CN110353836B - 带有牙种植位点的种植颌骨及其数字化加工方式 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印方法及精密切削技术，公开了一种种植颌骨的数字化加工方式。本发明针对现在主流的颌骨缺损恢复方法，在恢复颌骨缺损的同时对患者咀嚼功能恢复有直接改善作用，通过种植颌骨上预留的种植位点，能够直接与种植修复体相匹配，无需在颌骨手术后再通过局部义齿治疗手段恢复咀嚼功能，缩短治疗周期，免去患者二次或多次治疗、疗程期间长期口腔咬合功能丧失带来的烦恼，降低对新成骨的种植颌骨的康复造成影响和手术风险，同时经过该方法获得的种植颌骨能够大幅度提高个性化颌骨与原有留存颌骨组织的匹配精度，并且使种植颌骨在细节部分能够更好地符合需求，通过设计软件增强了颌骨结构多样性，主要是内部成型结构多样性。

Description

带有牙种植位点的种植颌骨及其数字化加工方式
技术领域
本发明涉及3D打印方法及精密切削技术，尤其是一种种植颌骨的数字化加工方式。
背景技术
种植义齿的长期成功需要评价50多个牙科指标，其中很多指标都是该领域独有的。医生的熟练程度和经验以及患者缺牙区可用骨量和密度毫无疑问是预测患者种植成功的主要因素。以往，可用骨量对修复起到决定作用，故当可用骨不足甚至缺失时恢复该部分形状变得尤为重要。由于肿瘤、感染、交通事故等原因均可能造成颌骨缺损，其中以下颌骨缺损最为常见。目前的下颌骨缺损修复手术主要采用自体骨移植和金属修复体植入两种修复方式，自体骨移植修复会造成取骨部位的二次创伤，而且供骨的大小有限，植入后骨吸收难于控制，同时植入后至少需要5个月或者更长时间才能愈合到可以进行种植手术的程度，在5年以内90％的自体移植骨会吸收；金属板植入修复时，虽然目前根据患者自身骨骼结构的个性化定制技术相对来说趋于成熟，金属植入物的修复能够提供支撑，恢复外观，但后期不能进行种植牙，因此不能恢复咬合功能，而且植入的打印颌骨内部结构的设计，优化和制造面临着很多亟待解决的难题，导致植入手术后金属板植入体与周围骨骼的骨结合效果无法满足临床要求，给患者长期恢复带来影响。
无论是自体骨移植修复还是金属钛板植入固定，都无法满足人体颌骨重建中差异化的需求，临床上所需的是依个人骨性结构不同所提供的具有个人特征的下颌骨修复体，从而针对性地完成修复重建，最大化还原骨性缺失患者下颌区域结构。
公布号为CN103315829A的专利申请公开了一种修复一侧下颌骨缺损超过4颗牙位个性化支架的制造方法，该方法将个体缺损的个性化外形、内部微结构通过CT扫描结合镜像方法或反求工程法的方式设计出修复模型，然后通过切割算法得到缺损区域的修复体，经BOOL运算设计后通过EBSM方法制造出来，在下颌骨缺损区植入三维网状金属支架，修复体与两骨断端用钛螺钉固定，加入成骨材料和自体骨髓基质干细胞，软组织缝合，完成成骨后进行牙种植体植入，最后完成义齿修复。该方法可以较好地实现颌骨的修复，但是其义齿修复是在颌骨成骨完后以后进行的，需要在种植颌骨成骨完后再次在其上打孔制造出牙种植位点，因而其具有如下缺陷：其一，增加患者的手术次数，延缓康复时间，给患者来带额外烦恼与负担；其二，新成骨的种植颌骨较为脆弱，打孔会带来一定的风险；不利于骨骼的成长修复；其三，新成骨的种植颌骨含有网状金属材料，采用常规的正常颌骨打孔的设备进行手术，对人员操作要求很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有牙种植位点的种植颌骨及其数字化加工方式，制作的种植颌骨直接与种植义齿相匹配，无需在颌骨手术后再进行牙种植位点打孔等口腔修复手术即可恢复咀嚼功能。
本发明公开的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，包括如下步骤：
扫描成像：对患者颌骨断端缺损区域进行扫描，得到患者最初颌骨形态的原始影像数据；
三维设计：对缺失部分的颌骨进行三维重建，设计初始种植颌骨；
在初始种植颌骨的受力主承托区根据牙齿缺失情况设计牙种植位点的定位点A，按照患者颌牙情况规划牙种植体的植入长轴方向B；
导入最终假想进行种植修复的牙种植体模型文件，将牙种植体中心位置放置于A点，按照植入长轴方向B植入颌骨；
