CN109806016A - 一种骨粉种植体外模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及实验模型领域，特别是涉及一种骨粉种植体外模拟装置。本发明提供一种骨粉种植体外模拟装置，包括模型本体、第一压实件和第二压实件。本发明发明人利用体外模型，并以模型中植入骨粉的体积、形态作为金标准，从而提供了一种骨粉种植体外模型构建方法。
Description
技术领域
本发明涉及实验模型领域，特别是涉及一种骨粉种植体外模拟装置，并进一步提供了用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法。
背景技术
现代口腔种植技术是牙列缺损/失的首选治疗方案。近年，前牙美学区域的种植牙需求与日俱增,与传统功能性修复为导向的种植牙不同，美学区种植在保证良好咀嚼功能的前提下，提出了更高的、疗效稳定的、可预期的美学要求。要想获得美学区域种植牙的成功，必须重建该区域和谐的适当尺寸的红白美学结构。但是在美学区域，缺牙位点往往存在不同程度的骨量不足，唇侧骨板水平吸收临床中非常多见。为保证种植修复的成功，在种植体的唇颊侧和舌腭侧必须保留l mm以上的骨量，这极大地限制了前牙区的种植修复，种植体植入后往往会出现唇侧骨板的裂开性骨缺损，骨再生技术(Guided Bone Regeneration,GBR)是解决这种种植体周围骨缺损的有效方法。近年来，GBR在临床骨缺损牙种植方面得到了广泛的应用，大大提高了种植的成功率，扩大了种植的适应证。
在植牙手术中，当牙槽骨骨量不足时，需在植牙前填充骨粉，以加强其稳定性。为评估骨粉吸收效果，需要利用CBCT影像数据，三维重建术中、术后24周骨粉，以分析骨粉体积变化、形态变化。为了更准确的分割出骨粉，需要对已有的医学图像分割算法进行评价，以选择合适的分割算法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种骨粉种植体外模拟装置，并进一步提供了用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种骨粉种植体外模拟装置，包括模型本体、第一压实件和第二压实件；
所述模型本体包括软组织模拟基底，所述软组织模拟基底上设有骨粉容置槽，所述骨粉容置槽中设有沿骨粉容置槽高度方向延伸的皮质骨模拟管，所述皮质骨模拟管中设有种植体，所述种植体的外径与皮质骨模拟管的内径相配合，所述皮质骨模拟管四周填充有骨粉，皮质骨模拟管的管口低于骨粉容置槽的槽口；
所述第一压实件包括压头件和握持部，所述压头件的形状与骨粉容置槽相配合，所述压头件与骨粉的接触面为平面，所述压头件上设有开口位于压头件与骨粉的接触面的种植体容纳槽，所述压头件的侧面设有标记线；
所述第二压实件包括定位件和砝码平台，所述定位件和砝码平台之间设有连接件，所述定位件的形状与骨粉容置槽相配合，所述定位件与骨粉的接触面为平面。
本发明一些实施方式中，所软组织模拟基底的材质为光敏树脂，所述皮质模拟管的材料为3D打印peek材料。
本发明一些实施方式中，所述骨粉容置槽的高度为12.2～12.4mm，所述骨粉容置槽为圆柱形。
本发明一些实施方式中，所述皮质骨模拟管的内腔高度为10.4～10.6mm，所述皮质骨模拟管为圆柱形。
本发明一些实施方式中，所述皮质骨模拟管的管口低于骨粉容置槽的槽口1.7～1.9mm。
本发明一些实施方式中，所述种植体的外径与皮质骨模拟管的内径相配合，所述种植体的外露端与骨粉容置槽的槽口齐平。
本发明一些实施方式中，所述压头件为圆柱形，所述压头件的外径为11.6～11.8mm。
本发明一些实施方式中，所述定位件为圆柱形，所述定位件的外径为11.6～11.8mm。
本发明另一方面提供一种骨粉种植体外模型构建方法，使用所述的骨粉种植体外模拟装置，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置。
本发明另一方面提供用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法，使用所述的骨粉种植体外模拟装置，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置；
