CN111759541A - 一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，针对损伤的下颌骨，分别获取头部CT和MRI数据，分别建立下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型；经过三维图像融合与镜像修复修复，得到完整的全下颌骨三维重构模型；得出下颌骨应力分布情况；根据下颌骨应力分布情况，以下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，进行拓扑优化设计，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型；对钛合金粉末进行加工，进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂、打磨处理，得到最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体。本发明得到的变密度多孔结构与天然骨骼的力学性能更接近，生物相容性更好。

Description

一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法
技术领域
本发明涉及一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，属于人造金属骨骼成形技术领域。
背景技术
下颌骨位于面部中下1/3位置，与上颌骨共同构成并维持正常的咀嚼及语言等功能，是面目唯一可以活动的骨骼，解剖形态和位置特殊。由于先天畸形、肿瘤切除、外伤等原因引起的下颌骨节段性缺损，造成下颌骨完整性的破坏和连续性的中断，不仅使患者产生咀嚼、吞咽等功能性障碍，而且极易导致患者面部畸形，需要通过修复重建来实现功能和容貌的恢复。目前，针对大范围下颌骨节段性缺损，特别是包括髁突在内的一侧下颌骨不超过中线的任意长度的缺损，主要依赖自体骨移植进行修复重建。该方法存在自体骨骨源不足、移植骨塑形困难、临床手术操作复杂等问题。因此，寻求个性化形态与功能恢复相统一的修复材料和重建手段是下颌骨缺损修复重建的重要方向。
近年来，随着医学影像、计算机辅助设计与3D打印技术的进一步发展和完善，运用钛合金3D打印技术制备成形的个性化假体为大范围下颌骨缺损或全下颌骨缺失的修复重建提供了可能。打印成形的钛合金下颌骨假体，其三维模型主要来源于CT扫描数据，这些数据无法清晰显示下颌骨髁突、关节盘和关节窝的结构及位置关系，成形假体与患者下颌骨关节配合不理想；生物力学模型信息来源于标准模型或其他正常下颌骨结构，无法充分体现患者自身下颌骨受力情况；为减轻假体重量，采用点阵镂空+蒙皮结构，均匀的点阵结构无法对骨骼的应力传导做到精确控制，密封蒙皮无法让肌肉与神经进行植入生长。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，将患者CT与MRI数据相结合，制备变密度多孔结构的全下颌骨假体，对骨骼的应力传导做到精确控制。
本发明解决的技术方案为：一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，步骤如下：
(1)针对损伤的下颌骨，分别获取头部CT和MRI数据，根据头部CT和MRI数据，提取头部CT中下颌骨特征图像和MRI数据中下颌骨特征图像，根据头部CT中下颌骨特征图像和MRI数据中下颌骨特征图像，分别建立下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型；；对下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型进行三维图像融合，得到损伤下颌骨的三维重构模型；根据损伤下颌骨三维重构模型中完好部分的结构特征，对损下颌骨三维重构模型进行修复，得到完整的全下颌骨三维重构模型；
(2)根据头部MRI数据，获取下颌骨肌肉附着点、纤维方向；在步骤(1)完整的全下颌骨三维重构模型上施加肌肉受力载荷的大小和方向，在不同牙齿区域施加正常咬合力载荷，在下颌骨左右的关节位置分别施加铰链约束模拟下颌骨与上颌骨的连接和活动关系，得到下颌骨生物力学模型，通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况，包括：受拉应力作用区域和受压应力作用；
(3)根据步骤(2)的下颌骨应力分布情况，以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化(此即为全下颌骨变密度孔结构的拓扑优化原则)，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型；
