重限制了该技术在我国的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法，以便实现外鼻畸形矫治的全程预控与分步实施，为唇腭裂患者提供科学、高效的个体化治疗方法。

本发明采用的技术方案是：一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法，其特征是：至少包括如下步骤：

1）采集唇腭裂患儿面部三维数据：采用3d MD Face可见光三维扫描仪对唇腭裂患儿进行面部直接扫描；将一束随机光栅投射到患儿面部，然后通过在2个不同位置和方向的协同照相系统对患儿面部进行同步摄影，生成一个连续的点云，获取唇腭裂患儿面部的2幅数字图像，经捆绑调整、图像处理匹配等处理及数字计算，得到患儿外鼻-唇裂面部的三维数据；

 2）三维重建唇裂患儿面部数字化模型：调取步骤1中获取的患儿面部原始三维数据，通过三维重建去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面部三维模型；将面部三维模型通过逆向工程的方式封装重构为三维面片模型；

3）依据三维面片模型建造外鼻矫治器数字化模型：数字化模型包括鼻撑C、桥体B、基托A；

4）通过快速成型技术依据数字化模型制作的鼻撑、桥体、基托建造实体模型鼻撑C、桥体B、基托A；

5）临床应用外鼻矫治器实体模型：将步骤4中加工完成的外鼻矫治器实体模型基托A紧贴并固定于患儿面部眉间、鼻根及额部组织的相应区域，此时鼻撑C恰位于患儿畸形外鼻的外上方，其形态位置与患儿健侧外鼻鼻翼相对称一致，两者间通过桥体B相连；鼻撑C即为外鼻矫治器对畸形侧外鼻鼻翼形态进行纠正，引导其逐渐塑形发育并最终达到与健康侧外鼻形态对称一致的功能部件。

所述的建造外鼻矫治器数字化模型中的鼻撑C、桥体B、基托A具体步骤如下：

A. 校准模型三维坐标系：在Geomagic 11.0逆向工程软件中打开步骤2中获取的数据，利用软件“对象移动器”工具调整软件系统视图，利用“重新定位”工具将患儿面部三维数据校准至与患儿自然头位状态面形一致；并将眉间点定位为坐标原点；

B．选择模型镜像对称平面：选取患儿面部眉间点、鼻尖、颏部三点并构成一个平面，以该平面作为患儿面部矢状正中面；通过软件“刷笔”工具选取患儿健侧外鼻鼻翼面片数据，创建其边界；

C．设计矫治器中“鼻撑”部件数据：以患儿面部矢状正中面为对称平面，应用软件镜像翻转设计功能，点击软件“拾取平面”选项中“仅翻转”工具，将患儿健侧外鼻鼻翼面片数据对称翻转至对侧创建边界选取患侧翻转后的鼻翼，将该面片数据保存命名为“鼻撑”；利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm；

D. 设计矫治器中“基托”部件数据：打开步骤2中获取的中获取的数据，选取患儿眉间、鼻根及额部组织相对坚硬的梯形区域设计矫治器基托A，该梯形区域以瞳孔连线作为下边界，双侧眉毛弧形顶点为其上边界，两侧依据外鼻鼻根形态设计左右边界，左右边界要求距离双侧内眦点3-5mm，将该区域面片数据保存命名为“基托”；利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm；

E. 设计矫治器中“桥体”部件数据：在Magic逆向工程软件中同时打开“鼻撑”与“基托”文件，单击系统选择“合并”选项将二者合并生成同一个坐标系模型文件；利用Magic软件中“桥架设计”工具设计出“⌒”拱桥性连接结构：一端与“鼻撑”部件的几何中心区域相连，另一端与“基托”部件的下边界相连；“⌒”拱桥性连接结构宽度设计为5mm，并利用软件中“抽壳”工具赋予其实体厚度为2mm；“鼻撑”、“桥体”、“基托”三个部件共同构成数字化制备的外鼻矫治器模型。

所述的建造实体模型鼻撑C、桥体B、基托A包括如下步骤：

A．自动分层离散模型文件形成分层加工文件：将“数字化外鼻矫治器”. stl文件导入Magic逆向工程软件中进行切片，运行Magics软件，打开machine setup命令， 导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数设置为：Z轴方向放大0.5%，切片层厚=0.15mm，刀具补偿=0.1，切片完成后自动以.cli格式存储；

运行Arps2000 V4激光扫描路径与优化软件，分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出“数字化外鼻矫治器”.afi格式的RP机器代码文件；

