一種頜骨缺損個性化修復體的制備方法
【專利摘要】本發明涉及計算機輔助技術及頜面整形醫療器械領域，尤其涉及一種基于錐體束CT(CBCT)的頜骨缺損個性化修復體的優化設計與制造方法。其特征包括以下步驟：對患者頜面部進行CBCT掃描，獲取DICOM數據、將數據導入三維建模軟件-MIMICS(Materialise，比利時)重建頜骨三維模型、進行個性化修復體的設計、按照擬采用的固位螺釘尺寸設計數顆虛擬螺釘模型，再移動到頜骨適當位置以模擬螺釘固位修復體的情況、得出模型范氏應力和應變云圖、通過快速成型技術制作各種材料的實體等。本發明中的修復體在斷裂強度、應力-應變分布和使用壽命等生物力學性能上表現良好，至今接受植入手術的上下頜骨缺損患者，觀察約2年，未有斷裂、暴露等不良并發癥的發生。
【專利說明】一種頜骨缺損個性化修復體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機輔助技術及頜面整形醫療器械領域，尤其涉及一種基于錐體束CT(CBCT)的頜骨缺損個性化修復體的優化設計與制造方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]大面積頜骨缺損多由于嚴重外傷、感染或腫瘤切除等原因引起，輕者導致患者面部畸形，重者喪失咀嚼、語言和吞咽等生理功能，極大地影響著患者的口頜系統功能、自然容貌和心理健康。頜骨缺損傳統的修復方法有自體游離/帶蒂骨移植、同種異體骨移植、非血管化骨移植、血管化骨移植及牽張成骨等方法，這些方法有其各自的優缺點和臨床適應癥，都需要借助術者的經驗，術后效果難以保證，美觀和功能的恢復較差。
[0004]上頜骨是維持面中部外形和行使口腔功能的重要骨骼結構，具有復雜而特殊的解剖結構和生理功能，鄰近有口腔、鼻腔、眼眶等重要結構。上頜骨缺損對患者面容及功能的影響舉足輕重，往往導致面部畸形及口腔功能喪失，給患者的生理和心理帶來嚴重打擊，影響患者的生存質量。隨著種植技術的發展，出現了磁性附著種植體、桿卡嵌合式種植體和插人性種植體等特殊種植體，使贗復體的穩定性、舒適度和美觀效果獲得了很大提高。對于身體健康情況不穩定的老年人、預后較差的患者或不愿接受自體組織移植所造成創傷的病人，贗復體修復均可作為一種能夠令人接受的方法。骨移植在頜骨缺損修復方面一直發揮著重要作用，技術成熟。特別是自體骨移植，在臨床已經取得了很好的治療效果。但是，由于是取自體骨，必然對患者產生額外的創傷，而且自體骨的骨量有限，無法滿足大面積頜骨缺損的修復。異體骨和異種骨移植的解決了自體骨骨量不足的問題。這種方法對患者沒有額外創傷，但是不可避免會有免疫排斥。目前，以鈦和鈦合金為代表的金屬材料、合成塑料和生物活性陶瓷類等人工材料被應用于頜骨修復，這些人工材料力學性能好，而且可塑性靈活，能更好的恢復頜骨缺損的形態和功能。
[0005]頜骨缺損畸形的個性化設計的鈦合金修復體已經在頜面外科臨床中廣泛應用，它避免了傳統方法的開辟第二術區、移植骨量不足及長期骨吸收等問題，具有獨特的優勢。但它仍然存在修復體使用壽命短、恢復功能差及異物感明顯等缺點，特別是在涉及咬合功能的上、下頜骨缺損的病例中，設計不佳的修復體可能會短期內斷裂或外露，導致修復治療的失敗。在常規設計中僅僅依靠專科醫生和工程人員的臨床經驗來完成外形設計，沒有客觀的、定量的評價手段，最終臨床效果不甚理想。所以，設計制作生物力學性能良好的頜面修復體是頜面外科醫學急需解決的問題。
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【發明內容】
[0007]為了解決以上技術問題，本發明通過分析個性化設計的頜骨缺損修復體在生理功能狀態下的力學特性，提供一種便捷、高效的個性化修復體的優化設計與制造方法。[0008]解決以上技術問題的本發明中的一種針對頜骨缺損修復體制備方法，其特征包括以下步驟:
(I)對患者頜面部進行CBCT掃描，獲取DICOM數據:
由于口腔頜面部解剖關系復雜，很難通過平面圖形來確定頜骨病灶部位和范圍，利用數字化模型外科技術可以給醫生提供一個立體的模型，可以直觀地對頜骨疾病進行診斷和制定手術方案，從而避免損傷重要解剖結構。
