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基于有限元的个性化接骨板生物力学优化毕业论文

 2020-02-17 08:02  

摘 要

骨性Ⅲ类错牙合是指上前牙位于下前牙后侧,上、下颌骨形态位置关系不正常导致的错牙合畸形,前牙丧失了咬合功能,属于一种较常见的牙颌骨发育畸形疾病。错牙合会对患者的生理和心理造成了极大的伤害,严重的骨性Ⅲ类错牙合需要通过手术来矫治,本文的研究内容即为重建患者头颅三维模型,Le Fort Ⅰ型截骨上颌前移术的数字三维设计和接骨板设计及分析。其步骤为首先通过CT扫描仪提供的患者头颅原始数据在MIMICS中精确地建模三维颌骨模型,标定头影测量所需参数,确定Le Fort Ⅰ型截骨上颌前移术手术位移量并在MIMICS中进行虚拟手术操作,其次使用CINEMA 4D进行个性化接骨板设计,然后使用3-Matic对接骨板划分网格,最后将接骨板导入ANSYS软件中赋予材料属性并进行有限元分析。

关键词:骨性Ⅲ类错牙合;个性化;接骨板;有限元

Abstract

Skeletal Class III occlusal features refers to the malocclusion deformity caused by the abnormal relation between the shape and position of the upper and lower mandible caused by the anterior teeth located at the back of the lower anterior teeth, and the loss of occlusal function of the anterior teeth, which is a kind of relatively common malformation disease of the development of the maxilla. Skeletal Class III occlusal features to the patient's physical and mental caused great harm, severe skeletal Class III occlusal features need through surgery to correct wrong tooth, the research content of this article is to give the Le Fort I osteotomy and bone plate design and analysis of optimization process template. Its steps to provide patients by CT scan, head first raw data in the MIMICS a precise modeling 3 d jaws model, calibration head shadow measurement parameters, determine the displacement of the Le Fort I osteotomy and virtual surgery operation in the MIMICS, secondly using CINEMA 4 D for personalized bone fracture plate design, and then use Geomagic Studio mesh, finally the bone fracture plate and jaws model import in ANSYS software, finite element analysis and optimization.

Key Words:skeletal Class III occlusal features; personalized; bone fracture plate; finite element

目录

摘 要 III

Abstract IV

第1章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状分析 1

1.2.1计算机辅助医学的数字化三维人体组织重建及其虚拟手术规划设计 1

1.2.2个性化接骨板设计 3

1.3论文主要研究内容和创新点 6

1.3.1主要研究内容 6

1.3.2论文总体框架 6

1.3.3主要优势 6

第2章 利用MIMICS重建患者颅骨模型及虚拟手术设计 7

2.1研究材料 7

2.1.1研究对象 7

2.1.2 MIMICS介绍 7

2.2研究方法 7

2.2.1建立患者颌骨模型 7

2.2.2标定头影测量标志点并对测量相关关键测量指标 8

2.2.3设计并进行Le Fort Ⅰ截骨前移术虚拟手术 10

2.2.4导出术后头颅模型 13

2.3本章小结 13

第3章 利用CINEMA4D设计个性化接骨板 14

3.1研究软件介绍 14

3.1.1Magics介绍 14

3.1.2CINME4D介绍 14

3.2研究方法 14

3.3本章小结 18

第4章 利用ANSYS对接骨板有限元分析 19

4.1研究软件介绍 19

4.1.1 3-Matic介绍 19

4.1.2 ANSYS介绍 19

4.2研究方法 19

4.2.1网格划分 19

4.2.2有限元静力学分析 20

4.3本章小结 22

第5章 研究不足与总结展望 24

5.1研究不足之处 24

5.2总结展望 24

致谢 25

参考文献 26

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

骨性Ⅲ类错牙合指上下颌骨之间大小,形态,位置关系不正常导致的错牙合畸形,其原因是由于上颌骨发育不良或者下颌骨发育过度导致总体颌骨发育畸形。患者颏部发育不良,下巴前翘,侧面观察唇部线条突出,与患者面部其余线条不和谐,患者闭口困难,闭口时唇部肌肉紧张,笑露牙龈,该疾病对口腔咀嚼、发音功能造成影响。该疾病会对患者心理及生理造成极大伤害,极易生成自卑孤僻等心理问题,给患者的生活带来致命打击。

骨性Ⅲ类错牙合的矫治方法有:前方使用医疗器械牵引上颌,促进上颌骨的正常生长发育;抑制下颌生长发育,防止下颌生长过快;改变下颌生长方向至正常发育方向;正畸外科联合矫治。幼年时期可以通过使用牵引器来矫正,成人骨性反牙合,轻度的亦可用正畸掩饰性治疗,但中度与重度的需成人骨性反牙合要使用外科与正畸联合治疗。正畸外科联合矫治是指通过正颌手术和正畸辅助,其中正颌手术包括上颌骨Le Fort Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ截骨前移术,下颌骨升枝矢状截骨后退术,下颌骨体部截骨术,颏成形术等;正畸包括排齐牙列、整平牙弓,调整上下牙弓宽度与长度,纠正牙齿代偿性倾斜(去补偿)。

