CN113413246B - 一种基于三维重建拓扑优化的3d打印下颚骨模型及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型及方法，包括以下步骤：S1、通过仪器扫描整个受损的病人下颚骨；S2、通过三维软件得到三维下颚骨图像；S3、通过电脑对三维下颚骨图像进行修复并得到完整新下颚骨图像；S4、对所述新下颚骨图像进行受力分析；S5、通过受力情况进行拓扑优化；S6、通过PEEK材料3D打印成型。根据本发明，在3D打印模型基础上对下颚骨进行整体的三维重建的拓扑优化设计，以得到更优的3D打印下颚骨模型治疗方式，覆盖生物涂料后高效地修复下颚骨骨折缺损组织，提高外植下颚骨与人体的兼容性，将其负面影响降到最低，并且能够延长外植下颚骨在人体内的有效使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印的技术领域，特别涉及一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型及方法。
背景技术
下颚骨缺损可由肿瘤、外伤、感染等因素引起，可导致患者面部的畸形，严重者甚至出现口颌系统功能丧失。故下颚骨缺损的患者最重要的是要精确地恢复其下颌骨正常的解剖形态，从而达到恢复其面部的美观及正常的口颌系统的活动。下颚骨近牙神经，结构较为复杂难度较大。而优化过程应用了先进的参数建模方法和三维重构技术，可以很好地满足病人个性化的植入需求，覆盖生物涂料的个性化“多孔”的拓扑结构设计也可以有效促进细胞结合与生长，便于人体与植入体的融合。增材制造俗称3D打印技术，近年来随着3D打印技术和拓扑优化技术的快速发展，参数建模和三维重构方法已应用到3D打印技术领域，在骨科尤其下颚骨修复领域展现出其广泛的应用前景。但利用3D打印模型植入人体的深入研究和临床应用基本上还处于起步阶段，通过拓扑优化的3D打印技术化来改善下颚骨的有关治疗方案尚未被报导，如何达到下颚骨高效精确修复重建的目的是临床医学亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型，在3D打印模型基础上对下颚骨进行整体的三维重建的拓扑优化设计，以得到更优的3D打印下颚骨模型治疗方式，覆盖生物涂料后高效地修复下颚骨骨折缺损组织，提高外植下颚骨与人体的兼容性，将其负面影响降到最低，并且能够延长外植下颚骨在人体内的有效使用寿命。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型，包括：
通过PEEK材料3D打印成型的下颚骨模型，且所述下颚骨模型为多孔结构。
一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型方法，包括以下步骤：
S1、通过仪器扫描整个受损的病人下颚骨；
S2、通过三维软件得到三维下颚骨图像；
S3、通过电脑对三维下颚骨图像进行修复并得到完整新下颚骨图像；
S4、对所述新下颚骨图像进行受力分析；
S5、通过受力情况进行拓扑优化；
S6、通过PEEK材料3D打印成型；
优选的，所述步骤S6中PEEK材料通过3D打印机将下颚骨模型打印成型。
优选的，所述步骤S1通过TEM或SEM仪器扫描整个下颚骨得到三维图像。
优选的，所述步骤S3中，通过Solidworks或netfabb利用三维重建完整图像，所述图像模型与病人受伤前的骨头不可有太大的差异。
优选的，所述步骤S5中，通过Netfabb分析优化前模型的受力情况—确定约束然后施加力模拟受损，利用有限元分析得出最优的应力应变轨迹,根据受力情况对受力小的地方进行合理的拓扑优化，进行挖孔，且所述孔的大小不一但中心间隔相同。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：第一，项目研究属于医工交叉领域，研究目的明确，研究基础合理且可信度高，可操作性强；第二，在3D打印的基础上对下颚骨模型再进行拓扑优化设计，可以更好地对下颚骨模型的三维重建以及其植入固定，对人体器官进行有效的修补；第三，结合药物，通过对下颚骨模型的三维重建，在多孔结构的基础上添加使下颚骨发挥功能的药物，从而对人体器官进行有效的修补。同时在维持颌面的美观性，提高患者沟通和咀嚼功能等方面会大大提高患者生活水平。
附图说明
图1 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的结流程框图；
