1.一种具有拓扑优化固定单元和多孔髁突头单元的个性化髁突假体设计方法,其特征在于:所述设计方法包括以下步骤:
1.)髁突假体重建和下颌骨生物力学模型构建
1.1)对颞下颌关节患者进行计算机断层扫描,获取其CT数据,利用医学图像处理软件进行医学图像处理和模型重建,得到下颌骨三维表面模型,并同时重建髁突四面体实体网格模型;
1.2)利用医学图像处理软件模拟截骨,切除髁突,在下颌骨髁突颈下部插入平面,将下颌骨和髁突分离;
1.3)利用造型软件设计髁突的固定单元,提取下颌骨表面,生成厚为2mm的薄板模型,并对薄板的边缘进行适当修剪和光滑处理,并在网格处理软件中,得到初始固定单元四面体实体网格模型;
1.4)由分离的髁突和初始固定单元组成髁突假体;
1.5)在造型软件中,基于下颌骨三维表面模型,根据图像的灰度值与骨密度的关系函数,计算出下颌骨不同区域的骨密度值,再根据骨密度与杨氏模量的关系函数计算出各体素的杨氏模量,完成下颌骨实体网格模型的材料参数赋值,从而得到非均匀的下颌骨模型;
1.6)将下颌骨的升颌肌群简化为一维拉伸弹簧,确定弹簧刚度值,弹簧连接点为肌肉在下颌骨附着面积的中心点,并指向颅颌骨上的连接点;
1.7)对两个髁突的后上部位置的六个自由度施加相应的边界约束,得到下颌骨生物力学模型;
1.8)在有限元仿真软件中,将初始固定单元四面体实体网格模型与下颌骨生物力学模型进行装配,髁突下表面和下颌骨断端表面设定接触;初始固定单元分别和髁突、下颌骨绑定;
2.)基于生物力学的固定单元的拓扑优化设计
2.1)在下颌骨不同牙位加载正常咬合力,分别为三种咬合工况,加载肌肉力,并进行有限元仿真,分别得到下颌骨和固定单元的最大绝对主应力分布,并记录最大应力值;
2.2)将赋有材料属性的患者下颌骨实体网格模型和初始固定单元四面体实体网格模型一起导入有限元仿真软件中,设置优化目标,利用有限元仿真软件的拓扑优化功能进行优化,得到固定单元的初始优化形状;
2.3)将拓扑优化得到的固定单元导出到网格处理软件中修整,得到固定单元优化模型,并在该固定单元优化模型上,根据下颌骨解剖结构,避开重要解剖结构,确定螺钉的安装位置和数目,并设计出一套完整结构的优化固定单元;
2.4)用与步骤2.1)相同的加载方式对优化固定单元进行有限元仿真,根据得到的下颌骨和固定单元的应力分布和应力值,评价该固定单元是否满足治疗要求,如果满足要求,则进入下一步,如果不满足,则返回步骤2.2)重新进行优化设计,直到最终的优化固定单元满足要求;
2.5)将分离的髁突模型和最终的优化固定单元外表面进行连接,并使得优化固定单元外表面和髁突头侧面光滑连接,得到实心的人工髁突假体数字模型;
3.)髁突头多孔结构设计
3.1)基于下颌骨生物特征,皮质骨和松质骨力学性能和孔隙率的差异,髁突头部分多孔结构的晶胞密度将依次分为两个梯度,外层皮质骨部分和内层松质骨部分,其中内层松质骨部分的晶胞密度更小,获得更大的晶胞尺寸;
3.2)将髁突头模型区域分割,利用自然骨生物特征,通过将模型切割成小块,控制体网格生成质量;利用医学图像处理软件,通过阈值调整提取中间松质骨,经过造型软件处理得到较光滑的皮质骨‑松质骨分界面;
3.3)从实心的人工髁突假体数字模型中沿断面再次分离出髁突头;
3.4)利用造型软件,建立髁突头三层曲面模型,即髁突外表面、皮质骨‑松质骨分界面和髁突外表面与皮质骨‑松质骨分界面之间的中间面分别建立的NURBS曲面模型;
3.5)外层皮质骨部分和内层松质骨部分根据曲面曲率特征和重新建立曲面的需要,将曲面分成几个小曲面分别重建,再将直线投影在原外轮廓面上,生成曲线,经过一系列调整,建立高质量的uv曲线,重新生成光滑的曲面;中间层由外层曲面向内偏移,出现破面,再用同样的方法在破面上建立uv曲线,重新生成曲面;
3.6)建立有密度分布的多孔结构晶胞模型,利用有限元前处理软件,进行体网格划分,并生成正四面体网格即为多孔晶胞单元,将多孔晶胞单元编号,附属节点编号,并将节点坐标导出;
3.7)将赋有材料属性的患者下颌骨实体网格模型和实心的人工髁突假体数字模型一起导入有限元仿真软件中,利用有限元仿真软件的拓扑优化功能进行优化,得每个单元的相对单元密度;将拓扑优化体单元编号、附属节点、节点坐标,和节点相对单元密度值导出;
3.8)将多孔结构晶胞模型和拓扑优化体单元导出的数据在Excel中进行处理,把相对单元密度数据映射到多孔晶胞单元上,找出拓扑优化模型中离晶胞节点最近的节点,将其密度值赋予此晶胞节点,最终得到所有晶胞节点的密度值;
3.9)根据多孔晶胞单元四个节点的密度值计算晶胞的密度,赋予每个多孔晶胞单元密度数据;
3.10)根据多孔晶胞单元密度,计算出晶胞单元内六根杆的杆径,最终杆径取其平均值;
3.11)已知多孔晶胞单元所有节点的坐标及杆径,利用ug二次开发平台,导入软件成多孔髁突头模型;
3.12)将多孔髁突头模型与优化固定单元通过布尔操作组合成个性化髁突假体;
4.)对个性化髁突假体进行3D打印;
5.)对打印后的个性化髁突假体进行后处理,得到应用于临床的具有拓扑优化固定单元和多孔髁突头单元的个性化髁突假体。
2.如权利要求1所述的具有拓扑优化固定单元和多孔髁突头单元的个性化髁突假体设计方法,其特征在于:所述步骤1.1)中,髁突形状如果基本完整直接重建,或者一边健康可用镜像生成,或者都不健康,则可以根据关节窝形状及下颌骨形状以及健康人体数据库,重新设计一个人工关节外形,然后利用网格处理软件生成四面体实体网格模型。
3.一种如权利要求1所述的具有拓扑优化固定单元和多孔髁突头单元的个性化髁突假体设计方法构建的个性化髁突假体,其特征在于:所述个性化髁突假体包括固定单元和多孔髁突头单元,所述固定单元为具有拓扑优化结构的固定板,所述多孔髁突头单元设置在固定板的上部上,所述多孔髁突头单元为基于密度分布晶胞多孔结构的髁突头,该髁突头包括外层皮质骨部分和内层松质骨部分,每层都是由多个多孔晶胞单元构成,每个多孔晶胞单元均为一个由六根杆组成的正四面体结构,内层松质骨部分的多孔晶胞单元的密度小于外层皮质骨部分的多孔晶胞单元的密度,外层皮质骨部分的多孔晶胞单元的杆长度小于内层松质骨部分的多孔晶胞单元的杆长度;所述固定板的下部上设有螺钉孔。
4.如权利要求3所述的个性化髁突假体,其特征在于:所述固定板为倒V型,所述螺钉孔设置有四个,两两一组,左右对称的布置在V型的左右两侧上。