CN107680163B - 一种个性化3d优化结构内固定板的制作方法及内固定板 - Google Patents

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Abstract

一种个性化3D优化结构内固定板的制作方法，以患者自身数据为基础构建下颌骨生物力学模型，利用拓扑优化方法设计满足不同咬合方式下的强度要求而且体积最小化的具有3D形状和优化结构的个性化内固定板。以及提供一种内固定板，根据患者下颌骨模型制作的个性化内固定板，3D优化结构内固定板呈“V”型结构，包含用于修复骨折处的两根分支板，分支板上沿着连接板的走向分布若干用于安装固定连接板的安装通孔，两根分支板分别分布在下颌骨的拉应力区域和压应力区域，分支板均与待修复下颌骨待修复外表面贴合，分支板通过螺钉与待修复下颌骨固接。本发明能够满足下颌骨在不同咬合方式下的强度要求并与患者骨表面良好贴合。

Description

一种个性化3D优化结构内固定板的制作方法及内固定板
技术领域
本发明涉及下颌骨骨折修复技术领域，尤其是一种用于下颌骨骨折修复的具有三维(3D)形状和优化结构的内固定板的制作方法及内固定板。
背景技术
下颌骨位于人体颌面部下方，通过颞下颌关节以及下颌骨肌肉群与颅颌骨相连，也是唯一能活动的面部骨骼，因此在受到意外冲击时非常容易骨折，其骨折发生率占颌面骨折发生率的72％。另外，下颌骨的生理结构决定了不同区域骨折发生率的不同，根据大量临床研究数据统计，髁突颈，下颌角和下颌体是三大骨折易发区域。由于下颌骨骨折会破坏肌肉平衡关系，造成颌骨移位，咬合紊乱等问题，不仅严重影响了患者生活质量，还会给患者造成一定的心理创伤，因此必须得到及时治疗。
现有的下颌骨骨折治疗主要包括复位和固定，其目的在于重建正确的咬合关系，并尽快恢复完整的下颌骨功能。下颌骨骨折复位固定方法包括手法复位、颌间牵引或颅颌牵引等非开放式的保守治疗，也可以通过手术进行开放式复位固定。开放式治疗需要通过外科手术打开皮肤及肌肉等软组织，暴露出骨折部位，将各骨段进行正确复位后，利用多孔固定钛板和一组螺钉(以下统称固定系统)固定，待术后六个月左右骨折部位愈合后通过二次手术取出固定系统。开放式复位方法中，由于坚强内固定(Rigid Internal Fixation,RIF)方法能够使患者获得稳定的下颌骨，治愈率高，术后能即刻恢复部分咬合功能且不影响患者的外部美观，所以该方法已经成为治疗下颌骨骨折的首选和标准方法。
目前用于RIF手术的内固定板有小型版，微型板和重建板，但这些板只有标准的二维形状，在手术过程中需要医生依据临床诊断和治疗经验，使用弯制工具根据患者的骨骼形状对固定板进行现场弯制，使其贴合到下颌骨表面从而使下颌骨达到复位并稳定的目的。这一过程不仅延长了手术时间，而且无法完全保证固定螺钉不伤及牙根、下颌神经管等重要解剖位置，而进一步研究发现有些病例在术后恢复期间会出现钛板断裂，钛钉松动等问题造成手术失败。
拓扑优化的概念最早由Michell在桁架理论中提出，他在1984年首次进行了应力约束下最小重量桁架的基本拓扑分析，而这种方法后来也成为验证其他优化方法的可靠标准之一。拓扑优化方法会在满足结构刚度的前提下，在结构不受力和受力较小的地方减少材料，达到优化结构的目的。目前，拓扑优化方法已经广泛应用于各个领域，比如飞机的机构设计、桥梁的结构设计。近年来，拓扑优化已经逐步运用于口腔医疗方面，例如将拓扑优化方法运用到植入体的设计，使其到达一定强度的同时体积最小，减少了对患者的伤害，增加了手术成功率。
如果能够以患者自身数据为基础构建下颌骨生物力学模型，利用拓扑优化方法设计满足不同咬合方式下的强度要求而且体积最小化的具有3D形状和优化结构的个性化内固定板，并充分利用金属立体打印的高效率，将可以为下颌骨骨折提供更稳定的愈合环境和更有效的治疗方案。
发明内容
为了解决现有下颌骨骨折坚强内固定治疗中医生只能依据经验选用二维固定系统、不能保证其与患者骨骼良好贴合、无法保证内固定系统在不同咬合力下的强度及稳定性的不足，本发明提出一种能够满足下颌骨在不同咬合方式下的强度要求并与患者骨表面良好贴合的个性化3D优化结构内固定板的制作方法及内固定板。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种个性化3D优化结构内固定板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.构建患者下颌骨的生物力学模型，过程如下：
