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原文
下颌骨重建的个性化多孔结构接骨板设计及分析
K. Moiduddin a,b,lowast; S. Anwar b N. Ahmed a,b M. Ashfaq a,b A. Al-Ahmari a,b
- Princess Fatima Alnijirisrsquo;s Research Chair for Advanced Manufacturing Technology (FARCAMT Chair), Advanced Manufacturing Institute,
King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia
- Industrial Engineering Department, College of Engineering, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia
Received 11 October 2016; received in revised form 2 January 2017; accepted 28 January 2017
Available online 1 March 2017
摘要
背景: 大型缺损下颌骨的重建通常来说很复杂。计算机辅助设计技术与先进的医学成像技术（CT / MRI）的应用在重建手术中越来越受到重视。研究证明具有多孔结构的植入物可以有效地增强骨头的生物固定。然而,还没有关于多孔下颌骨重建的设计和分析的研究报告。
目标: 本研究的目标是为学习和分析基于植入物设计技术的选择定制多孔重建提供一个集成框架模型。
方法: 在这项研究中，比较了两种定制的种植体设计技术（镜像/解剖学），最好的设计是基于表面偏差。对选择的植入物设计模型进行三维有限元分析以评估其在咀嚼条件下的生物力学性能。
结果: 有限元模拟结果表明，所设计的多孔板能够承受咀嚼载荷条件，具有良好的稳定性。在重建板（360MPa）和螺钉（122.90MPa）上产生的最大应力明显较小，并且在植入材料的破坏极限内。
* Corresponding author at: Advanced Manufacturing Institute (AMI), College of Engineering, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia.
E-mail addresses: kmoiduddin@gmail.com (K. Moiduddin), sanwar@ksu.edu.sa (S. Anwar), anaveed@ksu.edu.sa (N. Ahmed), mashfaq@ksu.edu.sa (M. Ashfaq), alahmari@ksu.edu.sa (A. Al-Ahmari).
http://dx.doi.org/10.1016/j.irbm.2017.01.003
1959-0318/copy; 2017 AGBM. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.
结论：根据研究结果，建议采用镜下重建技术修复下颌骨，有效提高咀嚼条件下下颌骨重建的稳定性和灵活性。 copy;2017 AGBM。 由Elsevier Masson SAS出版。 版权所有。
关键词：下颌骨重建钢板; 多孔植入物; 种植体设计选择; 偏差分析; 有限元分析; 应力分布
1.介绍
由于教育意识，手术的发生率以及医生和患者中的行业参与者的努力,医疗领域采用新技术的势头正在增强。下颌骨在面部对称，咀嚼，咬合和言语功能中起重要作用[1,2]。下巴，唇部位置和微笑的外观都与下颌骨有关。大的连续性下颌骨缺损常常由创伤和肿瘤相关问题引起。下颌骨缺损的即刻修复提供了最佳的功能和美学效果。具有钛重建板的血管化的骨移植物是具有主要供体位点的金标准，包括腓骨，髂嵴，桡骨前臂和肩胛骨。[3]延迟重建下颌骨缺损会导致硬组织和软组织的纤维化和瘢痕形成，从而使得重建骨的位置相当困难和复杂。[4]对于颌面外科医生来说，下颌骨重建是一项具有挑战性的任务，因为结构紧凑而且隐藏的较深。