(4)根据步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，采用激光选取融化3D打印成形工艺，对钛合金粉末进行加工，得到成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型；
(5)对成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂、打磨处理，得到最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体。
优选的，下颌骨，包括：下颌骨骨结构、颞骨关节窝和关节盘。
优选的，损伤的下颌骨，具体要求为：包括关节在内的一侧下颌骨不超过中线的任意长度的缺损。
优选的，CT数据，是指通过计算机断层扫描(Comouted Tomography,CT)技术获得的患者头部图像数据。
优选的，MRI数据，是指通过核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术获得的患者头部图像数据。
优选的，最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体，为解剖形态与力学性能相似度高的全下颌骨假体。
优选的，作为填充单元的圆形孔，其直径范围为0.5～2mm。
优选的，以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化(此即为全下颌骨变密度孔结构的拓扑优化原则)，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，是指：在步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型上填入变密度的圆形孔作为填充单元；填入变密度的圆形孔的原则为：设定天然骨模量对应的孔密度，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标，按照天然骨模量对应的孔密度，进行圆形孔填充，实现孔密度优化；设定最小化质量对应的孔密度，对受压应力作用区域以最小化质量为目标，进行圆形孔填充，实现孔密度优化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过对CT和MRI两种不同成像方式获得的患者下颌骨断层影像结果进行图像融合，进而利用三维重构获得与真实解剖结构更为相近的下颌骨三维模型，提高了模型的结构精确度和形态准确性。
(2)本发明利用MRI对软组织成像的优势，获取患者下颌关节盘及关节韧带的影像信息资料，并将其引入生物力学模型，为后续全下颌骨假体模型的有限元分析与拓扑优化设计提供更准确、全面的生物力学性能参数。
(3)本发明采用以应力绝对值分布区域为基础，以天然骨模量和最小化质量为目标对全下颌骨假体进行拓扑优化设计，在有效减轻假体重量的同时，实现全下颌骨假体应力传递及结构模量与患者自身骨骼性能相匹配，变密度多孔结构也有利于不同功能细胞、神经的再生与修复。
附图说明
图1为本发明提供的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，(1)针对损伤的下颌骨，分别获取头部CT和MRI数据，分别建立下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型；经过三维图像融合与镜像修复修复，得到完整的全下颌骨三维重构模型；(2)根据头部MRI数据，获取下颌骨肌肉附着点、纤维方向；在全下颌骨三维重构模型基础上建立下颌骨生物力学模型，通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况；(3)根据步骤(2)下颌骨应力分布情况，以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，进行拓扑优化设计，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型；(4)根据步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，采用激光选取融化3D打印成形工艺，对钛合金粉末进行加工，得到成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型；(5)对成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂、打磨处理，得到最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体。本发明通过融合下颌骨CT与MRI数据，可以得到与待重建下颌骨结构形貌相似度更高的模型；以患者自身数据为基础，经过拓扑优化得到的变密度多孔结构与天然骨骼的力学性能更接近，生物相容性更好。