1.1)对患者进行计算机断层扫描，获得其CT数据，利用医学图像处理软件进行医学图像处理和模型重建，得到其三维表面模型，然后利用网格处理软件生成实体网格模型；
1.2)在医学图像处理软件中，基于实体网格模型，根据CT图像的灰度值与骨密度的关系函数，计算出下颌骨不同区域的骨密度值，再根据骨密度与杨氏模量的关系函数计算出各体素的杨氏模量，完成下颌骨实体网格模型的材料参数赋值，从而得到非均匀的下颌骨模型；
1.3)将下颌骨的升颌肌群简化为一维拉伸弹簧，弹簧刚度值根据肌电检测数据或文献资料中的参数确定，弹簧连接点为肌肉在下颌骨附着面积的中心点，并指向颅颌骨上的连接点；
1.4)对两个髁突的后上部单元的六个自由度施加相应的边界约束，得到下颌骨的生物力学模型；
步骤2.利用造型软件设计小型钛板内固定系统，并得到其四面体模型；
步骤3.在有限元仿真软件中，将四面体内固定钛板模型与上述的下颌骨生物力学模型进行装配，钛钉与下颌骨绑定接触，钛板与钛钉绑定接触；
步骤4.在下颌骨不同牙位加载正常咬合力，并进行有限元仿真，分别得到下颌骨和内固定系统的最大绝对主应力分布，并记录最大应力值；
步骤5.利用拓扑优化方法设计3D优化结构内固定板：
5.1)在网格处理软件中，提取下颌骨表面，生成厚为2mm的薄板模型，并对薄板的边缘进行适当修剪和光滑处理；
5.2)在网格处理软件中，生成薄板的体网格模型；
5.3)将赋有材料属性的患者下颌骨实体网格模型和薄板实体网格模型一起导入有限元仿真软件中，设置优化目标为体积最小化，并设置三种不同区域的咬合情况，设置优化约束条件为三种不同咬合情况下的最大应力值分别小于步骤4中记录的最大应力值，将薄板与下颌骨的绑定区域冻结，利用有限元仿真软件的拓扑优化功能进行优化，得到固定板的初始优化形状；
5.4)将拓扑优化得到的固定板导出到网格处理软件中修整，得到固定板的3D优化形状模型，并在该固定板3D优化形状模型上，根据下颌骨解剖结构，考虑避开牙根、下颌神经管重要解剖结构，确定螺钉的安装位置和数目，并设计出一套完整的3D优化结构内固定系统；
步骤6.用与步骤4相同的加载方式对3D优化结构内固定系统修复下颌骨骨折进行有限元仿真，根据得到的下颌骨和固定系统的应力分布和应力值，评价该固定系统是否满足治疗要求，如果满足要求，则进入步骤7，如果不满足，则返回步骤5重新进行优化设计，直到最终的3D优化结构内固定板满足要求；
步骤7.利用金属立体打印SLM对钛合金粉末进行立体打印，得到3D优化结构内固定板实体；
步骤8.对3D优化结构内固定板进行后处理，得到应用于临床的3D优化结构内固定板。
一种内固定板，所述内固定板是根据患者下颌骨模型制作的个性化内固定板，所述的3D优化结构内固定板呈“V”型结构，包含用于修复骨折处的两根分支板，所述的分支板上沿着连接板的走向分布若干用于安装固定连接板的安装通孔，所述的两根分支板分别分布在下颌骨的拉应力区域和压应力区域，所述的分支板均与待修复下颌骨待修复外表面贴合，所述的分支板通过螺钉与待修复下颌骨固接。
进一步，所述的分支板是一体成型，所述的分支板上均匀分布若干用于固定下颌骨的安装通孔。
再进一步，所述的分支板通过螺钉固定在下颌骨骨折两侧。
本发明的有益效果主要表现在：与标准二维固定系统相比，个性化3D优化结构内固定系统不仅可以使固定板与患者下颌骨表面更精确匹配，减少了手术弯制钛板的时间，而且该3D优化结构在满足了不同咬合情况下的强度要求的同时做到了体积最小化，减少了手术感染几率。
附图说明
图1是本发明的患者下颌骨生物力学模型简化图，其中，1是下颌骨，11、12、16和18分别是颞肌、翼内肌、咬肌和翼外肌附着区，13、14和15分别是健侧磨牙、前牙和患侧磨牙加载区，17是髁突，也是有限元的边界固定区域。
图2是本发明的常用内固定系统治疗下颌角骨折的简化示意图，其中，21是第一块小型钛板，22是第二快小型钛板，23是固定螺钉。
图3是本发明的利用拓扑优化方法设计个性化3D优化结构内固定板的流程图。
图4是本发明的提取下颌骨表面生成2mm薄板的示意图，其中，3是2mm薄板。
图5是本发明的修整边缘后的薄板示意图，用4表示。