由于重建板标准形状和尺寸，商业上可用的重建板不提供精确的重建。此外，外科医生要花费相当多的时间来弯曲和塑造重建板以匹配病人的下颌轮廓。重建板的过度弯曲和缺乏被动拟合会导致疲劳断裂[5,6]。据报道，疲劳磨损和骨折是植入物松动，失效和应力遮挡相关的主要问题之一[7]。连续过度弯曲也会对材料分散造成伤害，并容易发生骨折。螺钉松动，钢板暴露和骨折是传统重建钢板所面临的最常见的并发症[8]。相反，为了匹配面部轮廓并提供更好的美容效果，使用医疗建模软件使用定制植入物设计的概念是必不可少的。此外，需要新的和改进的具有网状结构的重建植入物，这可以加速愈合过程。由于骨组织向内生长穿过毛孔，具有多孔结构的植入物已经有效地显示出长期的生物学固定[9,10]。
预先设计定制种植体可以提高精确度并缩短手术时间。随着医疗技术的进步，特别是20世纪最后25年的信息技术，虚拟手术计划（VSP）和模拟在重建手术中获得了越来越多的关注。医学建模软件的进步及其与CT，MRI等医学成像技术的结合为临床医生提供了诊断和实施虚拟评估的机会，电脑自身就能模拟和实施整个手术的术前计划。对手术进行准确，细致的术前规划和模拟可以提高有利结果的可预测性，如准确的固定，降低手术风险和缩短手术时间。
本研究概述了从患者CT扫描开始的定制多孔重建板的设计和有限元分析中的计算机辅助工作流程。有限元分析（FEA）是一种数值模拟过程，可以模拟接近实际的结构。有限元分析在重建钢板的设计中起着至关重要的作用 [11,12]，并广泛应用于生物力学研究以分析下颌种植体的力学行为[13,14]。本研究的目的是基于重建设计技术的选择和计算在咀嚼条件下产生的应力和应变来开发用于设计定制多孔重建板的集成框架模型。这些发展在下颌骨重建中是独一无二的，由于其复杂性导致没有多少研究者试图设计和分析多孔重建板。
2. 定制多孔重建板的方法学
图1所示的流程图说明了用于下颌骨重建的定制多孔重建板的设计和分析的主要步骤。这些步骤解释如下。
2.1. 患有肿瘤缺陷的患者
一名患者在医院接受了切口活检手术，显示出一种坚实的，丛状的主要成釉细胞瘤。使用GE公司的Light Speed VCT XTe 64排螺旋CT对患者的面部骨骼进行三维重建扫描，扫描显示多发性病变伴随扩大的颊侧和舌侧板以及一些皮质穿孔。每个切片由512times;512像素组成，切片厚度为1.25mm，像素尺寸为0.49mmtimes;0.49mm。将获得的来自CT扫描的DICOM（医学数字成像和通信）图像存储在数据库中以供进一步研究。
2.2. 下颌骨3D模型准备
获得的DICOM文件采用2D格式，提供了患者解剖结构的正面，侧面和后端的手术视图。通过使用医学建模软件“Mimics17.0reg;”堆叠2D图像数据以形成3D表面模型（图2（b））来处理DICOM数据（图2（a））。Mimicsreg;是由比利时Materialise NV开发的3D设计和建模的图像处理软件。在Hunsfield单位（HU）360到2658HU范围内的定制阈值用于骨识别。HU是传统CT值测量的标准尺度。在Mimicsreg;中应用区域生长技术进行分割，将骨骼结构（图2（c-g））从3D表面模型中分离出来，直到获得最终的感兴趣区域 - 下颌骨（图2（h））。 这部分下颌骨的手术是一个冗长而费时的过程。对于复杂的解剖结构，分割过程必须重复几次，直到获得令人满意的清晰的下颌骨。然后将获得的下颌骨保存在STL文件中以进一步处理植入物设计。
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图1.定制多孔重建板的设计和分析示意图。
图2.使用Mimics的轴面投影和生成的3D模型从DICOM文件提取下颌骨的步骤. |
图3.选择定制种植体设计技术的流程图.