获取模拟装置的CBCT影像数据；
根据CBCT影像数据计算骨粉信息数据；
将骨粉实际参数与算法计算获得的骨粉信息数据进行对比。
本发明一些实施方式中，第二压实件对骨粉容置槽进行压实时，施加的力为恒定的，更优选的，施加的力为0.97～0.99N。
附图说明
图1显示为本发明的骨粉种植体外模拟装置结构示意图。
图2显示为本发明的第一压实件结构示意图。
图3显示为本发明的第二压实件结构示意图。
元件标号说明
1 软组织模拟基底
11 骨粉容置槽
12 皮质骨模拟管
13 种植体
14 骨粉
15 软组织模拟基底
2 第一压实件
21 压头件
22 握持部
23 种植体容纳槽
24 标记线
3 第二压实件
31 定位件
32 砝码平台
33 连接件
具体实施方式
本发明发明人通过特定的模型设计，以模型中植入骨粉的体积、形态作为评估分割算法的金标准，从而提供了一种骨粉种植体外模拟装置，并进一步提供了用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法，在此基础上完成了本发明。
本发明第一方面提供一种骨粉种植体外模拟装置，参见图1～图3，包括模型本体、第一压实件和第二压实件。
参见图1，所述模型本体包括软组织模拟基底1，所述软组织模拟基底1上设有骨粉容置槽，所述骨粉容置槽中设有沿骨粉容置槽高度方向延伸的皮质骨模拟管12，所述皮质骨模拟管12中设有种植体13，所述种植体13的外径与皮质骨模拟管12的内径相配合，所述皮质骨模拟管12四周填充有骨粉14，皮质骨模拟管12的管口低于骨粉容置槽11的槽口；
参见图2，所述第一压实件包括压头件21和握持部22，所述压头件21的形状与骨粉容置槽11相配合，所述压头件21与骨粉14的接触面为平面，所述压头件21上设有开口位于压头件21与骨粉14的接触面的种植体容纳槽23，所述压头件21的侧面设有标记线24；
参见图3，所述第二压实件3包括定位31件和砝码平台32，所述定位件31和砝码平台32之间设有连接件33，所述定位件31的形状与骨粉容置槽11相配合，所述定位件31与骨粉14的接触面为平面。
所述骨粉种植体外模拟装置使用时，可以通过第一压实件2对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉14进行压实，将骨粉14压至低于种植体13端面1.7～1.9mm，再通过第二压实件3对骨粉容置槽11进行压实，静置后，可以获取模拟装置的CBCT影像数据。随后，可以根据所获得的CBCT影像数据，计算骨粉信息数据(例如，可以通过形态学图像插值、阈值填充、逐层手绘等方法，再例如，骨粉信息数据可以是体积、形态等数据)，再将骨粉实际参数与算法计算获得的骨粉信息数据进行对比，以确定算法的计算结果是否接近于骨粉实际参数，从而评估算法的精确度。
本发明所提供的骨粉种植体外模拟装置中，可以包括模型本体，所述模型包括软组织模拟基底1，所述软组织模拟基底1通常可以是圆柱体，其材质可以是包括但不限于光敏树脂中的一种或多种的组合，所述光敏树脂的材质通常与软组织相配合，例如，所述光敏树脂的CT值通常可以与软组织相似，从而可以用于模拟软组织，所述软组织模拟基底1的内径可以为11.9～12.0mm，所述CT值通常是测定人体某一局部组织或器官密度大小的一种计量单位，也称为亨氏单位(hounsfieldunit,HU)，通常来说，空气可以为-1000，致密骨可以为1000。所述软组织模拟基底1上设有骨粉容置槽，所述骨粉容置槽11通常可以沿软组织模拟基底1高度方向(即软组织模拟基底1轴线方向)延伸，从而可以提供用于模拟骨粉种植的空间，骨粉容置槽11可以为圆柱形，优选为与软组织模拟基底1同心，所述骨粉容置槽11的高度可以为12.2～12.4mm，内径可以为5.5～5.7mm。所述骨粉容置槽11中设有沿骨粉容置槽11高度方向(即骨粉容置槽轴线方向)延伸的皮质骨模拟管12，从而可以提供用于容纳种植体13的空间，且可以在皮质骨模拟管12四周设置骨粉，所述种植体13外露端(即种植体13露于皮质骨模拟管12之外的一端)通常为种植体13的头部，种植体13的头部的最大外径可以大于皮质骨模拟管12的内径。