图6是本发明的拓扑优化过程的薄板实体模型，用5表示，51是冻结单元。
图7是本发明的拓扑优化后的内固定板初始优化模型，表示为6。
图8是本发明的最终的个性化3D优化结构内固定板，表示为7，其中，71是安装通孔。
图9是本发明的3D优化结构内固定系统治疗下颌角骨折的示意图，其中，72是内固定系统中的螺钉，19是下颌神经管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图9，一种个性化3D优化结构内固定板的制作方法，用于下颌骨骨折修复，包括以下步骤：
步骤1.构建患者下颌骨的生物力学模型，如图1，其中，1是下颌骨：
1.1)对患者进行计算机断层扫描，获得其CT数据，利用医学图像处理软件如Mimics，进行医学图像处理和模型重建，得到其三维表面模型(三角网格)，然后利用网格处理软件如3-matic，生成实体网格模型(四面体网格)；
1.2)在医学图像处理软件如Mimics中，基于实体网格模型，根据CT图像的灰度值与骨密度的关系函数，计算出下颌骨不同区域的骨密度值，再根据骨密度与杨氏模量的关系函数计算出各体素的杨氏模量，完成下颌骨实体网格模型的材料参数赋值，从而得到非均匀的下颌骨模型；
1.3)将下颌骨的升颌肌群(咬肌、翼内肌、翼外肌、颞肌)简化为一维拉伸弹簧，弹簧刚度值根据肌电检测数据或文献资料中的参数确定，弹簧连接点为肌肉在下颌骨附着面积(颞肌11、翼内肌12、咬肌16、翼外肌18)的中心点，并指向颅颌骨上的连接点；
1.4)对两个髁突17的后上部单元的六个自由度施加相应的边界约束，得到下颌骨的生物力学模型；
步骤2.利用造型软件如3-matic，设计常用的小型钛板内固定系统(包含钛板21、22和螺钉23)，并得到其四面体模型；
步骤3.在有限元仿真软件如Abaqus中，将四面体内固定钛板模型与上述的下颌骨生物力学模型进行装配如图2，钛钉与下颌骨绑定接触，钛板与钛钉绑定接触；
步骤4.在下颌骨不同牙位(前牙区14、磨牙区13、15)加载正常咬合力，并进行有限元仿真，分别得到下颌骨和内固定系统的最大绝对主应力分布，并记录最大应力值；
步骤5.利用拓扑优化方法设计个性化3D优化结构内固定板，其流程图如图3所示：
5.1)在网格处理软件如Geomagic Studio软件中，提取下颌骨表面(坚强内固定法修复时会覆盖到的下颌骨区域)，生成厚为2mm的薄板模型3，并对薄板的边缘进行适当修剪和光滑处理，得到薄板模型4；
5.2)在网格处理软件如3-matic中，生成薄板的体网格模型5；
5.3)将赋有材料属性的患者下颌骨实体网格模型和薄板实体网格模型一起导入有限元仿真软件如Abaqus中，设置优化目标为体积最小化，并设置三种不同区域的咬合情况，设置优化约束条件为三种不同咬合情况下的最大应力值分别小于步骤4中记录的最大应力值(该值也可以设定为钛板的应力极限值)，将薄板与下颌骨的绑定区域51冻结，利用有限元仿真软件如Abaqus的拓扑优化功能进行优化，得到固定板的初始优化形状6；
5.4)将拓扑优化得到的固定板导出到网格处理软件如3-matic中修整，得到固定板的3D优化形状模型，并在该固定板3D优化形状模型上，根据下颌骨解剖结构，考虑避开牙根、下颌神经管19等重要解剖结构，确定螺钉的安装位置和数目，并设计出一套完整的3D优化结构内固定系统(内固定板7和螺钉72)；
步骤6.用与步骤4相同的加载方式对3D优化结构内固定系统修复下颌骨骨折(图9)进行有限元仿真，根据得到的下颌骨和固定系统的应力分布和应力值，评价该固定系统是否满足治疗要求，如果满足要求，则进入步骤7，如果不满足，则返回步骤5重新进行优化设计，直到最终的3D优化结构内固定板满足要求；
步骤7.利用金属立体打印SLM对钛合金粉末进行立体打印，得到3D优化结构内固定板实体；
步骤8.对3D优化结构内固定板进行抛光等后处理，得到应用于临床的3D优化结构内固定板。
一种内固定板，根据患者下颌骨模型制作的个性化内固定板，经过优化处理后，所述的3D优化结构内固定板不仅满足了不同咬合情况下的强度要求，还能保证体积最小化，节约了材料并减轻了感染风险。
以下颌角骨折为例，所述的3D优化结构内固定板呈“V”型结构，包含用于修复骨折处的两根分支板，所述的分支板上沿着连接板的走向分布若干用于安装固定连接板的安装通孔71，所述的两根分支板分别分布在下颌骨的拉应力区域和压应力区域，所述的分支板均与待修复下颌骨待修复外表面贴合，所述的分支板通过螺钉72与待修复下颌骨1固接。
