基于快速原型制造技术的人体缺损下颌骨重建及生物力学分析研究

发布时间：2020-06-14 20:14

【摘要】：随着科学技术的快速发展,先进制造技术正朝着高精度、高速度、高效率以及复合材料加工的方向发展。具有诸多优点的快速原型制造技术是20世纪80年代发展起来的一种新兴的先进制造技术,它是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破。快速原型制造技术是机械工程、计算机技术、数控技术以及材料科学等技术的集成。由于快速原型制造技术的特殊成型原理,使得该技术非常适合制造结构复杂的生物医学模型,如人体的下颌骨等。计算机建模与仿真已经成为21世纪制造业发展的重要技术,为人体下颌骨的生物力学仿真分析等提供了重要手段。如何利用现有技术有效地进行人体下颌骨在实际咬合中的生物力学分析,来达到提高手术精度、缩短手术时间、优化手术方案、减轻患者痛苦的目的,已经成为下颌骨生物力学仿真分析亟待解决的问题。本课题在相关项目基金的资助下,进行了先进制造技术与生物医学工程的交叉学科研究,通过采用快速原型制造和计算机建模与仿真技术对基于快速原型制造技术的人体缺损下颌骨重建及生物力学分析的若干关键技术进行了建模、仿真分析和临床实验研究,为其结构优化、临床手术方案的规划和设计提供重要参考依据。达到了提高手术精度、优化手术方案、缩短手术时间、减轻患者痛苦的目的,具有很大的研究价值、意义和一定的先进性、前沿性,全文的主要研究内容如下： (1)论述课题的研究背景以及国内外发展现状,分析课题研究的必要性和意义；综述快速原型技术在生物医学领域应用的发展现状；介绍计算机建模与有限元生物力学仿真技术在国内外的发展状况；论证基于快速原型制造技术的人体缺损下颌骨重建及生物力学分析交叉学科研究的必要性和前沿性。 (2)采用基于逆向工程的三维CT重建技术,针对中国医科大学口腔医院的临床病例存在下颌骨肿瘤手术前缺少患者三维模型导致对患者病症处了解不充分等问题,研究螺旋CT的DCIOM格式数据与PC机之间数据的传输。完成从人体下颌骨二维CT数据到下颌骨三维数字模型的重建过程。完成缺损下颌骨的虚拟重建和种植体的建模。达到术前准确诊断患者病情、优化手术方案的目的。 (3)采用面向特定患者的个性化多平台协作建模技术,针对传统下颌骨重建手术植入钛板的标准化、不匹配等问题,研究针对特定患者的下颌骨钛板个性化建模方法,建立下颌骨钛板的个性化模型,达到优化设计个性化钛板3D模型的目的。并针对钛板在使用过程中的疲劳损坏问题,对钛板进行疲劳仿真分析,优化钛板结构,从而达到提高钛板使用寿命的目的。 (4)采用基于逆向工程CT数据的人体下颌骨FEA建模方法,研究建立患者原始下颌骨、切除肿瘤后的重建下颌骨以及植入种植体下颌骨的FEA模型的方法。并基于此模型采用骨生物力学和有限元集成的仿真技术,进行多种下颌骨模型在不同载荷情况下的生物力学分析,达到优化牙种植体设计方案、提高手术精度、降低手术风险的目的。 (5)采用多喷快速原型制造和个性化设计辅助下颌骨重建技术,针对传统下颌骨重建钛板的统一化、塑形时间长、术后存在并发症等问题,研究制造下颌骨RP模型及个性化植入钛板的方法,术前设计并制造出下颌骨的RP模型以及个性化的下颌骨植入钛板,解决了在手术过程中花费数小时进行下颌骨钛板塑形的问题,达到了缩短手术时间、提高手术成功率、减轻病人痛苦的目的。 (6)针对中国医科大学口腔医院实际临床病例中的传统下颌骨重建手术时间长、风险高、患者遭受较大痛苦等问题,将课题的研究成果RP技术应用到临床实验中,通过临床验证并对比分析5例典型病例,应用RP技术在下颌骨重建手术中可以缩短约2小时的手术时间,同时可以提高颌骨修复质量和手术精度,减轻患者痛苦,降低手术风险等。术后3个月移植骨段对位愈合良好,患者张闭口运动、语言和吞咽功能正常,临床实际效用明显。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：R318.01;R782.4
【图文】：

原理图,快速原型,光固化,原理

Fig. 1.4 The principle of SLA光固化快速原型工艺的基本原理：光固化快速原型的成型过程如图1.4所示。盛满液态光敏树脂的液槽，氦-镉激光器发出的紫外激光束在计算机控制系统的控制下按照零件的各层截面信息在光敏树脂表面上逐点进行扫描，被扫描区域的光敏树脂薄层发生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一个薄层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，使在已经固化好的树脂薄层表面再敷上一层液态光敏树脂，然后利用刮板将粘度大的光敏树脂层刮平，再进行-8-

快速原型,光固化,样件,工业

图1.5光固化快速原型制作的工业样件Fig. 1.5 Industrial sample manufactured by SLA型的优点：型法是最早出现的快速原型制造工艺，其成熟直接制成原型，产品生产周期短，加工速度快，加工结构外形复杂或使用传统方法难于成型的样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证直观化，降低错误修复的成本；（6)可联机操动化。型的应用：国3D Systems公司推出第一台商业化设备SL术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用，如小批量精密铸造、快速工模具及直接面向产用于汽车、电器、航空、娱乐、消费品以及医

【参考文献】