用于修复骨折下颌骨的三维固定板制作方法及三维固定板与流程

本发明涉及一种用于修复骨折下颌骨的三维固定板制作方法及三维固定板。

背景技术：

下颌骨是人体颌面部骨骼中体积和面积均最大的，也是唯一能活动的面部骨骼，而且处于面部下方，因此在遭受交通事故等意外冲击时非常容易受到多方向的暴力冲击。另一方面，下颌骨通过肌肉与颅颌骨相互联系，缺少坚强的支撑，因此下颌骨在受到冲击时极易发生骨折，其发生率占颌面骨折发生率的72％左右。下颌骨的几何和生理结构决定了不同区域发生骨折概率不同，其中髁突颈部、下颌角和下颌体是骨折易发区域。下颌骨骨折后，肌肉的平衡关系被破坏，骨折段因受到咀嚼肌不同方向的牵引力而发生移位，引起牙列变形、咬合错乱及咀嚼功能障碍，甚至阻塞呼吸道，发生呼吸困难，必须得到即时救治。

下颌骨骨折修复治疗主要包括复位和固定，其目的在于恢复重建正确的咬合关系，并尽快恢复完整的下颌骨功能。下颌骨骨折复位固定方法包括手法复位、颌间牵引或颅颌牵引等非开放式的保守治疗，也可以通过手术进行开放式复位和固定。开放式复位和固定是通过外科手术打开皮肤及肌肉等软组织，暴露出骨折部位的骨骼，将各骨段进行复位后，利用多孔固定钛板和一组螺钉(以下统称固定系统)固定，待术后六个月左右骨折部位愈合后通过二次手术取出固定装置。开放式复位方法中，目前坚强内固定(Rigid Internal Fixation,RIF)已经成为治疗下颌骨骨折的首选和标准方法。通过实施RIF手术，患者能够重新得到稳定的下颌骨，并在术后即刻恢复部分咬合功能。

在下颌骨骨折的RIF治疗中，目前医生主要根据临床诊断和治疗经验，设计固定方式并选用合适的固定钛板进行手术，根据不同部位的骨折采用不同的固定方式进行固定。目前在下颌骨骨折修复手术中使用的固定钛板包括小型板(Miniplate)、微型板(Microplate)和重建板(Reconstruction plate)，其中小型和微型板有L型、Y型、米字型等具有标准尺寸的固定形状，重建板只有标准的长条型。所有这些板都是二维的，需要在手术中用弯制工具根据患者骨骼形状和固定需要进行现场弯制，延长了手术时间，而且与患者骨面贴合不理想，骨骼的受力难以做到精确控制，同时固定位置难以精确确定和控制，使固定钉容易伤及牙根、下颌神经管等重要解剖结构。

如果能够根据下颌骨在咬合力下的受力情况，以患者自身数据为基础，设计出真正具有三维形状的固定系统，并充分利用金属立体打印的高效率，将可以有效提高个性化固定系统的稳定性和治疗的精准性。

技术实现要素：

为了解决下颌骨骨折坚强内固定治疗中，医生只能依据经验选用二维固定系统，不能保证其与患者骨骼良好匹配以提供良好的固位力和稳定性的问题，本发明提出一种能够提供下颌骨固定最佳力学分布并与患者骨表面良好贴合的用于修复骨折下颌骨的三维固定板制作方法及三维固定板。

本发明所述的用于修复骨折下颌骨的三维固定板制作方法，包括以下步骤：

1)构建标准下颌骨的生物力学模型，建立分区域的咬合力下的应力分布图，进而制订分区域的骨折固定原则：

(1)选取典型的下颌骨，得到其CT数据，通过医学图像处理和模型重建得到其三维表面模型(三角网格)和实体网格模型(四面体网格)；

(2)根据CT图像上的灰度值与骨密度的关系函数，计算出下颌骨各个体素的骨密度值，并根据骨密度与杨氏模量的关系函数完成对体素杨氏模量的计算，并对实体网格模型进行材料特性参数赋值，得到非均匀的下颌骨模型；