将初始种植颌骨和植入的颌骨进行布尔运算，初始种植颌骨减去牙种植体的数据获得带有牙种植位点的种植颌骨数据；
数据处理：将带有牙种植位点的种植颌骨数据转化为3D打印的文件数据，进行3D打印和切削的数据处理；
3D打印：将处理好的数据导入设备进行3D打印；
切削加工：将3D打印的种植颌骨从基板上切割下来，进行精密切削加工，提高牙种植位点精度，检查牙种植体与牙种植位点吻合程度。
优选地，在规划牙种植体的植入长轴方向B时，将植入方向与基台之间产生的角度控制在15°以内。
优选地，三维设计时，保留牙种植位点和种植颌骨整体结构，将带有牙种植位点的种植颌骨数据进行内部多孔结构优化设计。
优选地，内部多孔结构的尺寸为0.2～0.3mm。
优选地，三维设计时，在种植颌骨与下颌骨连接部位唇侧设计含有固位孔的固位结构；
切削加工时，在研磨机床上通过固位孔将种植颌骨固定。
优选地，在3D打印后，将种植颌骨连带3D打印的基板进行退火热处理，退火处理后再将种植颌骨从基板上切割下来。
优选地，种植颌骨从基板上切割下来后，去除3D打印的支撑，再对表面进行喷砂处理。
优选地，种植颌骨从基板上切割下来后，清理多孔内部粉末，使用酸蚀液酸蚀零件表面及多孔结构，完成零件组织结构的清理。
优选地，所述酸蚀液配比为硝酸：氢氟酸：水＝3：1：15。
本发明还公开一种带有牙种植位点的种植颌骨，采用所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式制造。
本发明的有益效果是：本发明针对现在主流的颌骨缺损恢复方法，在恢复颌骨缺损的同时对患者咀嚼功能恢复有直接改善作用，通过种植颌骨上预留的牙种植位点，能够直接与种植修复体相匹配，无需在颌骨手术后再通过局部义齿治疗手段恢复咀嚼功能，缩短治疗周期，免去患者二次或多次治疗、疗程期间长期口腔咬合功能丧失带来的烦恼，降低对新成骨的种植颌骨的康复造成影响和手术风险，同时经过该方法获得的种植颌骨能够大幅度提高个性化颌骨与原有留存颌骨组织的匹配精度，并且使种植颌骨在细节部分能够更好地符合需求，通过设计软件增强了颌骨结构多样性，主要是内部成型结构多样性。
附图说明
图1为本发明的加工流程图；
图2为种植颌骨与颌骨断端安装的结构示意图；
图3为种植颌骨的牙种植位点示意图；
图4为种植颌骨固位结构示意图。
附图标记：种植颌骨1，余留颌骨2，固位结构3，牙种植位点4。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
本发明公开的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，包括如下步骤：
扫描成像：对患者颌骨断端缺损区域进行扫描，得到患者最初颌骨形态的原始影像数据；
扫描成像优选采用CBCT扫描，CBCT是牙颌面部位的专属扫描方式，它利用三维锥形束X线进行扫描，对于高分辨率区域，如牙齿根管系统、下颌骨，下颌神经管，颞下颌关节细微硬组织结构的成像质量好。扫描时，扫描平面与患者眶耳平面平行，扫描范围介于患者眶上缘到下颌骨下缘这一区域，
三维设计：对缺失部分的颌骨进行三维重建，设计初始种植颌骨；具体操作可以采用如下方式：在mimics软件中将dicom格式文件转存为stl文件。将导入的dicom数据格式文件在mimics中使用thresholding功能，区分出密度较高的骨组织部分并提取，然后使用Calculate3D frommask进行三维重建，这样能够去除软组织部分仅保留患者骨质部分文件。
在初始种植颌骨的受力主承托区根据牙齿缺失情况设计牙种植位点4的定位点A，按照患者颌牙情况规划牙种植体的植入长轴方向B；一般而言初始种植颌骨的X/Y方向的切面中点即为种植颌骨1的受力主承托区，牙种植体的植入长轴方向B大致方向为颌骨径向，再根据患者颌牙情况进行一定的微调。
导入最终假想进行种植修复的牙种植体模型文件，将牙种植体中心位置放置于A点，按照植入长轴方向B植入颌骨。种植体大小参考目前占比最高的标准种植体尺寸设定，也可以根据事先计划的牙种植体而定。因为在后续义齿安装时优选采用角度基台，在规划牙种植体的植入长轴方向B时，将植入方向与基台之间产生的角度控制在15°以内，即目前大部分角度基台可调整角度范围，以利于终上部种植基台和修复体的连接。