加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；

B．自动分层堆积加工出外鼻矫治器实体模型：开启AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件，输入“数字化外鼻矫治器”的.afi文件，加工工艺参数设置为：扫描半径（In）=17.32；激光功率按百分比：内部激光功率=28，外部激光功率=18，支撑功率=14；温度曲线设置：预铺粉50层，温度115℃，加工温度119-100℃，加工后铺粉30层，温度100℃，最终温度50℃，温度误差2℃；温控表参数：OPL为9，OPH为65；激光光斑直径为0.3mm。打开各项开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的“数字化外鼻矫治器”原型件，清除多余粉末，试件加工完成；

将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷“数字化外鼻矫治器”原型件使其充分浸透，静置4-6小时；

40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的“数字化外鼻矫治器”实体模型。

本发明的优点是：目的是基于可见光三维扫描、逆向工程及快速成型等多种计算机辅助设计与加工技术，首次为唇腭裂患者提供一种外鼻畸形矫治器数字化精确设计和自动化加工方法，该方法可以参照患儿健侧外鼻形态精准实现对畸形侧外鼻畸形矫治的三维设计，并自动精确加工出外鼻矫治器实体模型，从而保证整个外鼻矫治过程的科学可控。本发明可以保证帮助唇腭裂患儿畸形侧外鼻位置形态与患儿健侧外鼻鼻翼对称一致，外鼻矫治器的加工过程也由现有的单纯手工制作改为由计算机控制自动加工，保证了矫治器的制作精度，从而为唇腭裂患者提供了一种标准、快捷的个体化治疗方法，利于该项技术在临床的普及应用。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明放置于唇腭裂患儿面部示意图；

图中：A、基托；B、桥体；C、鼻撑。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法，其具体技术手段如下：

1）采集唇腭裂患儿面部三维数据：采用3d MD Face可见光三维扫描仪对唇腭裂患儿进行面部直接扫描；将一束随机光栅投射到患儿面部，然后通过在2个不同位置和方向的协同照相系统对患儿面部进行同步摄影，生成一个连续的点云，获取唇腭裂患儿面部的2幅数字图像，经捆绑调整、图像处理匹配等处理及数字计算，得到患儿外鼻-唇裂面部的三维数据；

 2）三维重建唇裂患儿面部数字化模型：调取步骤1中获取的患儿面部原始三维数据，通过三维重建去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面部三维模型；将面部三维模型通过逆向工程的方式封装重构为三维面片模型；

3）依据三维面片模型建造外鼻矫治器数字化模型：数字化模型包括鼻撑C、桥体B、基托A；

建造外鼻矫治器数字化模型中的鼻撑C、桥体B、基托A具体步骤如下：

A. 校准模型三维坐标系：在Geomagic 11.0逆向工程软件中打开步骤2中获取的. wrp格式文件，利用软件“对象移动器”工具调整软件系统视图，利用“重新定位”工具将患儿面部三维数据校准至与患儿自然头位状态面形一致。并将眉间点定位为坐标原点。

．选择模型镜像对称平面：选取患儿面部眉间点、鼻尖、颏部三点并构成一个平面，以该平面作为患儿面部矢状正中面。通过软件“刷笔”工具选取患儿健侧外鼻鼻翼面片数据，创建其边界，复制备用。

．设计矫治器中“鼻撑”部件数据：以患儿面部矢状正中面为对称平面，应用软件镜像翻转设计功能，点击软件“拾取平面”选项中“仅翻转”工具，将患儿健侧外鼻鼻翼面片数据对称翻转至对侧创建边界选取患侧翻转后的鼻翼，将该面片数据保存命名为“鼻撑”。“鼻撑”部件在整个唇腭裂外鼻矫治器中起到直接纠正外鼻畸形作用，引导其逐渐发育塑形直至与健侧外鼻形态对称一致。利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm，以. stl格式存盘。

设计矫治器中“基托”部件数据：打开步骤2中获取的. wrp格式文件，选取患儿眉间、鼻根及额部组织相对坚硬的梯形区域设计矫治器“基托”部件，该梯形区域以瞳孔连线作为下边界，双侧眉毛弧形顶点为其上边界，两侧依据外鼻鼻根形态设计左右边界，左右边界要求距离双侧内眦点3-5mm。将该区域面片数据保存命名为“基托”。“基托”部件起到在患儿面部准确定位整个外鼻矫治器的作用，保证矫治器中“鼻撑”部件能够放置到预先设计的位置。利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm，以. stl格式存盘。

