一种基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法与流程

本发明涉及牙科领域，特别涉及一种基于熔融沉积成型，即FDM(Fused Deposition Modeling)技术的数字化种植导板的3D打印制作方法。

背景技术：

口腔种植技术近年来发展迅速，适应症越来越广，但随之而来的种植并发症日益增多附加手术种类也越来越多。在颌骨中植入种植体，临床种植医生一旦对种植体的植入方向、深度把握不准，很可能会损伤重要的解剖结构，出现严重的术中术后并发症。因此，精确地控制种植体植入方向和位置，避开重要的剖结构尤其重要。

临床实践证明，种植手术成功的关键不仅在于术前做出正确合理的治疗方案，还应该为该方案确切地实施提供保障和手段，保证种植体植入的位点、方向及角度等与术前方案一致，使种植方案在患者口内得以准确实现。目前主要有两种方法来实现精准手术，一是实时导航，另一种是数字化种植外科导板。

在实时导航外科中，医生可随时根据导航信息调整植入位置、方向及角度，以达最佳的植入定位。理论上，实时导航更符合种植手术要求，但是研究表明导航系统易产生追踪误差、垂直向偏差导致显示的与实际的不一致，技术尚不成熟，并非目前国际上主流技术。而数字化种植导板技术可以在术前根据患者口腔三维立体的颌骨信息，设计种植体的植入位点、角度、方向和长度，避开重要的解剖结构和病变区域，或充分利用患者特有的结构优势，将手术风险降到最小，并实现将预先设计的修复体信息融入种植体设计中，真正实现以修复为导向的种植体设计及实施。

随着数字化医学的发展，3D打印技术的被广泛应用，基于3D打印技术原理制作的数字化牙种植外科导板，具有能很好控制种植体植入方向、角度、深度，可以实现降低手术风险，减少手术时间，并可实现微创不翻瓣种植等优势。基于激光的数字光处理技术(DLP)、选取激光融化技术(SLM)等3D打印技术，设备和材料的价格高昂，相应牙科产品制作成本高，在制作术前种植外科导板这样的一次性消耗类产品方面难以被接受。而基于FDM3D打印技术的数字化种植导板，利用了3D打印技术的准确、快速、节省材料等优势，是牙科种植的一大发展方向。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点，本发明提供一种基于FDM 3D打印技术的牙种植即刻种植修复方案，降低了手术对医生的要求弥补了临床医生经验的不足，同时，较其他数字化技术制作过程中降低了成本。种植导板完全规定了种植手机的方向，使得种植手术过程完全按照术前计划进行。

为实现上述目的，本发明所述一种基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法包括以下步骤：

A、对患者口腔进行扫描，获取患者的口内三维模型；

B、根据所述口内三维模型和种植体需要植入的位置，得到种植导板的三维模型；

C、将所述种植导板的三维模型导入FDM 3D打印机内打印制作出种植导板。

所述数字化FDM 3D打印种植导板制作方法中，所述步骤A具体做法为：首先根据CBCT(口腔锥形束计算机断层扫描)来得到患者的牙缺失骨信息，根据口内扫描得到患者口腔内部软组织信息，根据连续断层扫描图像导入种植设计软件计算分析得到患者颌骨三维模型，综合颌骨三维信息和口内软组织信息得到完整口内三维模型。

所述数字化FDM 3D打印种植导板制作方法中，所述步骤B具体做法为：根据所述完整口内三维模型，在种植体设计软件中结合各组织解剖信息以及种植体所需位置、角度，得到种植导板的三维模型。

所述数字化FDM 3D打印种植导板制作方法中，步骤C中具体做法为：

在得到种植导板的三维模型后，利用CAD/CAM软件将牙种植导板三维数字模型按照设定的厚度(一般为0.06-0.25mm)进行分层，得到每一层的打印机挤出头运动路径。

