CN206399559U - 个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统 - Google Patents

Abstract

一种个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，包括测量底座、肌力等效结构、肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置、加载平台和应变片，肌力等效弹簧的固定装置、关节盘固定装置和加载平台均安装在测量底座上，个性化下颌骨生物力学模型包括下颌骨和两个颞下颌关节盘，下颌骨上布置升颌肌群的弹簧挂钩，应变片贴在下颌骨的测量区域，两个颞下颌关节盘固定到关节盘固定装置中，下颌骨模型上的两个髁状突装入关节盘中，下颌骨模型中承受咬合力的牙齿与加载平台的动作端接触，肌力等效结构的下端与弹簧挂钩连接，肌力等效结构的上端与肌肉等效结构的固定装置连接。本实用新型更能表达患者的真实状况、测量准确性较好。

Description

个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统

技术领域

本实用新型涉及下颌骨生物力学模型测量技术，尤其是一种下颌骨生物力学模型的应力测量系统。

背景技术

下颌骨是人体颌面部骨骼中体积和面积均最大的，也是唯一能活动的面部骨骼，通过颞下颌关节以及下颌肌肉与颅颌骨相连。下颌骨的生物力学模型是下颌骨骨折手术修复、下颌骨缺损重建修复、牙种植手术、牙齿正畸矫治等口腔或牙科疾病精确治疗方案制订以及颌面部模拟碰撞、创伤分析等的力学基础。下颌骨生物力学模型构建的难点在于两方面：一是下颌骨所具有的非均匀材料特性，二是下颌骨肌肉力作用的施加。

目前，以简化和假设为基础的下颌骨生物力学模型在下颌骨有限元分析中得到了应用。这些有限元模型中，一般将下颌骨简化成一种均匀材料，或者包含皮质骨和松质骨两种材料属性。在处理下颌骨肌肉作用时，将某个位置的咬合力通过一定的分配公式，以下颌骨整体力平衡为依据，换算出咀嚼肌、颞肌和翼肌等升颌肌群的等效作用力；或者将不同的肌肉简化成某一刚度的弹簧。由于这些有限元分析模型一般进行了较大的简化，又缺乏实验测试手段，其精确度缺乏验证。

现有的下颌骨生物力学检测模型一般基于真实的离体人体下颌骨，其力学分析数据作为通用数据，在其他病例中只能作为参考。对于具体的患者却无法进行个体化测量，得到相应的力学数据。虽然，根据患者下颌骨数据制作的个性化模型也得到了应用，但由于模型制作技术的限制，一般只能得到具有单一均匀材料特性的下颌骨模型。而对于肌肉力的作用，一般通过粘接橡皮筋或弹簧等比较复杂的处理工艺，限制了其应用。另一方面，现有下颌骨模型缺乏有效的力学模拟及测量系统，无法得到所需要的应力分布等力学数据。

发明内容

为了克服已有基于人体离体下颌骨的生物力学模型构建及测量中得到的通用数据无法用于具体手术案例进行力学分析、测试准确性较差的不足，本实用新型提供一种更能表达患者的真实状况、测试准确性较好的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，所述应力测量系统包括测量底座、肌力等效结构、肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置、加载平台和应变片，所述肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置和加载平台均安装在测量底座上，个性化下颌骨生物力学模型包括下颌骨和两个颞下颌关节盘，所述下颌骨上布置升颌肌群(颞肌、翼外肌、咬肌和翼内肌)的弹簧挂钩，所述应变片贴在下颌骨的测试区域，所述两个颞下颌关节盘固定到所述关节盘固定装置中，下颌骨模型上的两个髁状突装入关节盘中，下颌骨模型中承受咬合力的牙齿与所述加载平台的动作端接触，所述肌力等效结构的下端与所述弹簧挂钩连接，所述肌力等效结构的上端与肌力等效结构的固定装置连接。