设计矫治器中“桥体”部件数据：在Magic逆向工程软件（Materiallise，比利时）中同时打开“鼻撑”与“基托”文件，单击系统选择“合并”选项将二者合并生成同一个坐标系模型文件；利用Magic软件中“桥架设计”工具设计出“⌒”拱桥性连接结构：一端与“鼻撑”部件的几何中心区域相连，另一端与“基托”部件的下边界相连。“⌒”拱桥性连接结构宽度设计为5mm，并利用软件中“抽壳”工具赋予其实体厚度为2mm。“鼻撑”、“桥体”、“基托”三个部件共同构成数字化制备的外鼻矫治器模型。通过Magic逆向工程软件将上述文件合并，命名为“数字化外鼻矫治器”文件，以. stl格式导出存盘。

）通过快速成型技术依据数字化模型制作的鼻撑、桥体、基托建造实体模型鼻撑C、桥体B、基托A，具体方法如下：

A．自动分层离散模型文件形成分层加工文件：将“数字化外鼻矫治器”. stl文件导入Magic逆向工程软件中进行切片，根据AFS-360激光成型机（隆源自动成型系统有限公司，北京）聚苯乙烯成型粉（PSB）材料加工要求，运行Magics软件，打开machine setup命令， 导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数设置为：Z轴方向放大0.5%，切片层厚=0.15mm，刀具补偿=0.1。切片完成后自动以.cli格式存储。运行Arps2000 V4激光扫描路径与优化软件（隆源自动成型系统有限公司，北京），分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出“数字化外鼻矫治器”.afi格式的RP机器代码文件。加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则。

．自动分层堆积加工出外鼻矫治器实体模型：开启AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件（北京隆源自动成型系统有限公司），输入“数字化外鼻矫治器”的.afi文件，主要加工工艺参数设置为：扫描半径（In）=17.32；激光功率（百分比，%）：内部激光功率=28，外部激光功率=18，支撑功率=14；温度曲线设置：预铺粉50层，温度115℃，加工温度119-100℃，加工后铺粉30层，温度100℃，最终温度50℃，温度误差2℃；温控表参数：OPL为9，OPH为65；激光光斑直径为0.3mm。打开各项开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的“数字化外鼻矫治器”原型件，清除多余粉末，试件加工完成。将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷“数字化外鼻矫治器”原型件使其充分浸透，静置4-6小时，40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的“数字化外鼻矫治器”实体模型。

）临床应用外鼻矫治器实体模型：将步骤4中加工完成的外鼻矫治器实体模型基托A紧贴并固定于患儿面部眉间、鼻根及额部组织的相应区域，此时鼻撑C恰位于患儿畸形外鼻的外上方，其形态位置与患儿健侧外鼻鼻翼相对称一致，两者间通过桥体B相连；鼻撑C即为外鼻矫治器对畸形侧外鼻鼻翼形态进行纠正，引导其逐渐塑形发育并最终达到与健康侧外鼻形态对称一致的功能部件。

具体使用时需要与患儿口内预先制作好的腭裂矫治器联合使用：在口内腭裂矫治器同侧固位柱上固定适当长度的牙科用不锈钢丝（0.9mm直径），向口外畸形鼻翼外上方弯曲，末端打圈；将鼻撑矫治器模型在患者面部就位后，调节牙科用不锈钢丝末端位置，使其与外鼻矫治器中“鼻翼“部件内表面紧密贴合，然后利用牙科自凝树脂将两者粘接固定为一体；此时用牙科钻头沿外鼻矫治器“桥体”与“鼻撑部件”交界处将两者切开分离，移除外鼻矫治器“桥体”与“基托” 部件；仔细打磨抛光“鼻撑”部件相应区域表面平整光滑，将“鼻撑”放置于患儿畸形侧外鼻鼻翼内侧，即可对外鼻畸形发育起到良好纠正塑形作用，最终使其与患儿健侧外鼻鼻翼形态对称一致。 

本实施例没有详细叙述的部分和英文缩写属本行业的公知常识，在网上可以搜索到，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.一种唇腭裂外鼻矫治器数字化制备方法，其特征是：至少包括如下步骤：

1）采集唇腭裂患儿面部三维数据：采用3d MD Face可见光三维扫描仪对唇腭裂患儿进行面部直接扫描；将一束随机光栅投射到患儿面部，然后通过在2个不同位置和方向的协同照相系统对患儿面部进行同步摄影，生成一个连续的点云，获取唇腭裂患儿面部的2幅数字图像，经捆绑调整、图像处理匹配处理及数字计算，得到患儿外鼻-唇裂面部的三维数据；