其中所述的牙种植导板FDM 3D打印机其特征在于：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

所述FDM打印机材料为医用PLA，此材料在200℃左右熔化为可塑性塑料丝，将塑料挤出喷头按照模型分层信息即可进行模型的三维打印。

所述FDM 3D打印机与传统的FDM 3D打印机依照X，Y，Z坐标系打印不同，这项打印技术称为三立柱式并联3D立体打印技术。本项发明采用此种结构的打印机并不仅仅可以在打印过程中更好的提高打印的效率，还可以将这样一种技术在处理边缘为圆弧的模型时的精度提高。

所述一种基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法，所用器材包括：

A.扫描设备，用于获取患者口内三维模型以及颌骨信息；

B.数字化种植导板设计软件系统，用于导入所述口内三维模型及颌骨模型信息，根据所述口内三维模型和颌骨信息得到种植导板三维模型；

C.FDM 3D打印机，用于根据种植导板三维模型打印制作种植导板。所述FDM 3D打印机材料为医用PLA，所述FDM 3D打印机与传统的FDM 3D打印机依照笛卡尔(X，Y，Z)坐标系打印不同，这项打印技术称为三立柱式并联3D立体打印技术。本项发明采用此种结构的打印机并不仅仅可以在打印过程中更好的提高打印的效率，还可以将这样一种技术在处理边缘为圆弧的模型时的精度提高。

附图说明

图1为本发明所述基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法的方法流程图。

图2为本发明所述基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法中，种植导板的三维模型或种植导板的结构示意图。

图3为本发明所述基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法中，所用三立柱式并联FDM 3D打印机结构示意图。

图4为所述基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法中，FDM 3D打印机控制系统硬件结构。

图5为本发明所述基于数字化FDM 3D打印技术的种植导板制作方法的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种数字化种植导板的制作方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明所述基于熔融沉积成型技术的数字化种植导板制作方法中，包括如下步骤：

A10、对患者口腔进行扫描，获取患者的口内三维模型。具体包括：

A110、将口内扫描仪扫描探头伸入到缺牙患者口内，对其口内表面进行扫描，并将扫描结果数据导入医疗图像软件生成口内三维数字图像数据。特别地，在有石膏模型或者硅橡胶印模时，扫描石膏模型或者硅橡胶印模，以获取口内三维数字图像数据。

A120、获取患者的牙颌骨CBCT数据。具体的，采用CBCT设备从外部对患者颌骨部进行扫描，得到头骨CBCT数据。

A130、将口内扫描仪获取的患者口内三维数字图像数据和CBCT设备获取的颌骨CBCT数据一同导入种植方案设计系统内进行数据重叠和结合，建立口内三维模型，通过所述口内三维模型可测出粘膜的厚度。所述口内三维模型既包含了患者头骨的骨骼结构，也包含了患者的粘膜(软组织)的结构，通过种植方案设计软件的测量即可获得粘膜的厚度等信息，便于医生分析后期手术粘膜需要切开的范围。

所述种植导板制作方法包括种植方案设计软件和安装有所述种植方案设计软件的计算机，本实施例中，所述种植方案设计软件为Simplant，当然也可以采用其他具有类似功能的设计软件，本发明不作限定。

A20、根据所述完整口内三维模型和种植体需要植入的位置及角度信息得到导板三维模型。具体的，通过种植设计软件设计得到种植导板三维模型。由于医生需要告知软件工程师手术钻孔位置和创伤大小。

故所述步骤A20具体包括A210，即根据种植体深度、位置、角度等情况设计得到种植导板三维模型主体，如图2，210。

A220、在考虑固定位置等方面，根据实例确定固定方式，本实例为牙支撑式固定方式，因此，无需提供安装固位钉固位孔。

A30、将所得种植导板导入切片软件得到切片数据做打印前准备，具体的，将上一步骤得到的种植导板数字模型导入Cura切片软件，进行模型的整体修复操作。修复完成后将模型进行标记选取需要生成支撑的面，之后即可进行添加支撑，进行打印前准备。支撑添加完成即可进行切片导出，生成切片G代码。本实例采用0.1mm的切片厚度。