进一步，所述肌力等效结构的固定装置包括刚性绳索、压板和滑杆，所述刚性绳索的下端与所述肌力等效结构的上端连接，所述刚性绳索的上端绕在压板上并穿过所述压板与滑杆之间的间隙，所述压板可伸缩地安装在滑杆上以调节间隙的大小。

优选的，所述滑杆上开有通孔，所述压板的两端带有螺杆，所述螺杆穿过所述通孔，螺杆可以选用滑杆上任意通孔位置，以获得所需的肌力方向，所述螺杆的下端安装调节螺母。也可以选用其他定位方式。

所述测量底座上安装立柱，所述立柱侧面带有滑槽，所述滑杆的两端用螺母固定在所述滑槽内。

所述加载平台包括加载立柱和舌形平台，所述舌形平台安装在加载立柱上，所述加载立柱安装在所述测量底座上。

所述测量系统还包括用于分析应变片接收的应力信息的信号处理器，所述应变片通过传输电缆连接所述信号处理器。

本实用新型的技术构思为：如果能够以患者自身的下颌骨数据为基础，设计并制作出具有皮质骨和松质骨分层、并考虑升颌肌群等效机构和力学测量方案的个性化下颌骨生物力学模型，并在专门构建的力学测量平台上进行测量，则可以得到该个性化下颌骨生物力学模型的精确力学测量数据以及应力分布情况，从而为复杂的手术方案设计提供理论数据。

根据本实用新型所述的个性化下颌骨生物力学模型，模型为患者下颌骨的个性化复制模拟模型，在其基础上得到的力学数据可以用于指导精确制订该患者的治疗方案；该模型包括皮质骨和松骨两种属性的材料；包括患者的完整牙列和弹簧挂钩，所述的完整牙列分为承受咬合力的牙齿和其它牙齿，其中承受咬合力的牙齿具有完整的牙根和牙周膜，其它牙齿和下颌骨为一个整体；所述的弹簧挂钩的安装位置是下颌骨升颌肌群(咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌)在下颌骨上连接面的中心处，用以连接弹簧。

本实用新型的有益效果主要表现在：构建出正常下颌骨、骨折修复下颌骨、缺损修复下颌骨等多种情况的生物力学模型，并测量其力学数据。与现有的通用下颌骨生物力学模型相比，个性化下颌骨生物力学模型更能表达患者的真实状况，再通过应力测量系统，可以得到下颌骨不同位置的应力分布情况，从而为下颌骨治疗手术提供理论依据。

附图说明

图1是个性化下颌骨生物力学模型简化图，其中，1是颞下颌关节盘，2是下颌骨，21和29、22和28、24和27、25和26分别是颞肌、翼外肌、咬肌和翼内肌的弹簧挂钩，23是牙周膜。

图2是应力测量系统的主视图，其中，3是肌力等效结构，其中31和38、32和37、33和36、34和35分别是颞肌、翼外肌、咬肌和翼内肌的等效弹簧，4是关节盘固定装置。

图3是应力测量系统的侧视图，其中，5是测量底座，51是滑杆，52是压板，53是立柱，54是应变片，6是加载平台，7是传输光缆，8是信号处理器，9是电脑终端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图3，一种个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，所述应力测量系统包括测量底座5、肌力等效结构3、肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置4、加载平台6和应变片54，所述肌肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置4和加载平台6均安装在测量底座5上，个性化下颌骨生物力学模型包括下颌骨2和两个颞下颌关节盘1，所述下颌骨2上布置颞肌、翼外肌、咬肌和翼内肌的弹簧挂钩，所述应变片54贴在下颌骨2的测试区域，所述两个颞下颌关节盘1固定到所述关节盘固定装置4中，下颌骨模型上的两个髁状突装入关节盘中，下颌骨模型中承受咬合力的牙齿与所述加载平台6的动作端接触，所述肌力等效结构3的下端与所述弹簧挂钩连接，所述肌力等效结构的上端与肌力等效结构的固定装置连接。