最常见的对于骨性Ⅲ类错牙合的外科手术为通过上颌骨Le Fort I型截骨上颌前移术,手术步骤为切口,显露上颌骨,截断上颌骨外侧壁及内侧壁,截断鼻中隔根部,断离上颌骨后缘,向下折断上颌骨,移动上颌骨、就位及植骨,固定上颌骨骨块,缝合切口[1]

本设计主要目标即为提供术前手术三维建模和手术指导及固定上颌骨骨块时所使用的基于有限元分析的个性化接骨板。

1.2国内外研究现状分析

1.2.1计算机辅助医学的数字化三维人体组织重建及其虚拟手术规划设计

1931年Broadbent提出使用头颅定位片的头影测量方式,成为了诊断牙颌面畸形的“金标准”[2]。常用的手术术前诊断方法是医生通过患者头颅的正侧位X线片、CT图像等二维影像资料,比对患者头颅颌骨各组织部分在矢状与冠状二维平面上的位置关系,手术实际效果预测也大多是通过在二维头颅 X 线片上呈现出来进行模拟,每一幅影像单单展示的是某一个解剖层面的组织信息,难以得到直观的患者组织部位三维立体结构,手术医生单单凭借自身的储备知识及以往经验观察来判断患者病情,需要花费大量时间进行系统性学习及术前严密观察诊断。

但是通过此类方法,相对于大部分患者案例来说,很难真实还原出患者颌骨软组织硬组织原本的三维方向上的立体关系,因此会造成对患者颌面畸形严重程度的判断误差以及手术操作方式设计上的不周全甚至不正确,如若术前判断错误导致实际手术过程中操作不便,更有甚者会导致手术失败给患者造成无法预计的身体损失[3]

传统的二维影像诊断方法一直沿用到1987年, Hemmy才第一次将数字化三维模型重建技术实际应用于颅颌面外科, 在真正临床实践上开辟了数字化技术在颅颌面手术应用的先例,在随后数十年中,随着高分辨率、高精度的三维激光扫描技术、三维摄影及重建技术,计算机辅助设计与制造技术 (CAD/CAM) 以及近些年来新兴出现的三维打印技术等的蓬勃发展,数字化正颌外科手术日趋成熟[4]

将患者实际病变部位所检查扫描采集到的CT或锥形束CT (CBCT) DICOM电子数据通过导入专业特定软件,并让计算机自动计算将其转化为三维立体模型, 是数字化外科手术的基础。医生通过观察该软件重建的患者病理变化的数字化模型,可以精确地显示其组织解剖结构与病变部位的空间位置,群体大小、几何形状,以及与周围组织结构的实际三维空间关系, 使得医生根据软件所重建的三维模型来进行相关检查后其诊断结果以及之后根据三维模型的虚拟手术模拟变得更加直观和精准。但代价是这些专业的操作技术大大增加了正颌外科手术的技术操作难度,这便需要对相关专门技术人员进行医学及工程建模技术培训之后才能熟悉并胜任这些较为复杂切精确的扫描建模工作,过高的技术门槛就容易导致不当的操作或遗漏一些关键的细节,很容易导致严重的误差反应到实际临床诊断或手术设计及实施中就会带来蝴蝶效应以至于有可能对患者带来不可预计无法挽回的后果。虽然目前绝大多数的MRI、CT扫描设备都配有了其公司专门的配套三维模型重建软件,但它们都仅限于配套使用在本公司特定设备下,并无良好的通用性,进一步加深了数字化技术在医学病变模型重建中的进步推广。由于数据量过大,图像数量过多的原因,该技术仅由医院专业的影像科医师使用,由于医院部门间的交流并不能由于数据 的原因并不能完全互通, 导致影像科的医师无法直接将全部患者组织部位信息传递给手术临床医生。

近些年来,随着电子计算机的软、硬件技术发展迅猛,同时也带动了医学相关方面的发展,将CT影像数据导入如MIMICS等通用软件中,临床医生简单操作后自己就可以重建出患者病变部位的3D影像,并可以让重建的模型随意移动旋转,全方位的观察患者病变结构。医生还可以自行用软件对模型进行切割,观察病变内部组织结构,从而精确地定位,定性,定量分析。大大减少了影像科与临床医生由于数据大或不通用导致的信息不对称、不完整。

计算机辅助设计技术(3D CAD)是现代数字化外科手术的基础核心, Okumura等人早在1999年就已经开始尝试将3D计算机辅助设计技术运用到传统正颌手术设计之中, 而Xia等人在2000年完善了前人的研究创作,构建出较为成熟可行且较为方便使用的计算机的3D手术规划和模拟手术系统。