2.3. 定制的下颌植入物设计
植入物的寿命和成功取决于植入物材料，固定类型和种植体设计。有几种CAD技术涉及定制重建板的设计，如镜面重建和解剖重建。重建设计技术越好，最终植入物的准确性越好。尽管设计定制种植体有多种方法，但应注意种植体设计技术，该技术可提供更准确，更好的结果，同时最小化骨-种植体界面的偏差。因此，选择正确的下颌骨缺损设计技术，以最高的准确性和恢复下颌骨缺损的修复次数最为重要。一些作者解释了下颌骨重建的镜像和解剖设计步骤[15–17]。这两种设计技术都有其自身的优点和局限性，如镜像重建设计技术仅适用于对称区域，而解剖设计技术可应用于对称和非对称区域，但需要高度的设计专业知识。使用Geomagicqualifyreg;的三维图形比较（表面偏差）方法用于评估关于原始无缺损下颌骨CAD模型的两种设计技术。图3说明了选择种植体设计方法的流程图。
2.3.1. 镜面重建下颌骨缺损的方法
镜面重建是颅面和颌面应用中最常用的植入物设计技术之一。在镜像中，将有缺陷的肿瘤区域切除并用参照中矢状平面以健康一侧镜像对称来取代，以产生理想的对称解剖结构。早期研究中的各种研究人员利用具有出色面部对称性的镜像重建成功修复了下颌骨缺损[18,19]。标准的下颌骨重建镜像重建步骤解释如下并显示在图4:
- 使用极端分析法在下颌骨髁上选择两个极端点，并通过3-Maticsreg;创建基准平面（图4（a）），以将下颌骨从中平面区域切割成两半(图4（b）)。
- 切割平面用于去除下颌骨的左侧肿瘤区域 (图4（c）) 并使用镜像复制右侧下颌骨的健康右侧(图4（d）).
bull; 对称的左右下颌骨区域合并(图4（e）)。
- 执行包裹操作以克服间隙和不连续表面，以获得无缺陷镜像下颌骨模型 (图4（f）)。
2.3.2. 下颌骨缺损的解剖重建方法
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图4.重建下颌骨肿瘤的镜像设计步骤. |
第二种设计技术-解剖重建基于表面和细化方法，其中调整和引导切除骨的两端曲线以形成期望的重建骨。它也被称为CAD软件中的自由曲面或放样技术。下面解释使用3-Maticsreg;进行下颌骨重建的解剖设计技术的标准步骤图5.
- 使用解剖重建工具在切除的下颌骨上选择两个轮廓 (图5（a）) 以创建一条直线中心线 (图5（b）))。
- 将直线中心线调整为弯曲路径以匹配下颌骨骨质曲率(图5（c）). 直线调整到曲线路径取决于设计师的技能和专业知识。
- 根据弯曲路径在切除区域中生成新的重建骨骼 (图5 （d）)。
- 新形成的重建骨与下颌骨合并，但以空隙和间隙为代价 (图5（e）)。
- 通过包裹下颌骨来去除这些空隙，间隙和不连续表面，以获得没有任何缺陷的最终解剖下颌骨模型。
2.3.3. 三维比较的表面偏差分析
为了进行3D比较，将从镜像和解剖设计方法获得的重建模型导入Geomagicqualifyreg;作为测试模型，而将原始下颌骨（没有任何缺陷）作为参考模型。导入的测试模型与参考模型对齐，然后进行一系列分析以确定表面偏差图6。最大和最小色谱被定义为两个设计测试模型的偏差（毫米） 参考模型。色谱上的负值（浅蓝色到深蓝色）表示测试表面在参考表面内移动，正值（绿色到红色）表示测试表面从下颌参考表面移开（外侧）。
图6中的3D表面偏差结果表明，与5.031mm的解剖学方法相比，镜像重建方法具有4.768mm的较小表面偏差。在诸如复杂性和专业知识等性能因素方面，镜像重建设计方法不太复杂，易于实施且经验较少，所需时间也较少。根据表面偏差结果，将镜像重建技术应用于患有大型下颌骨缺损的患者.
2.3.4. 多孔重建板的设计
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图5.下颌骨肿瘤重建的解剖学设计步骤. 图6.原始CAD模型与重建设计模型之间的偏差分析（a）镜像重建模式和（b）解剖重建模型。（对于本 全文共14768字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[14294]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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