进一步，所述肌力等效结构构的固定装置包括刚性绳索、压板52和滑杆51，所述刚性绳索的下端与所述肌力等效结构的上端连接，所述刚性绳索的上端绕在压板52上并穿过所述压板52与滑杆51之间的间隙，所述压板52可伸缩地安装在滑杆51上以调节间隙的大小。

优选的，所述滑杆51上开有通孔，所述压板52的两端带有螺杆，所述螺杆穿过所述通孔，螺杆可以选用滑杆上任意通孔位置，以获得所需的肌力方向，所述螺杆的下端安装调节螺母。也可以选用其他定位方式。

所述测量底座5上安装立柱53，所述立柱53侧面带有滑槽，所述滑杆51的两端用螺母固定在所述滑槽内。

所述加载平台6包括加载立柱和舌形平台，所述舌形平台安装在加载立柱上，所述加载立柱安装在所述测量底座上。

所述测量系统还包括用于分析应变片接收的应力信息的信号处理器8，所述应变片54通过传输电缆7连接所述信号处理器8。

本实施例中，测量底座5上安装4根立柱53，每根立柱的4个侧面都具有滑槽，供滑杆51移动；所述的肌力等效结构3包括8个弹簧，8个弹簧对应8根刚性绳索，所述的弹簧是模拟咬合状态下的升颌肌群(咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌)，弹簧的刚度和长度根据肌电检测仪检测或者经验值来选用，弹簧一端与下颌骨上的弹簧挂钩连接，另一端与刚性绳索连接，刚性绳索的另一端缠绕在压板上，由压板52压紧，再由螺母固定；所述的肌力等效结构的固定装置由4根滑杆51，8个压板52，16个螺母组成，所述的滑杆可以在滑槽中上下或左右滑动，用来调节力的方向；所述的关节盘固定装置4由2根带有矩形卡槽的立柱组成，使用时将颞下颌关节盘1从侧面滑入并卡紧；所述的加载平台6由一根立柱和舌形平台组成，用来模拟固定的上颌骨；所述的信号处理器8用来分析应变片所接收的应力信息，所述的电脑是用以记录和查看下颌骨各位置应变片的受力情况，并根据打印模型的材料特性和应力应变关系，计算出相应位置的应力值。

本实施例的应力测量系统，工作过程包括以下步骤：

1)测量平台的构成包括：肌力等效结构3、肌力等效结构的固定装置(51和52)，关节盘固定装置4，测量底座5，加载平台6，应变片54，信号处理器8及电脑9等；

2)将两个颞下颌关节盘1固定到测量平台的关节盘固定装置4中，再将下颌骨模型上的两个髁状突装入关节盘中，将下颌骨模型中承受咬合力的牙齿与舌形加载台接触，将肌肉等效弹簧(31和38、32和37、33和36、34和35)一端与下颌骨表面挂钩(21和29、22和28、24和27、25和26)连接，弹簧另一端与刚性绳索连接，将刚性绳索的另一端绕在压板52上，将压板压向滑杆51，拧紧螺母。

3)调节弹簧(31和38、32和37、33和36、34和35)和滑杆51的位置和大小，模拟不同位置的咬合力；

4)将应变片54贴在需要测量的下颌骨区域；

5)连接应变片与信号处理器，用传输电缆7连接信号处理器8与电脑终端9；

6)在电脑上读出各个位置应变值，并根据打印模型的材料特性和应力应变关系，计算出相应位置的应力值。

本实施例的个性化生物力学模型的设计制作，包括以下步骤：

(1)获取需要测量病人的下颌骨CT数据：CT扫描可用普通螺旋CT或牙科专用CT，为了保证精度，螺旋CT扫描时的切片间距和厚度都不超过1毫米；

(2)利用MIMICS软件对CT数据进行处理，根据CT图像上的灰度值，区分出下颌骨的皮质骨层和松质骨层，重建出具有皮质骨和松质骨两种材料属性的下颌骨三维模型；

(3)如果患者下颌骨有骨折，则在软件中通过调整骨折部分的位置使其复位；如果患者下颌骨有缺损或者需要部分切除，需通过自体骨移植和人工植入体进行修复，则设计出移植体部分的形状，构建出修复后的下颌骨模型；