所述的分支板之间都是一体成型，板上均匀分布若干用于固定下颌骨的安装通孔71。
所述的分支板通过螺钉72固定在下颌骨骨折两侧，并且避开了下颌神经管19等重要解剖结构。
使用时，将3D优化结构内固定板贴合在下颌骨骨折处，使得整个内固定板同时分布在骨折段上，再通过螺钉将3D优化结构内固定板固定在下颌骨表面即可。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种个性化3D优化结构内固定板的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.构建患者下颌骨的生物力学模型，过程如下：
1.1)对患者进行计算机断层扫描，获得其CT数据，利用医学图像处理软件进行医学图像处理和模型重建，得到其三维表面模型，然后利用网格处理软件生成实体网格模型；
1.2)在医学图像处理软件中，基于实体网格模型，根据CT图像的灰度值与骨密度的关系函数，计算出下颌骨不同区域的骨密度值，再根据骨密度与杨氏模量的关系函数计算出各体素的杨氏模量，完成下颌骨实体网格模型的材料参数赋值，从而得到非均匀的下颌骨模型；
1.3)将下颌骨的升颌肌群简化为一维拉伸弹簧，弹簧刚度值根据肌电检测数据或文献资料中的参数确定，弹簧连接点为肌肉在下颌骨附着面积的中心点，并指向颅颌骨上的连接点；
1.4)对两个髁突的后上部单元的六个自由度施加相应的边界约束，得到下颌骨的生物力学模型；
步骤2.利用造型软件设计小型钛板内固定系统，并得到其四面体模型；
步骤3.在有限元仿真软件中，将四面体内固定钛板模型与上述的下颌骨生物力学模型进行装配，钛钉与下颌骨绑定接触，钛板与钛钉绑定接触；
步骤4.在下颌骨不同牙位加载正常咬合力，并进行有限元仿真，分别得到下颌骨和内固定系统的最大绝对主应力分布，并记录最大应力值；
步骤5.利用拓扑优化方法设计3D优化结构内固定板：
5.1)在网格处理软件中，提取下颌骨表面，生成厚为2mm的薄板模型，并对薄板的边缘进行适当修剪和光滑处理；
5.2)在网格处理软件中，生成薄板的体网格模型；
5.3)将赋有材料属性的患者下颌骨实体网格模型和薄板实体网格模型一起导入有限元仿真软件中，设置优化目标为体积最小化，并设置三种不同区域的咬合情况，设置优化约束条件为三种不同咬合情况下的最大应力值分别小于步骤4中记录的最大应力值，将薄板与下颌骨的绑定区域冻结，利用有限元仿真软件的拓扑优化功能进行优化，得到固定板的初始优化形状；
5.4)将拓扑优化得到的固定板导出到网格处理软件中修整，得到固定板的3D优化形状模型，并在该固定板3D优化形状模型上，根据下颌骨解剖结构，考虑避开牙根、下颌神经管重要解剖结构，确定螺钉的安装位置和数目，并设计出一套完整的3D优化结构内固定系统；
步骤6.用与步骤4相同的加载方式对3D优化结构内固定系统修复下颌骨骨折进行有限元仿真，根据得到的下颌骨和固定系统的应力分布和应力值，评价该固定系统是否满足治疗要求，如果满足要求，则进入步骤7，如果不满足，则返回步骤5重新进行优化设计，直到最终的3D优化结构内固定板满足要求；
步骤7.利用金属立体打印SLM对钛合金粉末进行立体打印，得到3D优化结构内固定板实体；
步骤8.对3D优化结构内固定板进行后处理，得到应用于临床的3D优化结构内固定板。
2.一种如权利要求1所述的个性化3D优化结构内固定板的制作方法制作的内固定板，其特征在于：所述内固定板是根据患者下颌骨模型制作的个性化内固定板，所述的3D优化结构内固定板呈“V”型结构，包含用于修复骨折处的两根分支板，所述的分支板上沿着连接板的走向分布若干用于安装固定连接板的安装通孔，所述的两根分支板分别分布在下颌骨的拉应力区域和压应力区域，所述的分支板均与待修复下颌骨待修复外表面贴合，所述的分支板通过螺钉与待修复下颌骨固接。
3.如权利要求2所述的内固定板，其特征在于：所述的分支板是一体成型，所述的分支板上均匀分布若干用于固定下颌骨的安装通孔。
4.如权利要求2所述的内固定板，其特征在于：所述的分支板通过螺钉固定在下颌骨骨折两侧。
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