将初始种植颌骨和植入的颌骨进行布尔运算，初始种植颌骨减去牙种植体的数据获得带有牙种植位点4的种植颌骨1数据，具体可以使用magics软件对种植体和打印颌骨进行数据处理，将种植体和打印颌骨位置摆放保存好之后，然后进行布尔运算。在满足强度的同时，需要尽可能的实现轻量化，同时利于骨骼的生长结合，因而，三维设计时，保留牙种植位点4和种植颌骨1整体结构，将带有牙种植位点4的种植颌骨1数据进行内部多孔结构优化设计，内部多孔结构的尺寸为0.2～0.3mm，最低可达0.2mm。多孔结构的设计对下颌骨骨组织重新恢复有辅助作用，同时多孔结构的空间大小在设计时匹配骨致密程度，在减轻植入物整体重量的情况下兼具了生物仿真的特性，能够做到与颌骨结构大体类似的效果。
种植手术过程中，可通过接骨板连接、骨断端与颌骨螺丝固位两种固位方式将种植颌骨1与骨断端连接，为了方便连接，三维设计时，可在种植颌骨1与下颌骨连接部位唇侧设计含有固位孔的固位结构3；含有固位孔的固位结构3不但在提供了种植颌骨1与余留颌骨2骨断端的连接部位，切削加工时，还可在研磨机床上通过固位孔将种植颌骨1固定，以便于进行精密切削。固位结构3优选为单侧各2-3个孔位，双侧共4-6个。固位结构3沿种植颌骨1长轴两端对应设置，每边与余留颌骨2断端各通过两个能够与钛钉结合的固位孔在颊侧固定连接。
数据处理：将带有牙种植位点4的种植颌骨1数据转化为3D打印的文件数据，进行3D打印和切削的数据处理。可使用FEA/CFD中的Remesh将重建的三维模型进行转换，重建时选择中等精度以上选项即可输出stl文件，stl文件是最为常用的3D打印文件类型，转化成stl文件时通过降噪手段提高文件精度，这样利于种植颌骨1与颌骨断端对接，免去后期调改过程。除stl文件外还可采用如OBJ、AMF、3MF等其他文件格式。3数据处理具体包括位置摆放、支撑添加和切片、参数分配、刀路规划等步骤。位置摆放时要以支撑面尽可能少和竖直方向的高度尽可能小为原则，以提高成型的效率。刀路规划时，牙种植位点4内使用较细的车针快速反复多切削几次，保证牙种植位点4内表面精度和表面质量。
在数据处理的支撑添加部分，要求在确保能够牢固支撑所打印的种植颌骨1的同时，也要使种植颌骨1成型结束后容易去除。种植颌骨1中与种植体的接口部分，取消接口内的支撑件和接口边缘的支撑面，使接口内部与接口边缘均为无附加支撑件的平滑表面结构，并通过增加接口外侧的厚度来提高接口边缘本身的支撑强度，保证接口成型质量。
3D打印：将处理好的数据导入设备进行3D打印；
在3D打印时，优选采用激光选区熔化工艺进行打印。为了打印效果更加理想，提高打印件的精度，在激光扫描时，对扫描的位置至少进行两次激光扫描使该处的金属粉末完全熔化，每次扫描的激光能量可以相同，也可以不同，例如可以对扫描的位置先用线能量密度为0.1～0.3J/mm的低的线能量密度激光进行4～6次重复扫描后，再用线能量密度控制在0.5～1J/mm的高的线能量密度激光进行致密重熔。对局部种植颌骨1采用正交连续扫描，对全口种植颌骨1，采用棋盘式分区扫描，对支撑成型部分，采用隔层扫描。设置激光聚焦光束的直径为40～100μm，激光功率在100～300W，扫描速度在700～2000mm/s，扫描间距0.1～0.16mm。至少在种植颌骨1与牙种植体相连接的接口处，通过激光重复扫描来提高成型精度。
由于激光选区熔化是一个骤热骤冷的成型过程，因此成型的种植颌骨1内部会存在残余应力。为了防止变形，在3D打印后，将种植颌骨1连带3D打印的基板进行退火热处理，退火处理后再将种植颌骨1从基板上切割下来，退火热处理需要在惰性气体保护的热处理炉中进行。以激光选区熔化工艺打印的钛合金的种植颌骨1为例，具体热处理过程是，在热处理炉中经过两个小时从常温升温至840℃，保温两小时后，自然冷却至380℃，整个过程使用氩气保护，氩气流量控制在0.5m3/h。
种植颌骨1从基板上切割下来后，去除3D打印的支撑，再对表面进行喷砂处理。对于内部多孔结构的种植颌骨1，除表面处理外，种植颌骨1从基板上切割下来后，还可清理多孔内部粉末，使用酸蚀液酸蚀零件表面及多孔结构，完成零件组织结构的清理。酸蚀优选在喷砂处理后进行，所述酸蚀液配比优选为硝酸：氢氟酸：水＝3：1：15。