[0009](2)將數據導入三維建模軟件-MMICS (Materialise,比利時)重建頜骨三維模型；根據患者特點進行虛擬手術設計:對殘端移位明顯的骨斷模擬復位，對感染或腫瘤骨斷進行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保持為STL格式文件。
[0010](3)將STL格式文件導入逆向工程軟件Geomagic，依據對側正常結構或一般人解剖結構進行個性化修復體的設計:按照點、線的原則，先設計數條表達主要外形特征的曲線，再曲線封裝連接得到修復體模型。
[0011]CAD中三維制圖的基本流程是點-線-面，而人體結構組織多由不規則的曲面構成，骨骼個性化修復體也是如此，而且最好由平滑曲面構成以減少應力集中區域。因此只要確定了頜骨修復體的幾條關鍵外形線，就可以簡便快捷的得到整個修復體實體模型。最終模型要求恢復頜骨組織的連續性和外形輪廓。
[0012](4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設計數顆虛擬螺釘模型，再移動到頜骨適當位置以模擬螺釘固位修復體 的情況。完成重建方案后，分別將頜骨、修復體和螺釘模型轉化為NURBS模型(非均勻有理B樣條曲線,Non-Uniform Rational B-Spline),再分別保存為IGES(Initial Graphics Exchange Specification)文件，總共得到三個備用文件。
[0013]螺釘設計和定位是完成有限元分析模型的必需步驟，因為螺釘對整個修復體的生物力學表現至關重要，需要在3D軟件中模擬實際手術中的螺釘情況，包括外形和位置。螺釘的外形是鈦重建螺釘，尺寸為2.5 X 9mm。
[0014](5)將步驟(4)中三個文件分別導入ANSYS Workbench，首先在三個模型之間分別作布爾減運算，去除模型之間相交部分并自動產生接觸區域，再使用網格控制工具劃分體網格，參考相關文獻和患者實際咬合情況進行三維有限元模型邊界條件的設定，計算機自動計算得出模型范氏應力和應變云圖。
[0015]這三部分是頜骨重建后的主要結構，具有各自的外形特征和材料屬性，而它們之間的聯接關系是生物力學分析結果的重要影響因素之一。
[0016](6)通過快速成型技術制作各種材料的實體。
[0017]本發明中進一步優化方案為根據有限元分析結果重復(4)，(5)步驟，修改修復體外形，直到到達以下要求:整個模型應力分布均勻，無應力集中區域；特定部位應力最大值低于其屈服強度。
[0018]所述步驟(6)中所用材料為鈦合金、樹脂、橡膠等。
[0019]幾何結構的精確對于模型的有效性非常重要。在此模型上用鈦金屬提前“定做”缺損修復體。本發明中的修復體形態遵循了原骨骼解剖特征，保持了修復頜骨的功能，具有個性化、定制化優勢，同時手術創傷小。
[0020]本發明中的修復體在斷裂強度、應力-應變分布和使用壽命等生物力學性能上表現良好，至今接受植入手術的上下頜骨缺損患者，觀察約2年，未有斷裂、暴露等不良并發癥的發生。
[0021]說明書附圖
圖1為本發明中的工藝流程圖
【具體實施方式】
本發明中針對頜骨缺損個性化修復體制備方法，其特征包括以下步驟:
(1)對患者頜面部進行CBCT掃描，獲取DICOM數據:
由于口腔頜面部解剖關系復雜，很難通過平面圖形來確定頜骨病灶部位和范圍，利用數字化模型外科技術可以給醫生提供一個立體的模型，可以直觀地對頜骨疾病進行診斷和制定手術方案，從而避免損傷重要解剖結構。
[0022](2)將數據導入三維建模軟件-MMCS (Materialise，比利時)重建頜骨三維模型；根據患者特點進行虛擬手術設計:對殘端移位明顯的骨斷模擬復位，對感染或腫瘤骨斷進行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保持為STL格式文件。
