CN110251275B - 一种个性化髁突假体的设计方法 - Google Patents

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    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints

Abstract

本发明公开了一种个性化髁突假体的设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、利用CBCT拍摄患者颌面部的医学影像数据；将数据以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics，生成全头颅3D虚拟模型；将下颌骨模型从全头颅模型中进行分离，输出为STL格式文件；步骤2、将下颌骨模型的STL文件导入Geomagic软件，模拟手术过程进行病损区截骨，再进行修整，得到下颌骨a的STL模型；对下颌骨a的STL模型进行逆向重建，再进行正向设计，再进行图像精细化调整，并利用四边形布点原则进行精确曲面拟合，得到髁突假体的STL模型，即所需的个性化髁突假体。本发明解决了现有技术中存在的髁突假体需要磨除大量骨组织以适应假体外形的问题。

Description

一种个性化髁突假体的设计方法
技术领域
本发明属于人工关节设计与制备方法技术领域，具体涉及一种个性化髁突假体的设计方法。
背景技术
颞下颌关节(temporomandibular joint，TMJ)是人体最为复杂的关节之一，具有转动和滑动运动的左右联动关节，参与咀嚼、言语、吞咽和面部表情等。关节强直、外伤、肿瘤等疾病的发生，常导致颞下颌关节发生形态缺陷，功能丧失，严重影响患者的生活质量，如何进行理想的功能外形重建、恢复稳定的咬合关系及下颌升支高度等是修复缺损时必须面临和解决的问题。自体骨移植只能达到功能上的近似，不能实现解剖学意义上的重建且容易发生供区并发症。异体骨移植主要是免疫排斥反应，成骨速度慢；而人工颞下颌关节具有稳定不吸收、能模仿正常的解剖形态、与宿主贴合、不需另行取材、术后能立即进行功能训练、避免骨性粘连等优点，使得人工颞下颌关节进行关节重建成为临床可选择的有效方法之一。
现有的国外标准型产品其成品型号较少，无法满足所有临床需要，且其产品是根据欧美人的颌骨特征设计，与中国人解剖结构存在一定差异，应用时在术中需要磨除大量骨组织以适应假体外形，手术难度大。且部分患者还存在金属过敏的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种个性化髁突假体的设计方法，解决了现有技术中存在的髁突假体需要磨除大量骨组织以适应假体外形的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用CBCT拍摄患者颌面部的医学影像数据；将数据以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics，生成全头颅3D虚拟模型；将下颌骨模型从全头颅模型中进行分离，输出为STL格式文件；
步骤2、将下颌骨模型的STL文件导入Geomagic软件，模拟手术过程进行病损区截骨，再进行修整，得到下颌骨a的STL模型；对下颌骨a的STL模型进行逆向重建，再进行正向设计，再进行图像精细化调整，并利用四边形布点原则进行精确曲面拟合，得到髁突假体的STL模型，即所需的个性化髁突假体。
本发明的特点还在于：
步骤2中，逆向重建的具体过程为：利用下颌骨两侧自然对称的特点，选取下颌骨a的STL模型中病损区对侧的数据，镜像对称映射到病损区，得到髁突头颈部假体模型相关数据。
步骤2中，正向设计包括以下两部分：
(1)对髁突头颈部假体模型数据进行髁突头减径设计；
(2)固位柄设计。
减径设计的具体过程为：髁突头内外径对应减小为原髁突头内外径的2/3或圆柱形；圆柱形为直径为6～8mm，高度为6～8mm。
固位柄设计的具体过程为：固位柄的高度与髁突头颈部假体的高度比例为(0.8～1.5):1；固位柄的宽度与髁突头颈部假体的宽度比例为(0.5～1.5):1；固位柄的厚度为1.5～3mm；固位柄下端修整为圆钝形；固位柄外侧面至少预留2个钛钉孔，钛钉孔的位置避开下牙槽神经；钛钉孔的直径为1.5～3mm。
步骤2中，修整的具体过程为：将下颌骨残端颊侧的锐利边缘修整为圆钝形。
步骤2中，精细化调整的具体过程为：删除可见的尖角特征、倒凹和起伏，进行平滑处理。
个性化髁突假体采用FDM或SLS方法进行3D打印制造。
采用FDM方法进行3D打印制造时，具体的参数为，喷嘴直径：0.4mm，打印速度：40mm/s，印刷线宽：0.4mm，层厚：0.2mm，喷管温度：420℃，填充率：100％，材料：聚醚醚酮。