所述皮质骨模拟管12可以为圆柱形，优选为与骨粉容置槽11同心，所述皮质骨模拟管12的内腔高度为10.4～10.6mm，内径可以为4.55～4.65mm，管壁厚度可以为0.45～0.55mm，所述皮质骨模拟管12的材质可以与皮质骨相配合，例如，所述皮质骨模拟管12的CT值通常与皮质骨相似，所述皮质骨模拟管12为3D打印peek材料，更具体可以是3D打印peek管，所述种植体13的外径与皮质骨模拟管12的内径相配合。所述皮质骨模拟管12的管口通常低于骨粉容置槽11的槽口，例如，皮质骨模拟管12的管口可以低于骨粉容置槽11的槽口1.7～1.9mm，所述种植体13的外露端与骨粉容置槽11的槽口齐平，从而可以在第一压实件2对骨粉种植体13外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉14压至低于种植体13端面一定距离。
本发明所提供的骨粉种植体外模拟装置中，还可以包括第一压实件2，所述压实件2可以包括压头件21和握持部22，压头件21和握持部22互相连接，从而可以通过握持部22将力传给压头件21，对骨粉14进行压实。所述压头件21的形状通常与骨粉容置槽11相配合，例如，所述压头件21通常为圆柱形，所述压头件21的外径可以为11.6～11.8mm，压头件21的外径通常略小于骨粉容置槽11的内径，从而可以将压头件21伸入骨粉容置槽11内。所述压头件21与骨粉14的接触面为平面，从而可以将骨粉14的上表面平整地压实。所述压头件21上设有开口位于压头件21与骨粉14的接触面的种植体容纳槽23，种植体容纳槽23的形状和位置通常与种植体13相配合，种植体容纳槽23的延伸方向通常可以为压头件21的高度方向(即压头件的轴线方向)，例如，种植体容纳槽23通常为圆柱形，内径可以为4.5～4.7mm，高度可以为10.4～10.6mm，从而可以在压实时，使种植体13的外露端位于种植体容纳槽23内。所述压头件21的侧面设有标记线24，从而可以在压实时确定压头件21伸入骨粉容置槽11的距离。
本发明所提供的骨粉种植体外模拟装置中，还可以包括第二压实件3，所述第二压实件3可以包括定位件31和砝码平台32，所述定位件31和砝码平台32之间设有连接件33，从而可以将砝码平台32上所承受的力通过连接件传递给定位件31，对骨粉14进行压实。所述定位件31的形状通常与骨粉容置槽11相配合，例如，所述定位件31通常为圆柱形，所述定位件31的外径可以为11.7～11.9mm，定位件31的外径通常略小于骨粉容置槽11的内径，从而可以将定位件伸入骨粉容置槽11内。所述定位件31与骨粉14的接触面为平面，从而可以将种植体13适当下压入软组织模拟基底1中，种植体13的上表面不低于骨粉上表面，优选的，种植体13上表面高于骨粉上表面1.7～1.9mm。
本发明第二方面提供一种骨粉种植体外模型构建方法，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置。
本发明所提供的评估方法中，可以通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm，再通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置后，可以获取骨粉种植体外模型。
本发明第三方面提供用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法，使用本发明第一方面所提供的骨粉种植体外模拟装置，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置；
获取模拟装置的CBCT影像数据；
根据CBCT影像数据计算骨粉信息数据；
将骨粉实际参数与算法计算获得的骨粉信息数据进行对比。
本发明所提供的评估方法中，第二压实件对骨粉容置槽进行压实时，施加的力通常是恒定的，更优选的，施加的力为0.97～0.99N，从而可以保持静止状态，。
本发明所提供的评估方法中，可以通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm，再通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置后，可以获取模拟装置的CBCT影像数据。随后，可以根据所获得的CBCT影像数据，计算骨粉信息数据，再将骨粉实际参数与算法计算获得的骨粉信息数据进行对比，以确定算法的计算结果是否接近于骨粉实际参数，从而评估算法的精确度。