切削加工：将3D打印的种植颌骨1从基板上切割下来，进行精密切削加工，提高牙种植位点4精度，检查牙种植体与牙种植位点4吻合程度。切削加工的设备可采用研磨机床精密切削，通过机床两边夹持端夹持固位结构3，使所需牙种植位点4能够准确的通过车针切削成型，进一步的加工改善种植颌骨1上种植孔位内表面精度，利于后期种植体顺利就位。在实际操作时，可以先进行切削加工再进行切喷砂处理和酸蚀处理。
下面为本发明的一个具体实施例
本实施例以制备单侧不超过中线3-5牙位种植颌骨1为例。
如图1所示本发明带有种植位点的种植颌骨1的数字化加工方法，包括有：
CBCT扫描：通过CBCT获取患者颌面部骨缺损区域，在mimics软件中将dicom格式文件转存为stl文件。为了提升数据转存精度，在数据另存为时选择壳体减数和三角面片光滑，选择高质量输出，获取得到下颌骨stl文件。
三维设计：在前一步中同时得到了患者口腔内部的三维数据之后，将口腔三维数据导入到magics软件中，在初始种植颌骨的受力主承托区根据牙齿缺失情况设计牙种植位点4的定位点A，按照患者颌牙情况规划牙种植体的植入长轴方向B；导入最终假想进行种植修复的牙种植体模型文件，将牙种植体中心位置放置于A点，按照植入长轴方向B植入颌骨；将初始种植颌骨和植入的颌骨进行布尔运算，种植颌骨1减去牙种植体的数据获得带有牙种植位点4的种植颌骨1数据；设计过程中需要确认开孔处与基台接口处对接部分的边界线的范围，以保证后期3D打印能够精确进行。
带有牙种植位点4的种植颌骨1完成三维设计以后，导出为包含三维模型数据的STL格式文件。然后把三维模型中所有设计的壳体合并，设置STL中三维模型的三角面片弦高低于0.1mm，保证三维模型的精度。
数据处理：三维设计完成后，得到种植颌骨1的STL格式的文件，将种植颌骨1的STL文件导入到magics数据处理软件中，进行数据检查和修复、位置摆放、支撑添加、切片和扫描策略规划等步骤。
其中所述数据检查和修复部分，是检查三维STL文件中的三维模型有无孔洞、坏边等缺陷，若检查发现缺陷需要进行修复，确保STL文件中的三维模型是一个完整和闭合的壳体。
在位置摆放部分，是对种植颌骨1stl文件进行排版和摆放，需要确保文件数据远离成型基板外侧缘20mm以上，位置摆放时将包含牙种植位点4设计的一侧朝上，以提高牙种植位点4的成形精度。
在支撑添加时，确保能够牢固支撑种植颌骨1的同时还要在成型结束后容易去除支撑。针对3D打印装置中不同种类的刮刀，可以选择设计相应的支撑类型。本实施例使用的是橡胶刮刀，添加的支撑为块状支撑。
所述切片部分是将STL文件中的三维模型通过切片，获得片层数据，本实施例中的片层厚设置为30μm。
扫描策略规划部分是规划每一个片层的扫描方法，确定好扫描线之间的间隔距离和轮廓线的偏移距离。本实施例中，采用正交连续的扫描策略。
3D打印：数据处理完成后，将该数据导入到激光选区熔化的3D打印设备中，打印成型。打印原料采用微米级球形金属粉末作为材料。激光通过扫描熔化成型基板上的每一层截面区域的粉末，再层层叠加为一个种植颌骨1。将3D打印设备的激光聚焦光束的直径设置为80μm，激光功率设置为120W，丝杆电机的控制精度在1μm以内。打印种植颌骨1内部的曝光参数为：扫描间距0.14mm，速度1200mm/s，强度270W，偏置补偿0.08mm，条纹宽度5mm，跃层扫描，旋转；打印种植颌骨1上部的曝光参数为：距离0.14mm，速度1300mm/s，强度300W，厚度0.06mm；种植颌骨1下部的曝光参数较上部曝光参数略弱，在速度和曝光强度上有所减低，旨在保证成型质量的情况下缩短时间，提高效率。
选用的Ti6Al4V钛合金粉末材料采用等离子雾化方式生产，球形度在90％以上，粉末粒径范围为15～45μm，粉末霍尔流动性数据低于40s/50g，粉末氧含量1000ppm。
选用TC4(Ti6Al4V)作为基板材料，使成型材料与基板之间要有良好的润湿性，保证基板和零件之间粘结牢固，不会发生开裂。
成型过程中，根据材料和层厚的不同，调整3D打印设备的激光功率、扫描速度等成型工艺，确保激光束能够完全熔化金属粉末，形成一条连续平滑的熔道。为了防止打印粉末在熔化过程中发生氧化，成型过程中对打印粉末采用氩气进行保护，氩气气压为4.5bar。为了防止成型过程中产生的烟尘对打印粉末造成污染，3D打印设备中设置有烟尘过滤装置。