下颌骨几乎占据人体面部中下1/3，是颌面部唯一可以活动的骨骼，也是全身形态最为复杂的骨骼之一，不仅参与咀嚼、吞咽、发声、语言等功能，还是维持颌面部外形的骨性基础。下颌骨形态及功能的多样性决定了其缺损修复和功能重建的复杂性和困难程度。特别是针对包括髁突(即关节)在内的一侧下颌骨不超过中线的节段性缺损，目前主要依赖自体或异体骨移植进行修复重建，该方法存在自体骨骨源不足、移植骨塑形困难、临床手术操作复杂、异体骨移植存在排异反应与疾病传播风险等问题。
随着组织工程技术的兴起，利用支架材料代替骨组织，通过复合各种生长因子，诱导具有分化能力的干细胞增殖分化，促进下颌骨缺损区域的血管化和骨再生，为下颌骨节段性缺损提供了新的思路。但是，该方法存在干细胞不足、支架降解速度不易控制、干细胞增殖分化易形成纤维化细胞、修复期长且修复期间无法恢复下颌骨功能。
3D打印技术的出现，特别是钛合金3D打印工艺的不断完善，使得设计和制作更完善的定制化下颌骨植入假体成为可能，为下颌骨缺损的个体化功能性修复重建提供了新的思路和技术基础。然而，目前采用3D打印技术成形的全下颌骨假体，其三维模型主要来源于CT扫描数据，这些数据无法清晰显示下颌骨髁突、关节盘和关节窝的结构及位置关系，成形假体与患者下颌骨关节配合不理想；生物力学模型信息来源于标准模型或其他正常下颌骨结构，无法充分体现患者自身下颌骨受力情况；为减轻假体重量，采用点阵镂空+蒙皮结构，均匀的点阵结构无法对骨骼的应力传导做到精确控制，密封蒙皮无法让肌肉与神经进行植入生长。
寻求形态重建与功能恢复兼备的理想全下颌骨假体设计与制备方法，是实现下颌骨大范围缺损修复，甚至全下颌骨替换，恢复下颌骨结构完整与功能重建的重点方向。
本发明提供的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，通过融合下颌骨CT与MRI数据，可以得到与待重建下颌骨结构形貌相似度更高的模型；以患者自身数据为基础，经过拓扑优化得到的变密度多孔结构与天然骨骼的力学性能更接近，生物相容性更好；多孔结构有利于血管、神经的长入，加速软组织生成。
如图1所示，本发明所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，步骤如下：
(1)针对损伤的下颌骨，分别获取头部CT和MRI数据，根据头部CT和MRI数据，提取头部CT中下颌骨特征图像和MRI数据中下颌骨特征图像，分别建立下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型；对下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨三维模型进行三维图像融合，得到损伤下颌骨的三维重构模型；根据损伤下颌骨三维模型中完好部分的结构特征，对受损下颌骨的三维模型进行修复，得到完整的全下颌骨三维重构模型；优选方案具体如下：
下颌骨，包括：下颌骨骨结构、颞骨关节窝和关节盘。
损伤的下颌骨，具体为：包括髁突在内的一侧下颌骨不超过中线的任意长度的缺损
根据头部CT和MRI数据，提取头部CT中下颌骨特征图像和MRI数据中下颌骨特征图像，优选方案具体为：
采用直径为0.6mm的标准手术导航球为参照物，将2个参照物以10～30mm的间隔贴于患者颞骨位置以确保获取影像信息过程中头颅骨保持固定不变；另2个参照物按照10～20mm的间隔贴于双侧咬肌附着区；将3个参照物以10～20mm的间隔贴于颏部。
优选方案为：设定CT扫描架的角度定设为0°，电压120kV，电流180mA，扫描层厚/层距为0.625mm/0.625mm，螺距为0.75∶1，显示野为200～250mm，扫描周期1s/r，采用7.50mm/rat的扫描速度从头颅顶端到下颌骨最下缘止，对患者头部进行CT扫描，将扫描后获取的图像数据以医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communication in Medicine,DICOM)格式输出保存。将CT扫描获得的DICOM文件导入医学影像三维重建软件MIMICS，选取下颌骨髁突上方5mm至下颌骨最下缘所在断层图像为建模范围，针对不同组织重建灰度阈值，分别设置：皮肤组织[-455，186]，皮下组织[-455，186]，骨组织[226，3071]，软骨(关节盘软骨)[0-300]，牙齿[-455，3071]，重建层厚达0.25mm，重建矩阵512×512。根据下颌骨不同组织灰度阈值显示特点，选取下颌骨骨结构对应阈值显示区域，实现下颌骨骨结构三维模型显示。使用软件的光顺优化处理功能，设置优化迭代次数为7次，对下颌骨骨结构三维模型进行光顺处理，实现下颌骨骨结构的三维重建。将获得的下颌骨骨结构三维模型以标准三角形语言(Standard Triangulation Language,STL)文件格式保存输出。