A40、切片完成数据导入如前所述三立柱并联臂式3D打印机进行打印。具体的，打印机采用40-60mm/min的打印速度，打印喷头加热温度为210℃，采用点支撑式的支撑结构。打印材料选用医用PLA材料，其直径为1.75mm，打印流量90％。

由此可知，本发明提供的基于FDM 3D打印技术数字化种植导板的制作方法，通过在3D种植导板设计软件中模拟种植体的植入过程，提高了实际操作时的精度。而且，以患者口内完整三维数据为依据设计种植导板的三维模型，通过种植导板准确的植入种植体。

图2表示种植导板的三维模型，又表示实际根据三维模型制作出的种植导板实体，因其形状完全相同，故采用同一张图表示三维模型和打印出的实物。所述种植导板本体210与牙齿接触以定位手术位置。所述导板孔220可以只包含一个导板孔，也可以有两或者多个导板孔，这需要根据患者缺牙情况所确定。所述导板孔220与种植体植入的位置对应。即，在哪个位置需要植牙就在种植导板本体210对应的哪个位置设置导板孔(单个或多个)，便于医生手术时钻孔的定位。所述种植体安装在通过手术器械钻的孔内，在种植体上设置牙冠以后就形成了一颗假牙。故种植体与患者缺损的牙齿的位置对应。

基于上述实施例提供的数字化FDM 3D打印种植导板制作方法，本发明也提供了所用三立柱并联臂式FDM 3D打印机，如图3所示。

所述三立柱并联臂式FDM 3D打印机的整体框架①是一个由铝型材搭建的正三棱柱，打印机整体尺寸高为60cm，三棱柱边长为30cm，三棱柱的三根侧棱上安装有滑轨③，依靠铝型材侧棱的加工精度保证滑轨的垂直度与刚度。导轨的下方安装有三台步进电机，步进电机带动轴上的同步带轮做旋转运动。同步带轮依靠与滑块固定在一起的同步带，将同步带轮的旋转运动转变为滑块的直线运动，并带动滑块在导轨上面上下行进。滑块依靠连杆与打印机喷头相连，当滑块上下运动时，依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引，实现对打印头位置的控制。打印所需的原料通过一根聚乙烯管从打印头的上方送入，送入条料所需的动力由一个步进电机提供。工作平面位于打印机的底层，打印机整体采用开放框架，方便打印机平台的调平以及打印机的扩展和维护。辅助系统和检测系统直接安装在打印机的框架上实现对打印过程的在线监测。

所述三立柱并联臂式FDM 3D打印机导轨滑块和连杆是构成定位装置的主要零件，为实现高速、精确打印，导轨的直线度一般应小于0.1mm/m，使得滑块在导轨上具备快速移动的能力。所述打印机采用MGN系列直线导轨，导轨③的实际直线度在0.025mm/m以内，导轨的V型槽与滑块之间的间隙控制在0.03mm以内。所述三立柱并联臂式FDM 3D打印机滑块④与导轨③间采用滚珠接触，摩擦阻力为6N，额定动载荷为2000N。结合T2020铝型材的尺寸，选用MGN9C滑块导轨，导轨与铝型材之间固定件②选用T型螺母。

所述三立柱并联臂式FDM 3D打印机优选球头轴承的型号选择为NHS3。与球头配合的连杆⑤选用直径为Φ3mm的钛合金连杆。优选42步进电机的最大转速为800r/min，额定扭矩为0.55N·m，步距精度为5％，在行进停止时，可以保持最大5.5N·m的静扭矩，有效防止滑块在自身重力作用下沿滑轨下滑。因此选用三个42步进电机作为3D打印机的定位装置的驱动装置。

如图4所示，为使3D打印机顺利工作，所述三立柱并联臂式FDM 3D打印机构建成一个NC嵌入PC型开放式数控系统。以PC为硬件平台通过接口连接AVI单片机，由单片机控制步进电机S4转动，进而控制打印喷头的运动。即采用基于上位机S1、下位机S2的双CPU系统，PC作为上位机S1负责将零件的轮廓转化为打印头在空间中行进的轨迹，并通过接口输入到下位机S2中。下位机负责实时控制步进电机S4的工作，接受监测部件的反馈信息并对打印机进行实时调整。

