3D 打印下顎骨植入體設(shè)計

周小宇 張國慶

（周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口466000）

1 概述

下顎骨是口腔的重要組成部分，為牙齒和肌肉提供附著，組成顳下頜關(guān)節(jié)，承擔(dān)語言表達(dá)、咀嚼、吞咽等功能[1]。然而受到骨疾病、意外骨創(chuàng)傷、先天性畸形等因素影響，一些下顎骨病變患者無法正常生活，若不及時修復(fù)損傷部位則嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，病情嚴(yán)重時則需要通過手術(shù)對下顎骨進(jìn)行修復(fù)或更換。目前，所采用的植入體大多數(shù)是通過預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)寬度、厚度的連接板對骨創(chuàng)傷部位進(jìn)行簡單修復(fù)，此類型植入體與人體骨骼匹配性較差、相似性較低，表面質(zhì)量也不好。因此，研究開發(fā)個性化植入體的建模和成型方法，對模擬手術(shù)過程及提高病人的生活質(zhì)量具有重要意義。

近年來隨著材料科學(xué)、生物化學(xué)、骨組織工程技術(shù)、增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，3D 打印技術(shù)在骨科移植領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要作用[2]。該技術(shù)以數(shù)字模擬文件為基礎(chǔ)，通過專用軟件對三維模型進(jìn)行切片分層，獲得離散的截面數(shù)據(jù)，然后將離散數(shù)據(jù)導(dǎo)入快速成型設(shè)備，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件[3]。3D 打印技術(shù)因具有精度高、個性化程度高和材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，如今已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

針對上述生物植入體修復(fù)和3D 打印成型的特點(diǎn)，本文主要對3D 打印下顎骨植入體進(jìn)行設(shè)計，對成型技術(shù)進(jìn)行研究，優(yōu)化下顎骨植入體的匹配性和成型質(zhì)量，提高手術(shù)中植入的簡便性，最終提高病人的生活質(zhì)量。

2 下顎骨的逆向建模

傳統(tǒng)建模方法所建的模型與人體自身骨骼在結(jié)構(gòu)上還有著較大的差異，隨著三維建模技術(shù)的快速發(fā)展深化，人們對于產(chǎn)品三維模型的建立有了更多新的選擇，利用三維建模技術(shù)對人體骨骼進(jìn)行建模已成為常用的一種方法。考慮到下顎骨模型匹配程度和真實(shí)性，本文將一志愿者的真實(shí)顱骨CT 掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)軟件Mimics 中對患者下顎骨掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過調(diào)整圖像的灰度值將二維模型轉(zhuǎn)化為清晰的、可重建最初下顎骨三維模型，由于掃描及處理軟件分辨精度影響，所提取出的下顎骨模型還存在許多缺陷和不足，且表面質(zhì)量也較差，然而植入體表面質(zhì)量的好壞直接影響患者的使用體驗。

針對上述問題，以最初CT 模型輪廓模型為基礎(chǔ)，本文對下顎骨模型進(jìn)行逆向設(shè)計與重新建模。現(xiàn)存在的事物通常由點(diǎn)、線、面、體基本形態(tài)特征要素組成，可以將復(fù)雜事物分解為若干點(diǎn)、線、面、體幾何特征等要素，通過點(diǎn)、線、面、體基本形態(tài)特征要素來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然下顎骨植入體的個性化設(shè)計也可追溯到若干基本幾何形體特征，以基本幾何形體特征為設(shè)計切入點(diǎn)進(jìn)行逆向設(shè)計[4-5]。首先，在下顎骨模型重要位置放置面，通過面與最初曲面模型相交得到下頜骨的輪廓截交線，當(dāng)然直接所生成的截交線的形狀非常不規(guī)則、不平滑。因此，本文提出在截交線重要位置上放置若干點(diǎn)，然后將點(diǎn)連接成樣條曲線，這樣即可得到平順的曲線。最后，通過邊界混合將線生成面，曲面模型如圖1所示，由于本文主要研究面部下顎骨植入體模型與植入部位的匹配性，因此建模過程過對牙齒部位進(jìn)行了省略。