[0023](3)將STL格式文件導入逆向工程軟件Geomagic，依據對側正常結構或一般人解剖結構進行個性化修復體的設計:按照點、線的原則，先設計數條表達主要外形特征的曲線，再曲線封裝連接得到修復體模型。 [0024]CAD中三維制圖的基本流程是點-線-面，而人體結構組織多由不規則的曲面構成，骨骼個性化修復體也是如此，而且最好由平滑曲面構成以減少應力集中區域。因此只要確定了頜骨修復體的數條關鍵外形線，就可以簡便快捷的得到整個修復體實體模型。最終模型達到恢復頜骨的組織連續性和外形輪廓，在正常生理功能狀態下能較好的分散咬合載荷而無應力集中區域，具有良好的生物力學特性，在患者體內長期、穩定的發揮骨替代物作用。
[0025](4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設計數顆虛擬螺釘模型，再移動到頜骨適當位置以模擬螺釘固位修復體的情況。完成重建方案后，分別將頜骨、修復體和螺釘模型轉化為NURBS模型(非均勻有理B樣條曲線,Non-Uniform Rational B-Spline),再分別保存為IGES(Initial Graphics Exchange Specification)文件，總共得到三個備用文件。
[0026]螺釘設計和定位是完成有限元分析模型的必需步驟，因為螺釘對整個修復體的生物力學表現至關重要，需要在3D軟件中模擬實際手術中的螺釘情況，包括外形和定位。螺釘的外形是依據臨床最常應用的鈦重建螺釘尺寸設計的，為2.5X9mm。
[0027](5)將步驟(4)中三個文件分別導入ANSYS Workbench，首先在三個模型之間分別作布爾減運算，去除模型之間相交部分并自動產生接觸區域，再使用網格控制工具劃分體網格，進行三維有限元模型邊界條件的設定，得出模型范氏應力和應變云圖。采用布爾減運算可去除模型之間相交部分并自動產生接觸區域。
[0028]這三部分是頜骨重建后的主要結構，具有各自的外形、材料特性，而它們之間的聯接關系是生物力學分析結果的重要影響因素之一。
[0029]模型的網格劃分關系到有限元分析結果的最終精度，十分重要。網格數量與計算效率成反比，而與計算精度成正比，理論上是網格越多越好。但是網格越多計算效率越低，費時長。不規則模型最好選用四面體網格。
[0030]表1不同網格數量和相應的精度
【權利要求】
1.一種頜骨缺損個性化修復體的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)對患者頜面部進行CBCT掃描，獲取DICOM數據: (2)將數據導入三維建模軟件-MMICS，重建頜骨三維模型，對殘端移位明顯的骨斷模擬復位，對感染或腫瘤骨斷進行模擬截骨，得到缺損頜骨部位的三維模型，并保存為STL格式文件； (3)將STL格式文件導入逆向工程軟件Geomagic，按照點、線的原則，先設計數條表達主要外形特征的曲線，再封裝連接得到修復體模型； (4)按照擬采用的固位螺釘尺寸設計數顆虛擬螺釘，再移動到頜骨適當位置以模擬螺釘固位修復體的情況；完成重建方案后，分別將頜骨、修復體和螺釘模型轉化為NURBS模型，再分別保存為IGES文件，總共得到三個備用文件； (5)將步驟(4)中三個文件分別導入ANSYSWorkbench,首先在三個模型之間分別作布爾減運算，去除模型之間相交部分并自動產生接觸區域，再使用網格控制工具劃分體網格，根據患者的實際情況進行三維有限元模型邊界條件的設定，計算機自動計算得出范氏應力和應變云圖； (6)通過快速成型技術制作各種材料的實體。
2.根據權利要求1中所述的一種頜骨缺損個性化修復體的制造方法，其特征在于:重復(3)，(4)，(5)步驟，修改修復體外形，直到到達以下要求:整個模型應力分布均勻，無應力集中區域，特定部位應力最大值低于其屈服強度。
3.根據權利要求1中所述的一種頜骨缺損個性化修復體的制造方法，其特征在于:所述步驟(6)中所用材料為 鈦合金。
【文檔編號】A61B6/03GK103919631SQ201410171863
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】李鵬, 湯煒, 田衛東, 章毅, 劉磊, 龍潔 申請人:四川大學