如今一些常见的医学建模软件, 已能够完成对重建组织模型的区域分割、测量、骨块移动等模拟手术功能,对特定组织进行分割、移动、旋转等详细操作处理,实现手术的规划与模拟。常见的颌面外科手术如上颌骨Le Fort Ⅰ截骨前移术、下颌支矢状劈开术、颏成形等手术的设计和模拟已能够在计算机辅助下进行规划及模拟[5]。尽管现在这些技术依然存在着一些瑕疵, 但运用相关计算机辅助设计软件可完成常见的颅面骨外科手术的虚拟切割和移动, 使实际临床中复杂手术的操作可以预先在计算机上模拟并预测硬组织和软组织术后三维效果, 能有效缩短手术设计及实际操作时间并提高临床手术医生的手术熟练度,临床手术的精度在三维建模的帮助下大大提高,且由于术前模拟实际手术亦得以省时高效,并由于其高效精准所以减少了术后不良并发症发生的可能性。

1.2.2个性化接骨板设计

外科手术采用切开内固定已经历了130多年历史,最早可查的报道在1886年Hansman使用接骨板治疗骨折,随着时间的前进,不同部位的骨折接骨板内固定物都得到了发展。

正颌手术中常常使用钛合金接骨板进行移动骨段间的坚固固定,得益于钛合金良好的力学性能及优异的生物相容性。传统的外科正颌手术中骨块间的移动往往使用的是牙合板辅助来进行固定,但是其依靠的是下颌骨定位上颌骨的空间位置,下颌骨由于其位置的不稳定性经常使得上颌骨直接偏离了理想的定位空间位置,除此之外,由于牙合板在加工及术中固定时都存在着此类误差[6]

随着颅颌面部创伤的患者增多和越来越多人寻求整形手术改变其生理缺陷需求的增加,术后骨间固定多依靠接骨板实现,因此市场对接骨板的需求日益增加。国内对于金属接骨板的医用行业标准中部分典型的直型接骨板如图1.1所示。

图1.1 典型的直型接骨板

部分典型的异型接骨板如图1.2所示。

图1.2 典型的异型接骨板

然而由于人体组织结构解剖复杂、形状不规则加之各个患者个体方面亦存在着严重的差异性,即便接骨板的规格型号分的足够详细,其在实际临床过程中,成品化的接骨板与骨骼表面的吻合性也一定十分不理想。根据相关报道称成品化的接骨板植入物与人体的骨组织的接触率并不理想,即便使用较为细分的规格,也仅仅只能达到大概53%的接触率。较低的接触率可能会引起应力集中的问题,进而可能会影响新骨的生成,严重的会影响接骨板与骨块间的连接松动。

在实际临床中,由于人体颅颌面部解剖结构组织复杂,形状不规则,且每个患者个体间的差异,手术过程中需要对已加工成品化的接骨板在进行弯制处理,以使其形状尽量贴合个体患者的实际骨面。但是为了贴合患者骨面而预弯的影响对于接骨板的力学性能是不可逆的,接骨板断裂的相关动物实验及临床研究均已表明,术中弯制对于已经成型的钛合金接骨板会导致残余应力和微裂痕的产生,改变接骨板内部的金相结构从而降低它的强度及耐腐性,术中不经意间的不当或过度操作都会为之后钛合金接骨板断裂的伏笔[7]

为了解决上述问题,个性化的预弯型接骨板应运而生,其即是为了专门的某个个体而单独设计加工的,具有无可比拟的吻合性,对于传统成品化的接骨板需要术中弯制贴合患者骨面,个性化的接骨板在设计制作过程中就已考虑到患者个体间的差异。相关研究实验证实,对于预成型的钛合金接骨板,其在弹性、刚性等生物力学性能均远优于其他成品化的钛合金接骨板。使用预成型钛合金接骨板,由于与患者骨面贴合性好术后结构稳定,能有效减少术后病情复发及其他问题的产生。

关于个性化接骨板的设计, Yumer等提出基于语义特征编辑形状的方法,其核心在于创建高层语义参数和底层几何元素之间的映射,以便非专业用户直观修改曲面形状;Neto等从设计的角度先基于骨骼表面生成接骨板的大致形状,再对其进行修剪生成符合患者所需形状模型;申晓光等基于逆向工程技术和CT图像反求出解剖型钢板模型,再对其进行个性化设计;Manic等基于CT扫描建立了3D 骨骼模型和骨折模型,并根据实体模型设计个性化植入物的3D模型[8]。上述研究在一定程度上都促进了骨科接骨板植入物设计的发展,但由于接骨板的复杂曲面,其设计及编辑修改相对复杂,至今对于如何高效设计个性化接骨板的有关研究较少。

关于接骨板的制作,传统的钛合金接骨板大多是由CNC数控机床加工出来的,如图1.3所示。

近段时间,三维打印技术获得了空前的发展,个性化钛合金接骨板的制造从传统车床加工方式后又有了新的解决途径。运用三维打印技术, 一方面能够依照人体的解剖外形制造复杂的个性化植入物; 另一方面也能制造出具有孔隙的金属植入物,以提高生物相容性并获得与骨组织相匹配的机械性能[9]

打印出的钛合金接骨板并不能直接投入临床使用,其仍需要经过一些后期的去支撑、扩孔等机械加工处理后,才能在实际临床上使用,如图1.4所示。

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