CN116663086B - 基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，以解决现有种植体（多孔结构种植体）构建方法表面处理（结构）面临局限性、存在断线、虚线的技术问题，经本发明方法生成的模型数据经3D打印后其在低弹性模量中有较大的力学性能优势，包括如下步骤：S1：获取数据并处理成STL格式数据输出，S2：逆向建模生成基台数据和个性化牙根数据，S3：将生成的基台数据和个性化牙根数据进行合并得到IGS格式的待修复部位种植体实体模型，S4：将待修复部位种植体实体模型表层网格化并生成三维网状支架实体几何模型后以STL格式输出，S5：打印成型。
Description
技术领域
本发明涉及制作个性化下颌骨三维网状修复体支架数字化建模技术领域，具体涉及一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法。
背景技术
一直以来，即刻种植都是热点话题，有非常多的研究与临床观察聚焦于美学区即刻种植，但同时我们在临床上会发现许多由于龋坏、隐裂、牙周病及根尖周病无法保留的后牙，患者也渴望获得即刻种植治疗后牙区或者是非美学区即刻种植，对于患者和临床医生而言，存在一些明显的优势；比如更小的外科创伤、更短的愈合周期、更少的椅旁时间、更高的患者接受度以及更低的治疗费用等。除此之外，在上颌后牙区即刻种植还可以减少上颌窦的气化现象；由于解剖等诸多条件的差异，并非所有的后牙位点都适合即刻种植，后牙区即刻种植对医生的技术和经验要求更高；为了获得成功的后牙区即刻种植治疗，需要尽量满足多种条件。
现有技术中，通过简单的实体特征建模并进行布尔运算构建网状结构设计（常规方法），三维网状结构支架整体设计研究集中在通过简单的实体特征正向CAD 建模设计同种单胞构成的多孔结构并进行布尔运算获得的网状结构，这类设计方法简单，大多数商业化造型软件都支持布尔运算，是目前多孔植入体设计常常采用的方法；然而该方法的缺陷同样明显，在布尔运算后，种植体多孔结构几何形态的外轮廓往往会出现阶梯现象且性能往往不稳定，难以完成具有可控生物力学适配性结构参数的种植体表层多孔支架设计。
其次，现有技术建模方法中的几何建模时间长，生物力学有限元分析计算效率低，对于种植体表面不均质曲面结构以分区、分层堆放的形式获得，但每个与不同患者匹配的个体化修复体都要重新结构设计，生物力学有限元分析计算效率较低，特别体积较大时，需要成千上万个基本多孔单元空间阵列获得，数据量较大。
再者，通过现有的建模方法构建出来的种植体（多孔结构种植体）表面处理（结构）面临局限性，诸如存在断线、虚线的技术问题（图8所示），断线、虚线在患者种植后极易在体内发生断裂，易发生医疗事故的问题。
基于上述现有种植体表面处理面临的局限性，本设计提出一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，以解决现有种植体（多孔结构种植体）构建方法表面处理（结构）面临局限性、存在断线、虚线的技术问题，经本发明方法中生成的模型数据经3D打印后其在低弹性模量结构中有较大的力学性能优势。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
公开一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，包括如下步骤：
S1：获取数据并处理成STL格式数据输出；
S2：导入逆向工程软件进行逆向建模确定牙根外形形态；
S3：生成IGS格式的待修复部位种植体实体模型；
S4：表层网状建立，将待修复部位种植体实体模型表层网格化并以STL格式输出；
步骤S4包括：
S41：将IGS格式的待修复部位种植体实体模型导入ANSYS软件生成包含个性化的牙种植体实体模型；
S42：将待修复部位种植体实体模型采用梁单元构件，在ANSYS软件中对整个待修复部位种植体实体模型进行受力并评估应力状态、并得到多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值，此步骤S42包括以下步骤：
S421：生物力拓扑优化设计，设定单元类型并采用自由网格划分方式设定网格密度，通过有限元力分析软件对牙种植体实体模型表层进行实体划分网格，并进行有限元力学模拟以获得表层应力分布云图；
S422：根据表层应力分布云图将牙种植体实体模型表层部位分为若干应力区域，并获得每个应力区域对应的区域平均最大应力值，以作为牙种植体实体模型表层多孔结构的孔隙率设计的生物力学依据；
S423：以区域平均最大应力值为导向，用Wolff定律逆向计算出所选的多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值；
S43：梁单元实体化CAD建模，将牙种植体实体模型生成三维网状支架实体几何模型并以STL格式输出；