(3)将下颌骨的肌肉(咬肌、翼内肌、颞肌)简化为一维弹簧，弹簧刚度值根据文献资料中的参数确定，弹簧连接点为肌肉在下颌骨上的连接点、并指向颅颌骨上的连接点；

(4)对两个髁突的后上部单元施加限制六个自由度的边界约束，在下颌骨上不同牙位(前牙区、后牙区)加正常咬合力载荷，得到下颌骨生物力学模型，并进行有限元仿真，得到下颌骨的最大绝对主应力分布，从而得到不同区域的应力种类(拉应力、压应力)；

(5)通过SLS立体打印下颌骨模型，建立与有限元仿真相似的条件，进行实验测试，对有限元应力分布进行验证和修正；

(6)以分区域(髁突颈、下颌角等)的最大绝对主应力值分布为基础，确定该区域发生骨折时，固定点应该布置在受拉应力的区域，此即为固定原则；

2)针对待重建下颌骨，获得其CT数据，进行三维重建；

3)根据骨折位置及形式，按固定原则，同时考虑避开牙根、下颌神经管等重要解剖结构，确定复位后的固定位置和数目；

4)基于骨表面，设计连接一系列固定位置的多孔板三维结构，其固定孔按标准的骨科用固定钛钉进行设计；

5)以相同的方法构建下颌骨生物力学模型，并包括固定系统，进行有限元仿真，根据得到的下颌骨和固定系统的应力分布，对固定板三维结构进行修改。必要的时候，可以打印出相应的物理模型进行测试验证；

6)利用金属立体打印SLM对钛合金粉末进行立体打印，得到三维固定板原型；

7)对三维固定板进行抛光处理，得到可以临床应用的三维固定板。

根据本发明所述的用于修复骨折下颌骨的三维固定板制作方法构建的三维固定板，其特征在于：包括用于连接待修复下颌骨骨折处的主连接板以及多根辅助连接板，所述的主连接板上沿连接板走向分布若干用于固定在待修复下颌骨上的主安装通孔，所述的辅助连接板设置在所述的主连接板侧面，并且所述的辅助连接板上设有用于固定在下颌骨上的辅助安装通孔，所述的主连接板、所述的辅助连接板均与待修复下颌骨待修复处外表面贴合，所述的主连接板、辅助连接板通过钛钉与待修复下颌骨固接。

所述的辅助连接板的一端与所述的主连接板侧面一体成型，另一端带有用于固定在下颌骨上的辅助安装通孔。

所述的主连接板通过钛钉固定在待修复下颌骨骨折两侧，所述的主连接板以及所述的辅助连接板固定位置需避开所述的下颌神经管等重要解剖结构。

所述的主连接板上设有若干个主安装通孔，所述的主连接板上连有多根辅助连接板，所述的辅助连接板数目与骨折骨段数目一致，所术辅助连接板分别位于所述的主连接板中间主安装通孔处。

所述的主连接板上设有4个主安装通孔，所述的主连接板上连有两根辅助连接板，所述的辅助连接板分别位于所述的主连接板中间两颗主安装通孔处。使用时，将整个三维固定板贴合在待修复的下颌骨骨折处，并且使得主连接板位于待修复下颌骨的骨折处，并且主连接板的两端分别位于骨折处的两侧，辅助连接板也分列于下颌骨骨折处两侧，然后通过钛钉将主连接板、辅助连接板固定在下颌骨表面即可。

本发明的有益效果是：与二维固定系统相比，个性化三维形状的固定系统可以使固定钛板与患者骨骼能够达到良好匹配，从而提供良好的固位力和稳定性，从而提高下颌骨骨折坚强内固定治疗的精确性。

附图说明

图1是本发明的下颌骨生物力学模型简化示意图，其中11是翼内肌简化弹簧，12是颞肌简化弹簧，13是咬肌简化弹簧，14是咬合力，15是拉应力，16是压应力。

图2是本发明的下颌骨最大绝对主应力分布图，其中2是整体下颌骨应力分布，21是右下颌角应力分布，22是右下颌体应力分布。

图3是本发明的三维多孔固定连接板，其中3是主连接板，4是辅助连接板，31是主安装通孔，41是辅助安装通孔。

图4是本发明的下颌骨骨折模型及固定系统，其中5是有骨折的下颌骨，51是下颌神经管。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的用于修复骨折下颌骨的三维固定方法，包括以下步骤：