采用SLS方法进行3D打印制造时，具体的参数为，惰性气体：氨气或氩气，加工层厚：0.1mm，扫描速度：3000mm/s，激光功率：30W，扫描间距：0.1mm，熔点温度：343℃，材料：聚醚醚酮。
本发明的有益效果是：
本发明设计出的假体与患者本身的下颌骨形态相匹配，与颌骨更加贴合，术中无需磨除大量骨组织以适应假体外形，有效减少术中和术后并发症的发生，缩短手术时间，植入后可以达到最佳的应力分布；且聚醚醚酮具有优良的理化性能、生物机械性能、生物相容性，自然放射透射性，与金属材料相比，其弹性模量与人体皮质骨更为接近，可有效减少应力遮挡造成的骨吸收和骨萎缩。
附图说明
图1是本发明个性化髁突假体的设计方法设计设计出的髁突假体与患者下颌骨装配后的结构部示意图；
图2是本发明个性化髁突假体的设计方法步骤2中的下颌骨a的STL模型；
图3是本发明个性化髁突假体的设计方法步骤2中的髁突假体的STL模型；
图4是本发明个性化髁突假体的设计方法设计出的髁突假体的主视图；
图5是本发明个性化髁突假体的设计方法设计出的髁突假体的后视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种个性化髁突假体的设计方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用CBCT拍摄患者颌面部的医学影像数据；将数据以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics，生成全头颅3D虚拟模型；将下颌骨模型从全头颅模型中进行分离，输出为STL格式文件。
步骤2、将下颌骨模型的STL文件导入Geomagic软件，模拟手术过程进行病损区截骨，再进行修整，得到下颌骨a的STL模型(如图2所示)；对下颌骨a的STL模型进行逆向重建，再进行正向设计，再进行图像精细化调整，并利用四边形布点原则进行精确曲面拟合，得到髁突假体的STL模型，即所需的个性化髁突假体(如图1、图3-5所示)；
逆向重建的具体过程为：利用下颌骨两侧自然对称的特点，选取下颌骨a的STL模型中病损区对侧的数据，镜像对称映射到病损区，得到髁突头颈部假体模型相关数据；
正向设计包括以下两部分：
(1)对髁突头颈部假体模型数据进行髁突头减径设计；
(2)固位柄设计；
减径设计的具体过程为：髁突头内外径对应减小为原髁突头内外径的2/3或圆柱形；圆柱形为直径为6～8mm，高度为6～8mm；
固位柄设计的具体过程为：固位柄的高度与髁突头颈部假体的高度比例为(0.8～1.5):1；固位柄的宽度与髁突头颈部假体的宽度比例为(0.5～1.5):1；固位柄的厚度为1.5～3mm；固位柄下端修整为圆钝形；固位柄外侧面至少预留2个钛钉孔，钛钉孔的位置避开下牙槽神经；钛钉孔的直径为1.5～3mm；
修整的具体过程为：将下颌骨残端颊侧的锐利边缘修整为圆钝形；
精细化调整的具体过程为：删除可见的尖角特征、倒凹和起伏，进行平滑处理。
个性化髁突假体采用FDM或SLS方法进行3D打印制造。
FDM方法进行3D打印制造时，采用聚醚醚酮(PEEK)专用植入物3D打印机进行逐层打印；具体的参数为，喷嘴直径：0.4mm，打印速度：40mm/s，印刷线宽：0.4mm，层厚：0.2mm，喷管温度：420℃，填充率：100％，材料：聚醚醚酮。
SLS方法进行3D打印制造时，采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点(温度343℃)，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结；当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。
SLS使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料为植入级聚醚醚酮。当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末快速上升至初始位置，将其取出，放置在后处理工作台上，实施后处理如喷砂/抛光，完成PEEK定制化聚醚醚酮髁突假体的制造。具体的参数为，惰性气体：氨气或氩气，加工层厚：0.1mm，扫描速度：3000mm/s，激光功率：30W，扫描间距：0.1mm，熔点温度：343℃。
采用本发明个性化髁突假体的设计方法，设计出髁突假体与患者本身的下颌骨形态相匹配，与颌骨更加贴合，术中无需磨除大量骨组织以适应假体外形，有效减少术中和术后并发症的发生，缩短手术时间，植入后可以达到最佳的应力分布；且聚醚醚酮具有优良的理化性能、生物机械性能、生物相容性，自然放射透射性，与金属材料相比，其弹性模量与人体皮质骨更为接近，可有效减少应力遮挡造成的骨吸收和骨萎缩。
需要说明的是：附图均为髁突头内外径为原髁突头内外径的2/3的情况。