 2）三维重建唇裂患儿面部数字化模型：调取步骤1）中获取的患儿外鼻-唇裂面部的三维数据，通过三维重建去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面部三维模型；将面部三维模型通过逆向工程的方式封装重构为三维面片模型；

 3）依据三维面片模型建造外鼻矫治器数字化模型：数字化模型包括鼻撑、桥体、基托；

 4）通过快速成型技术依据数字化模型制作的鼻撑、桥体、基托建造实体模型鼻撑、桥体、基托；

所述实体模型鼻撑、桥体及基托组成所述唇腭裂外鼻矫治器；

所述的建造外鼻矫治器数字化模型中的鼻撑、桥体、基托具体步骤如下：

A. 校准模型三维坐标系：在Geomagic 11.0逆向工程软件中打开步骤2）中获取的三维面片模型的数据，利用软件“对象移动器”工具调整软件系统视图，利用“重新定位”工具将三维面片模型的数据校准至与患儿自然头位状态面形一致；并将眉间点定位为坐标原点；

B．选择模型镜像对称平面：选取患儿面部眉间点、鼻尖、颏部三点并构成一个平面，以该平面作为患儿面部矢状正中面；通过软件“刷笔”工具选取患儿健侧外鼻鼻翼面片数据，创建其边界；

C．设计矫治器中“鼻撑”部件数据：以患儿面部矢状正中面为对称平面，应用软件镜像翻转设计功能，点击软件“拾取平面”选项中“仅翻转”工具，将患儿健侧外鼻鼻翼面片数据对称翻转至对侧创建边界选取患侧翻转后的鼻翼，将该面片数据保存命名为“鼻撑”；利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm；

D. 设计矫治器中“基托”部件数据：打开步骤2）中获取的中获取的数据，选取患儿眉间、鼻根及额部组织相对坚硬的梯形区域设计矫治器基托，该梯形区域以瞳孔连线作为下边界，双侧眉毛弧形顶点为其上边界，两侧依据外鼻鼻根形态设计左右边界，左右边界要求距离双侧内眦点3-5mm，将该区域面片数据保存命名为“基托”；利用软件中“抽壳”工具赋予该面片数据实体厚度为2mm；

E. 设计矫治器中“桥体”部件数据：在Magic逆向工程软件中同时打开“鼻撑”与“基托”文件，单击系统选择“合并”选项将二者合并生成同一个坐标系模型文件；利用Magic软件中“桥架设计”工具设计出“⌒”拱桥性连接结构：一端与“鼻撑”部件的几何中心区域相连，另一端与“基托”部件的下边界相连；“⌒”拱桥性连接结构宽度设计为5mm，并利用软件中“抽壳”工具赋予其实体厚度为2mm；“鼻撑”、“桥体”、“基托”三个部件共同构成数字化制备的外鼻矫治器模型；

所述的建造实体模型鼻撑、桥体、基托包括如下步骤：

A．自动分层离散模型文件形成分层加工文件：通过Magic逆向工程软件将步骤3）中得到“鼻撑”、“基托”和“桥体”的部件数据文件合并，命名为“数字化外鼻矫治器”文件，以. Stl格式导出存盘，将“数字化外鼻矫治器”. stl文件导入Magic逆向工程软件中进行切片，运行Magics软件，打开machine setup命令， 导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数设置为：Z轴方向放大0.5%，切片层厚=0.15mm，刀具补偿=0.1，切片完成后自动以.cli格式存储；

运行Arps2000 V4激光扫描路径与优化软件，分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出“数字化外鼻矫治器”.afi格式的RP机器代码文件；

加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；

B．自动分层堆积加工出外鼻矫治器实体模型：开启AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件，输入“数字化外鼻矫治器”的.afi文件，加工工艺参数设置为：扫描半径（In）=17.32；激光功率按百分比：内部激光功率=28，外部激光功率=18，支撑功率=14；温度曲线设置：预铺粉50层，温度115℃，加工温度119-100℃，加工后铺粉30层，温度100℃，最终温度50℃，温度误差2℃；温控表参数：OPL为9，OPH为65；激光光斑直径为0.3mm；打开各项开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的“数字化外鼻矫治器”原型件，清除多余粉末，试件加工完成；

将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷“数字化外鼻矫治器”原型件使其充分浸透，静置4-6小时；

40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的实体模型鼻撑、桥体和基托。