图2 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的拓扑优化示意图；
图3 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的各角度3DMax渲染得到的下颚骨模型结构示意图；
图4 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的Netfabb模拟中部受力示意 图；
图5 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的 Netfabb模拟下颚骨中部受力时应力分布示意图；
图6 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的Netfabb模拟下颚骨中部受力时位移变化示意图；
图7 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的3D打印所得两侧受力电脑模型与实物结构示意图；
图8 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的 Vin Tile型应力分布图；
图9 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的3 W型应力分布图；
图10 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的Vin Tile型位移分布图；
图11 为根据本发明的基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型的4 W型位移分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-11，一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型，包括：通过PEEK材料3D打印成型的下颚骨模型，且所述下颚骨模型为多孔结构，通过三维重建技术构建出符合患者个性化要求的多孔下颚骨模型，利用Netfabb分析优化前模型的受力情况—确定约束然后施加力模拟受损，利用有限元分析得出最优的应力应变轨迹。
一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过仪器扫描整个受损的病人下颚骨；
S2、通过三维软件得到三维下颚骨图像；
S3、通过电脑对三维下颚骨图像进行修复并得到完整新下颚骨图像；
S4、对所述新下颚骨图像进行受力分析；
S5、通过受力情况进行拓扑优化；
S6、通过PEEK材料3D打印成型。
基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型，覆盖生物涂料后高效地修复下颚骨骨折缺损组织，提高外植下颚骨与人体的兼容性，将其负面影响降到最低，并且能够延长外植下颚骨在人体内的有效使用寿命。
进一步的，所述步骤S6中PEEK材料通过3D打印机将下颚骨模型打印成型，最后再进行手术安装，打印技术和“多孔的”拓扑优化技术等很好地解决了下颚骨修复难题。通过描述3D打印人骨应用现状与3D打印下颚骨技术流程并剖析其优势与不足，提出拓扑优化设计并构建相应模型。
进一步的，所述步骤S1通过TEM或SEM仪器扫描整个下颚骨得到三维图像，之后通过3DMax软件渲染后的模型结构简单，设计简便，成本低，操作简便，有利于颌面外科医生在术中复位并固定下颌骨缺损后游离的剩余下颌骨，从而达到精确化软件修复手术的目标，并达到降低手术难度，大幅度缩短手术时间及降低手术风险的目的，从不同角度结合3DMax软件渲染，利用拓扑优化方法高效地制作与病人契合的下颚骨骨折缺损组织，达到修复下颚骨的临床治疗效果。
进一步的，所述步骤S3中，通过Solidworks或netfabb利用三维重建完整图像，所述图像模型与病人受伤前的骨头不可有太大的差异。
进一步的，所述步骤S5中，通过Netfabb分析优化前模型的受力情况——确定约束然后施加力模拟受损，利用有限元分析得出最优的应力应变轨迹,根据受力情况对受力小的地方进行合理的拓扑优化，进行挖洞，且所述洞的大小不一但中心间隔相同，以多孔结构为基础，首先利用拓扑优化进行有限元分析，找到最合适的优化结构，匹配骨结构的弹性模量，避免应力屏蔽产生，促进植入后的恢复治疗。
实施例1
根据下颚骨在人体中的位置，以及在实际情况中受损时的受力情况，进行了拓补优化的仿真模拟。本实施例对模型的数据处理包括如下步骤：