S5：将导出的STL格式的三维网状支架实体几何模型数据导入3D打印设备进行打印成型。
步骤S1具体为：获取患者颌面部CT数据并将CT数据导入医学三维图像处理软件，经阈值分割提取待修复的患牙区域数据并以STL数据格式导出；
步骤S2具体为：将步骤S1所得的待修复的患牙区域数据文件导入逆向工程软件进行逆向建模并测量骨内部体部分的形状、体积以获得牙根部分形状、体积，根据测量的牙根部分形状、体积确定种植体外形形态。
步骤S2中，根据天然原牙根形态或通过镜像方法确定牙根部分形状、体积，牙根部分形状、体积使用患牙形态进行光顺处理后按原牙根形态的体积扩大8-10%后生成个性化牙根数据。
步骤S41中：具体是利用ANSYS软件前处理中的网格划分技术，将包含个性化的待修复部位种植体实体模型生成光滑过度的无牙全下颌骨模型外表面，进而生成表层致密的牙种植体实体模型。
步骤S421中，设定单元类型为SOLID92，设定网格密度为5-9。
步骤S43包括以下步骤：
S431：存储设计域内节点之间的匹配关系，删除牙种植体实体模型，根据节点匹配关系生成对应的线段，从而将划分好的网格转换为线段；
S432：在已形成的线段上模拟支架真实直径建立圆柱体；
S433：输入Geomagic软件中处理后以STL格式输出种植体三维实体模型数据，通过此步骤后表面区域即可形成三维网状骨小梁金属支架，支架与有限元网格重合，即依据单元的成支架结构。
步骤S432中，模拟支架真实直径建立圆柱体时直径设为0.2mm-0.4mm。
步骤S433中，输入Geomagic软件中处理后以STL格式输出种植体三维实体模型数据。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法通过在支架网状结构建模的过程中应用有限元分析软件行应力分析，满足个体化差异需求，使打印后的模型在满足个性化要求下，实现种植后减少应力屏蔽的目的。
2、本发明方法相比于传统的CAD构建方法，不仅能实现快速三维网架设计，能加快设计速度，提高整体工作流的快速响应性，同时还便于运用ANSYS软件对模型进行力学分析；基于ANSYS软件网格划分与支架的网状结构拟合得出的设计文件，更易于下一步的孔隙率、孔径、孔的形状等不同参数的调整及应力分析点阵结构，作为一种周期性多孔结构，可以认为是某种单胞通过大量相同的点阵单元周期性地组合而成。
3、本发明方法中生成的模型数据经3D打印后其点阵结构强度和刚度高，在低弹性模量结构中有较大的力学性能优势，通过3D打印点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。
4、经本发明方法3D打印后的金属点阵结构的模型结构与传统方法打印后的模型结构相比，本发明方法形成的金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。
5、经本发明方法3D打印后的模型结构的组织结合度大，处理不仅停留在种植体表面，而且还向模型的三维立体空间内部发展，在后期植入后其骨组织能与表面部分及内部网状部分充分结合，实现向纵深结合，能实现紧密配合。
6、经本发明方法3D打印后的模型结构其表面微结构复杂，表结构多元化、个性化，符合骨组织的天然特性，无论表面怎么处理，均能达到与天然骨松质相仿的结构，因此骨组织与经本发明方法3D打印后的种植体表面的亲和力达到最强。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为经步骤S2生成的个性化牙根模型图；
图3为经步骤S2生成的个性化牙根模型另一示意图；
图4为经步骤S4后生成的种植体三维实体模型图；
图5为经步骤S41后生成的模型图；
图6为经步骤S42后生成的模型图；
图7为经步骤S43后生成的模型图；
图8为现有技术中建模方法构建的种植体经3D打印后形成的种植体示意图；
图9为本发明方法打印出来的种植体的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例1：一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，参见图1至图9。
本实施所述的基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法包括如下步骤：
S1：获取患者颌面部CT数据并将CT数据导入医学三维图像处理软件，经阈值分割提取待修复的患牙区域数据并以STL数据格式导出。
S2：将步骤S1所得的待修复的患牙区域数据文件导入逆向工程软件进行逆向建模并测量骨内部体部分的形状、体积以获得牙根部分形状、体积，根据测量的牙根部分形状、体积确定种植体外形形态；具体是根据天然原牙根形态或通过镜像方法确定牙根部分形状、体积（参见图3所示），牙根部分形状、体积使用患牙形态进行光顺处理后按原牙根形态的体积扩大8-10%后生成个性化的牙根数据（参见图2、图3所示）。