设定MRI扫描成像回波时间为4.6ms，重复时间为23ms，信号采集均值次数为2，矩阵256×128，扫描层厚1.5mm，从头颅顶端到下颌骨最下缘止，对患者头部进行MRI扫描，将扫描后获取的图像数据以DICOM格式输出保存。将MRI扫描获得的DICOM文件导入医学影像三维重建软件MIMICS，选取下颌骨髁突上方5mm至下颌骨最下缘所在断层图像为建模范围，针对不同组织重建灰度阈值，分别设置：皮肤组织[-455，186]，皮下组织[-455，186]，骨组织[226，3071]，软骨(关节盘软骨)[0-300]，牙齿[-455，3071]，重建层厚达0.25mm，重建矩阵512×512。使用软件的阈值分割与区域生长功能，对下颌骨不同组织进行区域分割；利用手工选择的方法完成下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织的三维重建；将获得的下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型以STL格式保存输出。
对下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型进行三维图像融合，得到损伤下颌骨的三维重构模型，优选方案具体为：
分别将通过CT和MRI扫描数据重建的下颌骨三维模型信息导入到MIMICS软件，读取手术导航球位置，寻找导航球的重心及空间坐标关系，通过软件中的图像融合功能，将MRI模型中的下颌骨关节软骨与CT模型中的下颌骨骨结构模型进行配对、核准。配准条件为所有手术导航球重心点重合，坐标指向一致。配准完成后，将融合模型以STL格式整体保存输出。
损伤下颌骨的三维重构模型，具体为：含有下颌骨骨结构、颞骨关节窝和关节盘的损伤下颌骨的三维重构模型。
根据损伤下颌骨三维模型中完好部分的结构特征，对受损下颌骨的三维模型进行修复，得到完整的全下颌骨重构模型。优选方案具体为：以下颌骨中线与两侧颞骨关节窝连线中点所形成的平面为镜像平面，对损伤下颌骨三维模型中完好部分的结构特征进行镜像复制，通过布尔求和得到完整的全下颌骨三维重构模型。
在颅颌面成像中，CT和MRI图像都具有较高的空间分辨率和显像能力，前者对密度差异较大的组织效果较好，后者则可识别软组织。本发明利用CT和MRI两种不同成像方式获得的损伤下颌骨断层影像结果，分别进行下颌骨三维重建及三维结构融合，能够提高下颌骨重构模型的精确度和准确性，真实反映出患者下颌关节的几何结构，为后续进行生物力学分析及结构优化设计提供精确的模型基础。
(2)根据头部MRI数据，获取下颌骨肌肉附着点、纤维方向；在步骤(1)完整的全下颌骨三维重构模型上施加肌肉受力载荷的大小和方向，在不同牙齿区域施加正常咬合力载荷，在下颌骨左右的关节位置分别施加铰链约束模拟下颌骨与上颌骨的连接和活动关系，得到下颌骨生物力学模型，通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况；优选方案具体如下：
根据头部MRI数据，获取下颌骨肌肉附着点、纤维方向，优选方案具体为：将MRI扫描获得的含有患者头部扫描数据的DICOM文件导入医学影像三维重建软件MIMICS，选取下颌骨髁突上方5mm至下颌骨最下缘所在断层图像为建模范围，针对不同组织重建灰度阈值，分别设置：皮下组织[-455，186]，骨组织[226，3071]，软骨(关节盘软骨)[0-300]。根据下颌骨肌肉、韧带组织在MRI图像数据中的灰度值特征，使用软件的阈值分割与区域生长功能，通过在图像中不断寻找与灰度值特征相近的关联点，确定下颌骨肌肉与韧带组织区域，通过阈值分割和手工选择，确定下颌骨肌肉附着点和韧带纤维方向。
在步骤(1)得到的完整的全下颌骨三维重构模型上施加肌肉受力载荷的大小和方向，优选方案具体为：
依据步骤(1)下颌骨CT图像数据中灰度值与各部分骨组织密度的优选关系函数：
Density＝-13.4+1017×Grayvalue
以及骨密度与弹性模量之间的优选关系：
E–Modulus＝-388.8+5925×Density
计算出下颌骨CT图像数据中每个图像体素单元所对应的弹性模量值，并将计算出的弹性模量值赋予每一个对应的体素单元。
将完整的全下颌骨重构模型导入有限元分析软件，采用四面体网格单元对完整的全下颌骨重构模型进行自动网格划分。
根据步骤(1)MRI扫描获得的下颌骨肌肉附着点、纤维方向，按照完整的全下颌骨重构模型导入有限元分析软件后的坐标轴方向进行方向确定，根据文献资料和经验设置对不同肌肉、韧带纤维进行力的加载。
在不同牙齿区域施加正常咬合力载荷，具体为：为了模拟人体下颌骨在正中咬合运动状态时的生物力学情况，按照实际状况对不同的牙齿区域施加一定程度的垂直于牙齿咬合面向下的力，以模拟咀嚼咬合时下颌骨的受力情况。优选的施加的咬合力载荷为：在切牙区域施加80N的载荷，在第1前磨牙区域施加100N的载荷，在第2前磨牙区域施加120N的载荷，在第1磨牙区域施加150N的载荷，在第2和第3磨牙区域施加200N的载荷。以上只是一种优选的施加的咬合力载荷设定方式，进一步提高成形后的下颌骨假体的匹配度，但不局限于以上设定方式。