零件后处理：3D打印成型结束后，需要进行后处理，实现零件综合性能的提升。由于激光选区熔化是一个骤热骤冷的成型过程，因此成型的种植颌骨1内部会存在残余应力。为了防止变形，在切割之前需要将成型件连同基板一起放入有惰性气体保护的热处理炉中，进行退火热处理，去除种植颌骨1内部的残余应力。
处理过程为：在热处理炉中经过两个小时从常温升温至840℃，然后保温两小时，然后自然冷却至380℃，整个过程使用氩气保护，氩气流量控制在0.5m3/h。
退火处理完成之后，就可以将种植颌骨1从基板上切割下来，然后去除支撑，再对表面进行喷砂处理，然后使用氢氟酸、硝酸和蒸馏水的混合物酸蚀零件表面及多孔结构，完成零件组织结构的清理。处理完成之后接口处紧密贴合无缝隙，成型效果良好。
然后通过夹具固定后，安装在铣床进行铣削，选择螺纹合适的铣刀在种植颌骨1的牙种植位点4直接进行孔的精加工，改善表面精度和粗糙度。完成种植孔位成型。

Claims (8)

1.带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于，包括如下步骤：
扫描成像：对患者颌骨断端缺损区域进行扫描，得到患者最初颌骨形态的原始影像数据；
三维设计：对缺失部分的颌骨进行三维重建，设计初始种植颌骨；
在初始种植颌骨的受力主承托区根据牙齿缺失情况设计牙种植位点的定位点A，初始种植颌骨的X/Y方向的切面中点为种植颌骨的受力主承托区，按照患者颌牙情况规划牙种植体的植入长轴方向B，在规划牙种植体的植入长轴方向B时，将植入方向与基台之间产生的角度控制在15°以内；
导入最终假想进行种植修复的牙种植体模型文件，将牙种植体中心位置放置于A点，按照植入长轴方向B植入颌骨；
将初始种植颌骨和植入的颌骨进行布尔运算，用初始种植颌骨数据减去牙种植体的数据获得带有牙种植位点的种植颌骨数据；
数据处理：将带有牙种植位点的种植颌骨数据转化为3D打印的文件数据，进行3D打印和切削的数据处理；
3D打印：将处理好的数据导入设备进行3D打印；
切削加工：将3D打印的种植颌骨从基板上切割下来，进行精密切削加工，提高牙种植位点精度，检查牙种植体与牙种植位点吻合程度。
2.如权利要求1所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：三维设计时，保留牙种植位点和种植颌骨整体结构，将带有牙种植位点的种植颌骨数据进行内部多孔结构优化设计。
3.如权利要求1所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：三维设计时，在种植颌骨与下颌骨连接部位唇侧设计含有固位孔的固位结构；
切削加工时，在研磨机床上通过固位孔将种植颌骨固定。
4.如权利要求1所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：在3D打印后，将种植颌骨连带3D打印的基板进行退火热处理，退火处理后再将种植颌骨从基板上切割下来。
5.如权利要求4所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：种植颌骨从基板上切割下来后，去除3D打印的支撑，再对表面进行喷砂处理。
6.如权利要求2所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：种植颌骨从基板上切割下来后，清理多孔内部粉末，使用酸蚀液酸蚀零件表面及多孔结构，完成零件组织结构的清理。
7.如权利要求6所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式，其特征在于：所述酸蚀液配比为硝酸：氢氟酸：水=3：1：15。
8.带有牙种植位点的种植颌骨，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的带有牙种植位点的种植颌骨的数字化加工方式制造。
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