由于医学图像在获取过程中，真实信息会存在不同程度的丢失，导致图像分割出的结果无法反映填充骨粉的真实体积和形态。本发明发明人利用体外模型，并以模型中植入骨粉的体积、形态作为评估分割算法的金标准，从而提供了一种骨粉种植体外模型构建方法。该骨粉种植体外模型构建方法可以分析临床情况下牙槽骨、骨粉、种植体、软组织的空间位置关系，以及临床情况下植入的骨粉体积，从而可以进一步通过3D建模工程软件，设计反映临床情况的骨粉体外模型及相关工具，以获得不同材料打印的体外模型中的不同部件，并进一步提供了用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
模拟临床的体外模型构建：
软组织采用3D打印光敏树脂，骨粉填充区域采用填充骨粉(海奥骨粉型号：ZB-KL-0.25-A)，皮质骨采用3D打印peek薄管，种植体区域采用士卓曼美学种植体。
以外径为20mm，内径为12mm，高为18mm的同心圆柱为软组织；外径为12mm，内径为5.6mm，高为10.5mm的同心圆柱为骨粉填充区域；以外径为5.6mm，内径为4.6mm，高为10.5mm的同心圆柱为皮质骨；以直径为4.6mm，高为10.5mm的圆柱为种植体区域(参见图1)。本模型分别采用光敏树脂、peek材料进行3D打印，打印误差为0.1％。
根据实验中所选的种植体型号，植入骨粉平面与种植面粗糙面(种植体边上没有螺纹的部分)平行，骨粉平面低于种植体平面1.8mm。
1)使用第一骨粉压实器(参见图2)，对骨粉进行压实。该工具可将骨粉向下压入，并在距离压实器底部1.8mm处有一圈红色标记。使用该工具将骨粉压实，至该红圈与外同心圆上表面平行
2)使用第二骨粉压实器(参见图3)，将其压至骨粉上。将100g标准不锈钢砝码放至该骨粉压实器上，在不施加其他外力的基础上，静置约10分钟。
拍摄本体外模型的CBCT数据，将获取的体外模型的DICOM数据导入医学三维重建软件(本实例采用Medraw医学工作站)，分别使用逐层手绘、形态学插值、阈值填充等算法(不同三维重建软件中，算法不一样，本实例中仅列举Medraw医学工作站中所用三种算法，形态学插值：《AMorphology-Based Approach for Interslice Interpolation ofAnatomical Slices From Volumetric Images》，逐层手绘：逐层手绘即人工手动分割，阈值填充：《基于阈值的图像分割算法研究》张东生东北石油大学)对骨粉区域进行三维重建。记录使用不同算法重建出的骨粉的体积和形态匹配度(将重建骨粉与设计的骨粉，进行配准，计算匹配度)，参照骨粉实际参数928.44mm3(π取3.14)，骨粉形态：外径12mm，内径5.6mm，高10.5mm，进而评估不同算法的准确性，具体结果如下：
使用逐层手绘获取的骨粉体积平均值828.18mm3
使用形态学插值获取的骨粉体积平均值889.01mm3
使用阈值填充获取的骨粉体积平均值728.23mm3
从上文中提供的数据可知，对于各种算法来说，形态学插值具有更高的准确性。
实施例2
验证实验：
使用设计的骨粉填充导板，实行种植修复技术，拍摄患者术后CBCT数据，分别使用逐层手绘、阈值填充、形态学插值重建骨粉区域，具体步骤如下：
实施例为动物试验(猪头实验)
1.使用环钻在猪下颌骨不同部位钻取直径为4mm、6mm、7mm，深度均为10mm的三个圆柱。并分别在距离圆柱2mm处植入种植体，将骨粉填充入3个圆柱中，进行压实。
2.拍摄植入骨粉、种植体的猪头CBCT数据。
3.使用medraw工作站，读取CBCT数据，并分别使用逐层手绘，形态学插值、阈值填充重建这三组数据中的骨粉(由两名技术人员对数据进行测量，对每个数据使用三种方法各测量五次并取平均值)。
对重建结果进行评估，具体结果如下：
在本动物实验中设计的骨粉体积分别为：125.6mm3、282.6mm3、384.65mm3
1.使用形态学插值的实际结果：