在下颌骨左右的关节位置分别施加铰链约束，模拟下颌骨与上颌骨的连接和活动关系，具体为：选择完整的全下颌骨模型中颞骨关节窝和关节盘网格单元，在所选单元上施加限制单元沿任意方向轴旋转的自由度。
下颌骨生物力学模型，具体为：能够完整反映下颌骨解剖形貌特质及正常咬合状态下的受力情况。
通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况，优选方案具体为：通过有限元模拟，得到正常咬合状态下下颌骨结构中的下颌升支、下颌角和下颌体不同位置受到的拉应力和压应力情况以及具体受力大小。
本发明利用MRI对软组织成像的优势，获取患者下颌骨周围肌肉及韧带等软组织影像信息，并将其引入下颌骨生物力学模型，为分析下颌骨骨结构在正常咬合过程中的受力情况提供更准确、全面的生物力学性能参数。
(3)根据步骤(2)下颌骨应力分布情况，以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化，此即为全下颌骨变密度孔结构的拓扑优化原则，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型；优选方案具体如下：
手动选取所有拉应力分布区域内的四面体网格单元，沿选取的单元区域边界建立分割平面，将下颌骨骨结构三维模型分割成拉应力模型区域和压应力模型区域。
选取拉应力模型区域为优化设计对象，根据文献资料确定天然骨模量值，以天然骨模量为优化目标，以直径0.5～2mm的圆形孔为填充单元，对下颌骨骨结构三维模型中的拉应力模型区域进行拓扑优化设计，得到下颌骨骨结构三维模型中的拉应力模型区域多孔结构优化结果。
选取压应力模型区域为优化设计对象，选择最小化质量为优化目标，优选以直径0.5～2mm的圆形孔为填充单元，对下颌骨骨结构三维模型中的压应力模型区域进行拓扑优化设计，得到下颌骨骨结构三维模型中的压应力模型区域多孔结构优化结果。
优选方案为：手工对得到的下颌骨骨结构三维模型中的拉应力和压应力模型区域边界位置的多孔结构进行修改，确保边界区域没有不完整的圆孔结构存在，得到具有变密度多孔结构的下颌骨假体模型。
采用步骤(2)的加载方式对得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型进行受力加载和有限元分析，将得到的具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型应力分布情况与步骤(2)得到的下颌骨应力分布情况进行对比，对得到的具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型进行修正。修正完成后重复加载和有限元分析过程，再次进行对比、修正，直至得到的具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型应力分布情况与步骤(2)得到的下颌骨应力分布情况相近，应力值没有高于步骤(2)得到的下颌骨应力值为止。此时得到的优化模型即为具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型。
本发明以全下颌骨假体模型有限元应力分析结果为依据，采用对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化的拓扑优化原则，优选采用直径0.5～2mm的圆形孔为填充单元，对全下颌骨假体模型进行拓扑优化设计。通过反复迭代、修改，得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型。在有效减轻假体重量的同时，实现全下颌骨假体应力传递及结构模量与患者自身骨骼性能相匹配，变密度多孔结构也有利于不同功能细胞、神经的长入、再生与修复。
(4)根据步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，采用激光选取融化3D打印成形工艺，对钛合金粉末进行加工，得到成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型；优选方案具体如下：
将步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型导入激光选区熔化成形数据准备软件Magics中，调整模型的摆放位置，使下颌体底面与软件中模拟成形平台的X-Y平面呈45°夹角；手动选择模型表面外法线方向与Z轴正向夹角优选在135°～180°的平面，添加连接平面与模拟成形平台的工艺支撑结构；确定分层厚度优选为0.06mm，实体扫描激光功率为420W，实体扫描速度优选为1200mm/s，实体扫描间距优选为0.09mm，优选扫描策略为层间旋转45°的线性扫描方式，轮廓扫描激光功率优选为210W，轮廓扫描速度优选为1300mm/s，对含有工艺支撑结构的全下颌骨假体模型进行分层切片处理；将分层切片信息导入激光选区熔化成形设备，以平均颗粒直径优选在0.045～0.06mm之间的TC4钛合金球形粉末为加工对象，在氩气保护气氛环境下，通过在成形基板上逐层铺设粉末、激光选区扫描成形，完成具有变密度多孔结构的全下颌骨假体原型的打印成形。