S1、将扫描得到的下颚骨模型导入netfabb软件中，如果模型有瑕疵则需要先将模型进行修复，修复完成后进入OU界面创建模型。
S2、初步生成lattice，在OU界面中为下颚骨模型生成lattice，lattice type为W型或者Vin Tiles型，w型将lattice大小在x，y，z三个方向都设置为3.5±0.1mm，Vin Tile型则设置为5±0.1mm。
S3、仿真模拟，在模型中选中你所需要受力的面生成skin，在仿真界面，生成的skin会变成结点，首先要对下颚骨模型的根部结点进行固定，再对结点可以施加你所需要的力，然后点击simulation就会生成仿真结果。
S4、lattice优化，在此之前，需要将lattice thickness设置为可变，并设置最大值为lattice的一半，最小值为0.5mm，变化单元必须是最大值与最小值之差的整数分之一倍，在优化界面设置预期的最大应力，优化时间10min，迭代次数为5。
S5、lattice kernels优化，根据下颚骨的仿真模拟结果，将lattice kernels调整到lattice的薄弱点，对此处的lattice加粗优化。由于下颚骨受力比较复杂，所以在进行此步骤之前，需要多次进行仿真模拟，归纳出lattice的薄弱点。
结果分析
第一种情况是正面摔伤，受力位置在下颚骨的中间下部，从模拟的结果中我们可以看出中部位移最大，两侧位移较小，位移分布图整体呈对称，在应力图中，应力分布较为均匀，只有两侧小片区域存在应力集中现象。
第二种境况是侧面中部摔伤，这种情况与第一种较为相似，也是位移沿下颚骨中部向两侧减小，根部存在应力集中。
第三种情况是侧面根部摔伤，从位移分布图中可以看出，整体位移量较小，并且较为均匀，应力也是同样，并且不存在应力集中。
结论
因此，优化结果应以前两次模拟结果为主，将下颚骨中部，以及根部lattice加粗，在轻量化设计的同时保证整体强度的提高。
实施例2
根据下颚骨在人体中的位置，以及在实际情况中受损时的受力情况，进行了拓补优化的仿真模拟，每种情况都有两种不同类型的lattice，一种是W型，一种是Vin Tiles，第一种情况是正面摔伤，受力位置在下颚骨的中间下部，从模拟的结果中我们可以看出中部位移最大，两侧位移较小，位移分布图整体呈对称，在应力图中，应力分布较为均匀，只有两侧小片区域存在应力集中现象。第二种境况是侧面中部摔伤，这种情况与第一种较为相似，也是位移沿下颚骨中部向两侧减小，根部存在应力集中。第三种情况是侧面根部摔伤，从位移分布图中可以看出，整体位移量较小，并且较为均匀，应力也是同样，并且不存在应力集中，因此，优化结果应以前两次模拟结果为主，将下颚骨中部，以及根部lattice加粗，在轻量化设计的同时保证整体强度的提高。最后再对w型lattice与Vin Tiles型lattice结构进行横向对比分析，在相同的受力条件下，可以通过应力与位移分布图像（图1~4）看出，w型lattice的位移与应力的最大值都小于Vin Tiles型，并且w型应力与位移分布较为均匀，因此w型lattice要好于Vin Tiles型lattice。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (1)
1.一种基于三维重建拓扑优化的3D打印下颚骨模型，其特征在于，包括：
通过PEEK材料3D打印成型的下颚骨模型，且所述下颚骨模型为多孔结构；
3D打印下颚骨模型方法，包括以下步骤：
S1、通过TEM或SEM仪器扫描整个下颚骨得到三维图像扫描整个受损的病人下颚骨；
S2、通过三维软件得到三维下颚骨图像；
S3、通过电脑对三维下颚骨图像进行修复并得到完整新下颚骨图像，通过Solidworks或netfabb利用三维重建完整图像；
S4、对所述新下颚骨图像进行受力分析；
S5、通过受力情况进行拓扑优化，通过Netfabb分析优化前模型的受力情况——确定约束然后施加力模拟受损，利用有限元分析得出最优的应力应变轨迹，根据受力情况对受力小的地方进行合理的拓扑优化，进行拓孔，且所述孔的大小不一但中心间隔相同；
S6、通过PEEK材料通过3D打印机将拓扑优化的下颚骨模型打印成型；
S7、涂覆羟基磷灰石促进修复生长。
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Also Published As
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