CT 模型曲面是由大量三角面組成的，且表面凹凸不平，最小高斯曲率：-56.8008，最大高斯曲率：3892.070，整個模型表面曲率波動范圍大，曲面不順滑，質(zhì)量較差。經(jīng)過逆向設(shè)計的下頜骨曲面模型著色曲率分析如圖2 所示，最小高斯曲率：-0.035，最大高斯曲率：0.0226，著色曲率顏色變化平滑，曲面的曲率變化波動小，曲面流暢順滑，質(zhì)量較高，可滿足使用要求。

圖1 下頜骨曲面著色曲率分析

3 下顎骨植入體與多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1 下顎骨植入體外殼設(shè)計

在下顎骨曲面模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，首先，對曲面進(jìn)行加厚處理生成實(shí)體模型，考慮打印工藝性，本文中將下顎骨外殼模型厚度設(shè)置成1mm。其次，模擬選取下顎骨上病變位置，在病變部位兩端插入兩平面，利用平面將所選取的植入體截取出來。最后，為了使植入體連接結(jié)構(gòu)能與植入部位無縫連接，提高植入體的匹配性，利用曲面偏移工具偏移出四個曲面連接板，接板的厚度為1mm，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植入體與連接板一體化建模，如圖2 所示，端部還設(shè)計直徑為2mm 的連接孔，這樣植入體兩端可通過4 個M2 螺釘將植入體連接板與原下顎骨模型植入部位實(shí)現(xiàn)連接固定。

圖2 下顎骨修復(fù)模型

3.2 下顎骨多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3D 打印的植入體所用材料的力學(xué)性能與人體自身的骨骼相比一般還有很大的差異。若將打印的下顎骨三維實(shí)體模型直接植入人體，將會使所植入的成型體承受過多的附加應(yīng)力，使其周圍的健康骨骼承受較小的應(yīng)力，最終由于健康的骨骼得不到應(yīng)有的應(yīng)力刺激而逐漸消失，并且若打印的假體內(nèi)部不是多孔結(jié)構(gòu)，也會造成植入體質(zhì)量過大和材料浪費(fèi)等問題。另外，研究認(rèn)為孔與孔之間相互連通可使細(xì)胞長入和遷移，可使生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)等進(jìn)入材料內(nèi)部。因此，為了解決植入體與人體自身骨骼所受的應(yīng)力不平衡、植入體輕量化設(shè)計、表面積體積比及提高材料的利用率等問題，常用設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)填充到3D打印零部件殼體內(nèi)部。

理論上植入體殼體內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)單元是可以進(jìn)行隨意選取，根據(jù)具體需求通過調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同形狀多孔結(jié)構(gòu)的建模。本文中植入體多孔結(jié)構(gòu)采用邊長為8mm 的正方體晶格單元進(jìn)行填充，晶格結(jié)構(gòu)包含內(nèi)部水平梁、內(nèi)部豎直梁、外部水平、外部豎直梁、角度梁，梁橫截面形狀為直徑1mm 的圓柱梁，中心連接球體直徑為2.5mm。所設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)植入體模型如圖3 所示，經(jīng)軟件計算總體積為2.78×1000 立方毫米，與實(shí)心植入體相比體積和質(zhì)量降低了66.8%，因此，該結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效縮短打印時間，減小打印材料，降低打印成本。

圖3 植入體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)

4 材料的選取及打印

近年來可以代替人體骨骼植入物的材料主要有鎳鈦合金、不銹鋼、生物陶瓷、光敏樹脂、PLA 等材料[6]。考慮到熱熔性、制造成本、生物降解性等因素，本文中所用材料為PLA。最終3D 打印成型的下顎骨修復(fù)模型如圖4 所示，由圖可看出成品表面質(zhì)量較好，圖5 為植入體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)模型，由圖可以看出打印的成品內(nèi)部結(jié)構(gòu)與所設(shè)計的模型結(jié)構(gòu)一致，成品總體精確、壁厚均勻。

圖4 成品修復(fù)模型

圖5 植入體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過逆向工程設(shè)計出個性化程度高、匹配性好、曲面質(zhì)量高、固定連接一體化的下顎骨植入體殼體模型，完成植入體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計，所設(shè)計的連接結(jié)構(gòu)植入操作簡便和可行性強(qiáng)。經(jīng)過3D 打印下顎骨植入體模型，完成了修復(fù)模擬操作。綜上所述，本文中下顎骨植入體的設(shè)計與3D 打印成型研究，為復(fù)雜下顎骨修復(fù)提供了重要參考，具有重要理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。