(4)重建出颞下颌关节盘的三维模型1；

(5)对需加载咬合力的牙齿，可以重建出牙根和牙周模23的模型，为简化操作，其余的牙齿与下颌骨为一个整体；

(6)将下颌骨的肌肉(颞肌、翼外肌、咬肌和翼内肌)简化为图2中的一维弹簧(31和38、32和37、33和36、34和35)，在每一块肌肉与下颌骨上的连接面的中心处设计一个含贴片的挂钩(21和29、22和28、24和27、25和26)，作为弹簧连接点，使用时将贴片粘贴于下颌骨相应位置；

(7)测量区域分析及测量方案制订：根据具体的下颌骨力学分析目的，确定感兴趣的下颌骨测量区域，如下颌角，在此区域设计应变片的数量，并相应地在下颌骨上设计出应变片的安装位置；

(8)弹簧刚度确定：用肌电检测仪(electromyographic，EMG)测量一定咬合状态下的肌肉力，并计算出弹簧的等效刚度；

(9)下颌骨用选择性激光烧结SLS(3D system公司HiQ+HS系列)进行3D打印，皮质骨和松质骨分别采用不同的激光功率，材料为尼龙材料，可以得到与真实骨骼相近强度和硬度的模拟骨骼；加载牙齿用同样的方法制作，牙周膜用硅胶填充在牙齿和牙窝之间形成；

(10)针对骨折的下颌骨，将分离的骨块复位后用钛板固定；针对缺损修复的下颌骨，将移植体部分置于设计的位置，用钛板固定；

(11)利用CT数据，重建出包括软骨和硬质层两种材料属性的颞下颌关节盘结构，用Connex 350挤出成型3D打印机，同时打印软硬两种材料，得到同时具有软质层和硬质层的颞下颌关节盘1。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述应力测量系统包括测量底座、肌力等效结构、肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置、加载平台和应变片，所述肌力等效结构的固定装置、关节盘固定装置和加载平台均安装在测量底座上，个性化下颌骨生物力学模型包括下颌骨和两个颞下颌关节盘，所述下颌骨上布置升颌肌群的弹簧挂钩，所述应变片贴在下颌骨的测量区域，所述两个颞下颌关节盘固定到所述关节盘固定装置中，下颌骨模型上的两个髁状突装入关节盘中，下颌骨模型中承受咬合力的牙齿与所述加载平台的动作端接触，所述肌力等效结构的下端与所述弹簧挂钩连接，所述肌力等效结构的上端与肌力等效结构的固定装置连接。

2.如权利要求1所述的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述肌力等效结构的固定装置包括刚性绳索、压板和滑杆，所述刚性绳索的下端与所述肌力等效结构的上端连接，所述刚性绳索的上端绕在压板上并穿过所述压板与滑杆之间的间隙，所述压板可伸缩地安装在滑杆上以调节间隙的大小。

3.如权利要求2所述的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述滑杆上开有通孔，所述压板的两端带有螺杆，所述螺杆穿过所述通孔，所述螺杆的下端安装调节螺母。

4.如权利要求2或3所述的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述测量底座上安装立柱，所述立柱侧面带有滑槽，所述滑杆的两端用螺母固定在所述滑槽内。

5.如权利要求1～3之一所述的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述加载平台包括加载立柱和舌形平台，所述舌形平台安装在加载立柱上，所述加载立柱安装在所述测量底座上。

6.如权利要求1～3之一所述的个性化下颌骨生物力学模型的应力测量系统，其特征在于：所述测量系统还包括用于分析应变片接收的应力信息的信号处理器，所述应变片通过传输电缆连接所述信号处理器。