(5)对成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂、打磨处理，得到最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体。优选方案具体如下：
优选使用压强0.5～0.8MPa的压缩空气对假体原型表面反复进行气体冲洗，直至表面无浮粉；将假体原型连同基板一同放入真空退火炉，优选当炉内真空度低于2×10-2Pa后开始加热，升温时间优选65～75分钟，优选升温到650～750±10℃，保温时间优选6h～8h，优选炉冷至100℃以下后进气取件；
将假体进行线切割的进一步优选方案为：采用冲液压力优选为0.6～1.0MPa、脉冲间隔优选为20～30μs，脉冲宽度优选为15～25μs，开路电压优选为90～110V，峰值电流优选为20～30A，直径优选为0.2mm黄铜丝，走丝速度优选为100～110mm/s，丝张力优选为8～12N的慢走丝电火花线切割，优选在距离基板上表面0～2mm的位置，将假体原型与其连接的基板切割分离；
根据步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，采用手工去除的方式将步骤(4)中添加的工艺支撑全部去除；优选使用120目石英砂对假体原型表面进行5min的喷砂处理；使用风磨笔手工打磨假体原型表面，使假体原型表面粗糙度达到Ra 2.5以上。
最终得到的变密度多孔结构的全下颌骨假体，优选方案具体为：与待重建下颌骨结构形貌相似度更高，力学性能与天然骨骼更接近，含有有利于血管、神经生长的变密度多孔结构的全下颌骨假体。
本发明实现拉应力作用区域优化质量提高的进一步优选方案：设结构模量为E，填充孔直径为d，孔密度为p，当满足100＞(106.79×d+p–1.31)2/247–E＞0时，可以实现对拉应力作用区域的优化速度。
本发明实现压应力作用区域优化质量提高的进一步优选方案：设结构强度为S，填充孔直径为d，孔密度为p，当满足2.38＞[1–(0.785×d2×p)/100]1.5–S＞0时，可以实现对压应力作用区域的优化速度。
本发明进一步的优选方案为：
首先，在患者面部设置定位参照物，进而分别获取患者完整的头部CT和MRI数据，并将其分别导入医学影像三维重构处理软件，对获取的医学图像数据做去除噪声、对比度增强、栅格化处理，随后通过选择合理的颅颌面软、硬组织所对应的灰度阈值对患者下颌骨进行特征提取，获取患者下颌骨不同组织的三维结构模型；基于图像中参照物的空间位置对CT和MRI下颌骨重建数据进行图像融合，确定各方向配对、校准无误后导出下颌骨三角面片模型文件；通过网格自动修复与光顺处理，过滤模型中的尖角结构和劣质面片，最终获取包含下颌骨骨结构、颞骨关节窝和关节盘的全下颌骨三维重构模型。
将全下颌骨三维重构模型导入拓扑优化分析设计软件，根据MRI数据获得的下颌骨肌肉附着点、纤维方向等加载工况，在下颌骨三维重构模型上设定肌肉力载荷的大小和方向，在不同牙齿区域施加正常咬合力载荷，在左右下颌骨的关节位置分别施加铰链约束，得到下颌骨生物力学模型，通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况。
以圆形孔结构为填充单元，以拉应力、压应力分布区域为基础，以天然骨模量和最小化质量为目标对下颌骨三维重构模型进行拓扑优化设计，得到具有变密度多孔结构的下颌骨假体模型。
采用激光选区熔化3D打印成形工艺对TC4钛合金粉末进行加工，得到具有变密度多孔结构的下颌骨假体原型。
对具有变密度多孔结构的下颌骨假体原型进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂和打磨等后处理操作，最终得到含有变密度多孔结构的全下颌骨假体。得到的变密度多孔结构的全下颌骨假体，结构模量可以达到15000～11000MPa，与天然皮质骨模量相近，下颌骨假体质量可以控制在250～20g，有效减轻下颌骨假体重量。通过本发明获得的全下颌骨假体与待重建下颌骨结构形貌相似度更高，重量轻，力学性能与天然骨骼更接近，含有有利于血管、神经生长的变密度多孔结构。
本发明通过对CT和MRI两种不同成像方式获得的患者下颌骨断层影像结果进行图像融合，进而利用三维重构获得与真实解剖结构更为相近的下颌骨三维模型，提高了模型的结构精确度和形态准确性。本发明利用MRI对软组织成像的优势，获取患者下颌关节盘及关节韧带的影像信息资料，并将其引入生物力学模型，为后续全下颌骨假体模型的有限元分析与拓扑优化设计提供更准确、全面的生物力学性能参数。