115.5mm3、264.51mm3、369.26mm3
体积匹配度为94.5％
2.使用逐层手绘的实际结果：
106.76mm3、240.21mm3、357.72mm3
体积匹配度为88％
3.在动物实验中，骨粉与猪下颌骨无法通过阈值划分区分出边界，因此无法顺利分割。
由上文数据可知，使用形态学插值算法可以更准确地重建骨粉区域。
从上文中可知，通过形态学插值算法可以更准确地重建骨粉区域，与上文的模拟验证结果一致。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种骨粉种植体外模拟装置，其特征在于，包括模型本体、第一压实件(2)和第二压实件(3)；
所述模型本体包括软组织模拟基底(1)，所述软组织模拟基底(1)上设有骨粉容置槽(11)，所述骨粉容置槽(11)中设有沿骨粉容置槽(11)高度方向延伸的皮质骨模拟管(12)，所述皮质骨模拟管(12)中设有种植体(13)，所述种植体(13)的外径与皮质骨模拟管(12)的内径相配合，所述皮质骨模拟管(12)四周填充有骨粉，皮质骨模拟管(12)的管口低于骨粉容置槽(11)的槽口；
所述第一压实件(2)包括压头件(21)和握持部(22)，所述压头件(21)的形状与骨粉容置槽(11)相配合，所述压头件(21)与骨粉的接触面为平面，所述压头件(21)上设有开口位于压头件(21)与骨粉的接触面的种植体容纳槽，所述压头件(21)的侧面设有标记线(24)；
所述第二压实件(3)包括定位件(31)和砝码平台(32)，所述定位件(31)和砝码平台(32)之间设有连接件(33)，所述定位件(31)的形状与骨粉容置槽(11)相配合，所述定位件(31)与骨粉的接触面为平面。
2.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所软组织模拟基底(1)的材质为光敏树脂，所述皮质骨模拟管(12)的材料为3D打印peek材料。
3.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述骨粉容置槽(11)的高度为12.2～12.4mm，所述骨粉容置槽(11)为圆柱形。
4.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述皮质骨模拟管(12)的内腔高度为10.4～10.6mm，所述皮质骨模拟管(12)为圆柱形。
5.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述皮质骨模拟管(12)的管口低于骨粉容置槽(11)的槽口1.7～1.9mm。
6.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述种植体(13)的外径与皮质骨模拟管(12)的内径相配合，所述种植体(13)的外露端与骨粉容置槽(11)的槽口齐平。
7.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述压头件(21)为圆柱形，所述压头件(21)的外径为11.6～11.8mm。
8.如权利要求1所述的一种骨粉种植体外模拟模型，其特征在于，所述定位件(31)为圆柱形，所述定位件(31)的外径为11.6～11.8mm。
9.一种骨粉种植体外模型构建方法，使用如权利要求1～8任一权利要求所述的骨粉种植体外模拟装置，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置。
10.用于三维重建骨粉的医学图像分割算法的评估方法，使用如权利要求1～8任一权利要求所述的骨粉种植体外模拟装置，包括：
通过第一压实件对骨粉种植体外模拟装置中的骨粉进行压实，将骨粉压至低于种植体端面1.7～1.9mm；
通过第二压实件对骨粉容置槽进行压实，静置；
获取模拟装置的CBCT影像数据；
根据CBCT影像数据计算骨粉信息数据；
将骨粉实际参数与算法计算获得的骨粉信息数据进行对比；
优选的，第二压实件对骨粉容置槽进行压实时，施加的力为恒定的，更优选的，施加的力为0.97～0.99N。
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