本步骤中，为获得个性化的种植体拟牙根外形轮廓曲面模型，也即通过镜像方法确定牙根部分形状、体积步骤是：
通过外科影像数据库全头颅CT 扫描获得352 幅二维扫描断层图像以DICOM 3.0格式导入医学三维几何建模软件Mimics 21.0（或其它版本中）。
扫描图像经预处理(平滑去噪、图像灰度化、光顺边缘处理)后基于灰度值的阈值分割提取使不同组织从原始的二维图像中独立出来下颌骨。
利用区域增长工具去除悬浮的细小的噪声，然后进行三维重建。
将重建STL 点云数据导入逆向工程软件Geomagic2012中并转换为NURBS（非均匀有理B 样条，Non-UniformRational B-Spline）曲面。
经重构后得到下颌骨三维重建模型，在此模型上以虚拟镜像翻转模拟设计得到缺牙区对侧同名牙，提取并建立个性化种植体拟牙根外形轮廓曲面模型也即得到牙根部分形状、体积。
S3：生成个性化的牙根数据生成IGS格式的待修复部位种植体实体模型。
S4：表层网状建立，将待修复部位种植体实体模型表层网格化（参见图4所示），并以STL格式输出，具体包括如下步骤：
S41：将IGS格式的待修复部位种植体实体模型导入ANSYS软件生成包含个性化的牙种植体实体模型；具体是利用ANSYS软件前处理中的网格划分技术，将包含个性化的待修复部位种植体实体模型生成光滑过度的无牙全下颌骨模型外表面，进而生成表层致密的包含个性化的牙种植体实体模型。
S42：将牙种植体实体模型采用梁单元构件（参见图6），在ANSYS软件中对整个牙种植体实体模型进行受力并评估应力状态、并得到多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值，此步骤S42包括以下步骤：
S421：生物力拓扑优化设计，设定单元类型为SOLID92（10节点四面体单元），采用自由网格划分方式，设定网格密度为5、6、7、8或9，优选的设定网格密度为7，通过有限元力分析软件对牙种植体实体模型表层进行实体划分网格，并进行有限元力学模拟以获得表层应力分布云图；通过此步骤可以解决现有技术方法实现的种植体数据打印后形成的虚线、断线的问题，当种植体通过3D打印后其表面的线如果存在虚线、断线，则在后期植入后易发生种植体上的网格线断裂留存到体内、种植体松动的问题；图8所示为现有构建方法实现的打印模型，可以明显看出具有断线、虚线的现象；图9所示为本发明方法打印出来的模型实体，图中可以看出，本发明方法打印出来的模型实体的种植体网格线均为实线、闭合的曲线，不存在断线的问题，实现了一体化设计。
S422：根据表层应力分布云图将牙种植体实体模型表层部位分为若干应力区域，并获得每个应力区域对应的区域平均最大应力值，以作为牙种植体实体模型的表层多孔结构孔隙率值的生物力学依据。
S423：以区域平均最大应力值为导向，用Wolff定律逆向计算出所选的多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值，此步骤中设定孔径300-600µm，孔隙率在75%-90%，表层厚度0.5-1.5mm。
S43：梁单元实体化CAD建模，将牙种植体实体模型生成三维网状支架实体几何模型并以STL格式输出（参见图7）；本步骤采用ANSYS软件与CAD无误差数据交换方式，解决了不同软件在模型转换中存在的转换误差，提高了计算效率，可实现打印最小精度的实体模型（参见图5），此步骤S43包括以下步骤：
S431：存储设计域内节点之间的匹配关系，删除牙种植体实体模型，根据节点匹配关系生成对应的线段，从而将划分好的网格转换为线段。
S432：在已形成的线段上模拟支架真实直径建立圆柱体，直径为0.2mm、 0.3mm或0.4mm。
S433：输入Geomagic软件中处理后以STL格式输出三维网状支架实体几何模型数据，通过此步骤后表面区域即可形成三维网状骨小梁金属支架，支架与有限元网格重合，即依据单元的成支架结构。
S5：将步骤S4导出的STL格式的三维网状支架实体几何模型数据导入3D打印设备进行打印成型即可。
本实施例在实施中具有如下优势：
1、本发明方法通过在支架网状结构建模的过程中应用有限元分析软件行应力分析，满足个体化差异需求，使打印后的模型在满足个性化要求下，实现种植后减少应力屏蔽的目的。
2、本发明方法相比于传统的CAD构建方法，不仅能实现快速三维网架设计，能加快设计速度，提高整体工作流的快速响应性，同时还便于运用ANSYS软件对模型进行力学分析；基于ANSYS软件网格划分与支架的网状结构拟合得出的设计文件，更易于下一步的孔隙率、孔径、孔的形状等不同参数的调整及应力分析点阵结构，作为一种周期性多孔结构，可以认为是某种单胞通过大量相同的点阵单元周期性地组合而成。