1)构建标准下颌骨的生物力学模型1，建立分区域的咬合力下的应力分布图2，进而制订分区域的骨折固定原则：

(1)选取典型的下颌骨，得到其CT数据，通过医学图像处理和模型重建得到其三维表面模型(三角网格)和实体网格模型(四面体网格)；

(2)根据CT图像上的灰度值与骨密度的关系函数，计算出下颌骨各个体素的骨密度值，并根据骨密度与杨氏模量的关系函数完成对体素杨氏模量的计算，并对实体网格模型进行材料特性参数赋值，得到非均匀的下颌骨模型；

(3)将下颌骨的肌肉(咬肌、翼内肌、颞肌)简化为图1中的一维弹簧(11，12，13)，弹簧刚度值根据文献资料中的参数确定，弹簧连接点为肌肉在下颌骨上的连接点、并指向颅颌骨上的连接点；

(4)对两个髁突的后上部单元施加限制六个自由度的边界约束，在下颌骨上不同牙位(前牙区、后牙区)加正常咬合力载荷(图1中的14)，得到下颌骨生物力学模型，并进行有限元仿真，得到图2所示的下颌骨的最大绝对应力分布2，从而得到不同区域的应力种类(拉应力、压应力)如21、22；

(5)通过SLS立体打印下颌骨模型，建立与有限元仿真相似的条件，进行实验测试，对有限元应力分布进行验证和修正；

(6)以分区域(髁突颈、下颌角等)的绝对应力值分布为基础，确定该区域发生骨折时，固定点应该布置在受拉应力的区域，此即为固定原则；

2)针对待重建下颌骨，获得其CT数据，进行三维重建；

3)根据骨折位置及形式，按固定原则，同时考虑避开牙根、下颌神经管等重要解剖结构，确定复位后的固定位置和数目；

4)基于骨表面，设计连接一系列固定位置的多孔板三维结构，其固定孔按标准的骨科用固定钛钉进行设计；

5)以相同的方法构建下颌骨生物力学模型，并包括固定系统，进行有限元仿真，根据得到的下颌骨和固定系统的应力分布，对固定板三维结构进行修改；必要的时候，可以打印出相应的物理模型进行测试验证；

6)利用金属立体打印SLM对钛合金粉末进行立体打印，得到三维固定板原型；

7)对三维固定板进行抛光处理，得到可以临床应用的三维固定板。

实施例2根据实施例1所述的用于修复骨折下颌骨的三维固定方法构建的三维固定板，包括用于连接待修复下颌骨骨折处的主连接板3以及多根辅助连接板4，所述的主连接板3上沿连接板走向分布若干用于固定在待修复下颌骨上的主安装通孔31，所述的辅助连接板4设置在所述的主连接板3侧面，并且所述的辅助连接板4上设有用于固定在下颌骨上的辅助安装通孔41，所述的主连接板3、所述的辅助连接板4均与待修复下颌骨待修复处外表面贴合，所述的主连接板3、辅助连接板4通过钛钉与待修复下颌骨5固接。

所述的辅助连接板4的一端与所述的主连接板3侧面一体成型，另一端带有用于固定在下颌骨上的辅助安装通孔41。

所述的主连接板3通过钛钉固定在避开下颌神经管51的待修复下颌骨5骨折两侧，所述的辅助连接板4末端固定在避开所述的下颌神经管51的待修复下颌骨5上。

所述的主连接板3上设有4个主安装通孔31，所述的主连接板3上连有两根辅助连接板4，所述的辅助连接板4分别位于所述的主连接板3中间两颗主安装通孔31处。

使用时，将整个三维固定板贴合在待修复的下颌骨骨折处，并且使得主连接板位于待修复下颌骨的骨折处，并且主连接板的两端分别位于骨折处的两侧，辅助连接板也分列于下颌骨骨折处两侧，然后通过钛钉将主连接板、辅助连接板固定在下颌骨表面即可。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。