Claims (6)

1.一种个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、利用CBCT拍摄患者颌面部的医学影像数据；将数据以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics，生成全头颅3D虚拟模型；将下颌骨模型从全头颅模型中进行分离，输出为STL格式文件；
步骤2、将下颌骨模型的STL文件导入Geomagic软件，模拟手术过程进行病损区截骨，再进行修整，得到下颌骨a的STL模型；对下颌骨a的STL模型进行逆向重建，再进行正向设计，再进行图像精细化调整，并利用四边形布点原则进行精确曲面拟合，得到髁突假体的STL模型，即所需的个性化髁突假体；
所述步骤2中，逆向重建的具体过程为：利用下颌骨两侧自然对称的特点，选取下颌骨a的STL模型中病损区对侧的数据，镜像对称映射到病损区，得到髁突头颈部假体模型相关数据；
所述步骤2中，正向设计包括以下两部分：
（1）对髁突头颈部假体模型数据进行髁突头减径设计；
（2）固位柄设计；
所述减径设计的具体过程为：髁突头内外径对应减小为原髁突头内外径的2/3；
所述固位柄设计的具体过程为：固位柄的高度与髁突头颈部假体的高度比例为（0.8~1.5）:1；固位柄的宽度与髁突头颈部假体的宽度比例为（0.5~1.5）:1；固位柄的厚度为1.5~3mm；固位柄下端修整为圆钝形；固位柄外侧面至少预留2个钛钉孔，钛钉孔的位置避开下牙槽神经；钛钉孔的直径为1.5~3mm。
2.如权利要求1所述的个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，修整的具体过程为：将下颌骨残端颊侧的锐利边缘修整为圆钝形。
3.如权利要求2所述的个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，精细化调整的具体过程为：删除可见的尖角特征、倒凹和起伏，进行平滑处理。
4.如权利要求1-3任一项所述的个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，所述个性化髁突假体采用FDM或SLS方法进行3D打印制造。
5.如权利要求4所述的个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，采用FDM方法进行3D打印制造时，具体的参数为，喷嘴直径：0.4mm，打印速度：40 mm/s，印刷线宽：0.4mm，层厚：0.2mm，喷管温度：420℃，填充率：100%，材料：聚醚醚酮。
6.如权利要求4所述的个性化髁突假体的设计方法，其特征在于，采用SLS方法进行3D打印制造时，具体的参数为，惰性气体：氨气或氩气，加工层厚：0.1mm，扫描速度：3000mm/s，激光功率：30W，扫描间距：0.1mm，熔点温度：343℃，材料：聚醚醚酮。
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