3、本发明方法中生成的模型数据经3D打印后其点阵结构强度和刚度高，在低弹性模量结构中有较大的力学性能优势，通过3D打印点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。
4、经本发明方法3D打印后的金属点阵结构的模型结构与传统方法打印后的模型结构相比，本发明方法形成的金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。
5、经本发明方法3D打印后的模型结构的组织结合度大，表处理不仅停留在种植体表面，而且还向模型的三维立体空间内部发展，在后期植入后其骨组织能与表面部分及内部网状部分充分结合，实现向纵深结合，能实现紧密配合。
6、经本发明方法3D打印后的模型结构其表面微结构复杂，表结构多元化、个性化，符合骨组织的天然特性，无论表面怎么处理，均能达到与天然骨松质相仿的结构，因此骨组织与经本发明方法3D打印后的种植体表面的亲和力达到最强。
本发明实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取数据并处理成STL格式数据输出；
S2：导入逆向工程软件进行逆向建模确定牙根外形形态并生成个性化的牙根数据，具体是：通过镜像方法确定牙根部分形状、体积，牙根部分形状、体积使用患牙形态进行光顺处理后按原牙根形态的体积扩大8-10%后生成个性化牙根数据；
本步骤中，通过镜像方法确定牙根部分形状、体积步骤是：
（1）通过外科影像数据库全头颅CT 扫描获得352 幅二维扫描断层图像以DICOM 3.0格式导入医学三维几何建模软件Mimics 21.0；
（2）扫描图像经平滑去噪、图像灰度化、光顺边缘处理后基于灰度值的阈值分割提取使不同组织从原始的二维图像中独立出来的下颌骨；
（3）利用区域增长工具去除悬浮的细小的噪声，然后进行三维重建；
（4）将重建STL 点云数据导入逆向工程软件Geomagic2012中并转换为非均匀有理B 样条，Non-UniformRational B-Spline曲面；
（5）经重构后得到下颌骨三维重建模型，在此模型上以虚拟镜像翻转模拟设计得到缺牙区对侧同名牙，提取并建立个性化种植体拟牙根外形轮廓曲面模型也即得到牙根部分形状、体积；
S3：生成IGS格式的待修复部位种植体实体模型；
S4：表层网状建立，将待修复部位种植体实体模型表层网格化并以STL格式输出；
步骤S4包括：
S41：将IGS格式的待修复部位种植体实体模型导入软件生成包含个性化的牙种植体实体模型, 具体是利用ANSYS软件前处理中的网格划分技术，将包含个性化的待修复部位种植体实体模型生成光滑过度的无牙全下颌骨模型外表面，进而生成表层致密的包含个性化的牙种植体实体模型；
S42：将牙种植体实体模型采用梁单元构件，在软件中对整个牙种植体实体模型进行受力并评估应力状态、并得到多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值，此步骤S42包括以下步骤：
S421：生物力拓扑优化设计，设定单元类型为SOLID92并采用自由网格划分方式设定网格密度为7，通过有限元力分析软件对牙种植体实体模型表层进行实体划分网格，并进行有限元力学模拟以获得表层应力分布云图；
S422：根据表层应力分布云图将牙种植体实体模型表层部位分为若干应力区域，并获得每个应力区域对应的区域平均最大应力值，以作为牙种植体实体模型的表层多孔结构孔隙率值的生物力学依据；
S423：以区域平均最大应力值为导向，使用Wolff定律逆向计算出所选的多孔结构形态和材料下每个应力区域对应的多孔结构孔隙率值，此步骤中设定孔径300-600µm，表层厚度0.5mm；
S43：在CAD软件中进行梁单元实体化建模，将牙种植体实体模型生成三维网状支架实体几何模型并以STL格式输出；
步骤S43包括以下步骤：
S431：存储设计域内节点之间的匹配关系，删除牙种植体实体模型，根据节点匹配关系生成对应的线段，从而将划分好的网格转换为线段；
S432：在已形成的线段上模拟支架真实直径并建立圆柱体,圆柱体的直径设为0.2mm-0.4mm；
S433：输入Geomagic软件中处理后以STL格式输出三维网状支架实体几何模型数据；
S5：将导出的STL格式的三维网状支架实体几何模型数据导入3D打印设备进行打印成型。
2.如权利要求1所述的基于生物力学分析网格单元映射逆向构建种植体方法，其特征在于，步骤S1具体为：获取患者颌面部CT数据并将CT数据导入医学三维图像处理软件，经阈值分割提取待修复的患牙区域数据并以STL数据格式导出；
步骤S2具体为：将步骤S1所得的待修复的患牙区域数据文件导入逆向工程软件进行逆向建模并测量骨内部体部分的形状、体积以获得牙根部分形状、体积，根据测量的牙根部分形状、体积确定种植体外形形态。
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