所述上位机S1运行于Windows系统平台，通过可视化窗口对下位机S2传递各个参数调整，同时接受下位机S2传递回来的监测信息，以图表的形式显示在可视化窗口中。下位机S2，即AVI单片机工作时，接收由上位机S1传递过来的信号，并通过脉冲输出控制步电机S4的运转，从而控制打印头的位置。所述步进电机S4最小行程为十六分之一个步距(0.1°)，最大速度为270mm/s。为保证打印机工作速度，将步距角设置为1.8°。接收加热模块S3热敏电阻的反馈信息，监测喷嘴加热装置的温度，并实时对加热块温度进行调整。温度检测范围为-55～1000℃；打印头工作温度为220℃；保温幅度为±5C℃；测温精度为±1.5℃；检测频率为0.2s/次。

基于上述实施例，本发明还提供了一种基于FDM 3D打印技术的数字化种植导板制作系统，如图5所示，所述系统包括扫描装置10、种植导板设计软件20和FDM 3D打印机30。

所述扫描设备10，用于对患者口腔进行扫描，获取患者的口内三维模型。具体的，所述扫描装置10包括口内扫描仪和CBCT设备。

所述口内扫描仪，用于获取患者口内三维数字图像。本发明则采用全真彩口内扫描技术，优选为丹麦3Shape Trios扫描仪，使用微小的扫描头伸入患者口腔内、并沿着患者的牙冠齿桥表面进行均匀扫描，可以准确快速的扫描口内真实情况，能够清晰准确的分辨牙龈以及牙齿的颜色，为医患之间病情的实时探讨提供了方便可靠有效的途径。

所述CBCT设备，用于获取患者的头骨CBCT数据，以便得到患者口内软硬组织三维口腔影像。所用仪器为意大利Newtom高精度CBCT扫描仪。上述口内扫描仪仅仅是采用数字化取模的方式替代了传统硅橡胶取模的方式，而在数字化制作种植导板的三维模块时，需要综合患者口内三维数字图像和患者口内软硬组织三维口腔影像。因为口内三维扫描图像仅能反映出口内外部形状轮廓，而CBCT影像则能够清楚的投影出位于内部的牙槽骨和神经管的位置信息。

所述种植导板设计软件20，用于将口内扫描仪获取的患者口内三维数字图像数据和CBCT设备获取的患者的头骨CBCT数据进行数据重叠和结合，以建立口内三维模型。根据口内三维模型，得到(具体为设计得到)种植导板的三维模型。所述种植导板设计软件在本实施例中，为Simplant 3D种植导板设计软件，当然也可以采用其他具有类似功能的设计软件，本发明不作限定。

所述FDM 3D打印机30，用于根据所述切骨导板的三维模型和种植导板的三维模型，制作切骨导板和种植导板。本实施例中，采用三立柱并联臂式FDM 3D打印机制作种植导板,其制作成本低、速度快且精度较一般打印机高。通过所述3D打印机制作的种植导板，为一体化结构，经后处理后不仅美观而且结构牢固。

综上所述，本实例采用的FDM原理3D打印机制作种植导板，用于种植手术，该方法具有以下特点：(1)与SLM和DLP原理的3D打印机相比，此FDM打印机为桌面型、体型小，操作简单，并且可选材料种类较多；(2)打印速度快，实例所打印导板模型平均耗时2小时；(3)打印机以及打印所用耗材价格低廉；(4)在打印精度方面，FDM技术相对DLP以及SLM技术虽然存在一定差距，但作为种植手术的导板已能满足其基本要求。

因此通过FDM技术制备的个性化种植导板提高了种植体植入的精确度，既减小了手术风险、缩短了手术时间，同时亦可大幅度降低患者就医费用，让更多的患者受益。