本发明采用以应力绝对值分布区域为基础，以天然骨模量和最小化质量为目标对全下颌骨假体进行拓扑优化设计，在有效减轻假体重量的同时，实现全下颌骨假体应力传递及结构模量与患者自身骨骼性能相匹配，变密度多孔结构也有利于不同功能细胞、神经的再生与修复。

Claims (8)

1.一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于步骤如下：
(1)针对损伤的下颌骨，分别获取头部CT和MRI数据，根据头部CT和MRI数据，提取头部CT中下颌骨特征图像和MRI数据中下颌骨特征图像，分别建立下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型；对下颌骨骨结构三维模型和下颌骨关节软骨和韧带、肌肉组织三维模型进行三维图像融合，得到损伤下颌骨的三维重构模型；根据损伤下颌骨三维重构模型中完好部分的结构特征，对受损下颌骨三维重构模型进行修复，得到完整的全下颌骨三维重构模型；
(2)根据头部MRI数据，获取下颌骨肌肉附着点、纤维方向；在步骤(1)完整的全下颌骨三维重构模型上施加肌肉受力载荷的大小和方向，在不同牙齿区域施加正常咬合力载荷，在下颌骨左右的关节位置分别施加铰链约束模拟下颌骨与上颌骨的连接和活动关系，得到下颌骨生物力学模型，通过有限元分析，得出下颌骨应力分布情况，包括：受拉应力作用区域和受压应力作用；
(3)根据步骤(2)的下颌骨应力分布情况，以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化(此即为全下颌骨变密度孔结构的拓扑优化原则)，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型；
(4)根据步骤(3)具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，采用激光选取融化3D打印成形工艺，对钛合金粉末进行加工，得到成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型；
(5)对成形的变密度多孔结构的全下颌骨假体原型进行清理、退火热处理、线切割及去支撑、喷砂、打磨处理，得到最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体。
2.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：下颌骨，包括：下颌骨骨结构、颞骨关节窝和关节盘。
3.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：损伤的下颌骨，具体要求为：包括关节在内的一侧下颌骨不超过中线的任意长度的缺损。
4.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：CT数据，是指通过计算机断层扫描(Comouted Tomography,CT)技术获得的患者头部图像数据。
5.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：MRI数据，是指通过核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术获得的患者头部图像数据。
6.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：最终的变密度多孔结构的全下颌骨假体，为解剖形态与力学性能相似度高的全下颌骨假体。
7.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：作为填充单元的圆形孔，其直径范围为0.5～2mm。
8.根据权利要求1所述的一种变密度多孔结构的全下颌骨假体成形方法，其特征在于：以步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型为优化设计对象，以圆形孔为填充单元，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标进行孔密度优化，对受压应力作用区域以最小化质量为目标进行孔密度优化(此即为全下颌骨变密度孔结构的拓扑优化原则)，最终得到具有变密度多孔结构的全下颌骨假体模型，是指：在步骤(1)的下颌骨骨结构三维模型上填入变密度的圆形孔作为填充单元；填入变密度的圆形孔的原则为：设定天然骨模量对应的孔密度，对受拉应力作用区域以天然骨模量为目标，按照天然骨模量对应的孔密度，进行圆形孔填充，实现孔密度优化；设定最小化质量对应的孔密度，对受压应力作用区域以最小化质量为目标，进行圆形孔填充，实现孔密度优化。
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