【摘要】：隨著科學技術的快速發(fā)展,先進制造技術正朝著高精度、高速度、高效率以及復合材料加工的方向發(fā)展。具有諸多優(yōu)點的快速原型制造技術是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新興的先進制造技術,它是最近20年來世界制造技術領域的一次重大突破�？焖僭椭圃旒夹g是機械工程、計算機技術、數(shù)控技術以及材料科學等技術的集成。由于快速原型制造技術的特殊成型原理,使得該技術非常適合制造結構復雜的生物醫(yī)學模型,如人體的下頜骨等。 計算機建模與仿真已經(jīng)成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的重要技術,為人體下頜骨的生物力學仿真分析等提供了重要手段。如何利用現(xiàn)有技術有效地進行人體下頜骨在實際咬合中的生物力學分析,來達到提高手術精度、縮短手術時間、優(yōu)化手術方案、減輕患者痛苦的目的,已經(jīng)成為下頜骨生物力學仿真分析亟待解決的問題。 本課題在相關項目基金的資助下,進行了先進制造技術與生物醫(yī)學工程的交叉學科研究,通過采用快速原型制造和計算機建模與仿真技術對基于快速原型制造技術的人體缺損下頜骨重建及生物力學分析的若干關鍵技術進行了建模、仿真分析和臨床實驗研究,為其結構優(yōu)化、臨床手術方案的規(guī)劃和設計提供重要參考依據(jù)。達到了提高手術精度、優(yōu)化手術方案、縮短手術時間、減輕患者痛苦的目的,具有很大的研究價值、意義和一定的先進性、前沿性,全文的主要研究內(nèi)容如下： (1)論述課題的研究背景以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,分析課題研究的必要性和意義；綜述快速原型技術在生物醫(yī)學領域應用的發(fā)展現(xiàn)狀；介紹計算機建模與有限元生物力學仿真技術在國內(nèi)外的發(fā)展狀況；論證基于快速原型制造技術的人體缺損下頜骨重建及生物力學分析交叉學科研究的必要性和前沿性。 (2)采用基于逆向工程的三維CT重建技術,針對中國醫(yī)科大學口腔醫(yī)院的臨床病例存在下頜骨腫瘤手術前缺少患者三維模型導致對患者病癥處了解不充分等問題,研究螺旋CT的DCIOM格式數(shù)據(jù)與PC機之間數(shù)據(jù)的傳輸。完成從人體下頜骨二維CT數(shù)據(jù)到下頜骨三維數(shù)字模型的重建過程。完成缺損下頜骨的虛擬重建和種植體的建模。達到術前準確診斷患者病情、優(yōu)化手術方案的目的。 (3)采用面向特定患者的個性化多平臺協(xié)作建模技術,針對傳統(tǒng)下頜骨重建手術植入鈦板的標準化、不匹配等問題,研究針對特定患者的下頜骨鈦板個性化建模方法,建立下頜骨鈦板的個性化模型,達到優(yōu)化設計個性化鈦板3D模型的目的。并針對鈦板在使用過程中的疲勞損壞問題,對鈦板進行疲勞仿真分析,優(yōu)化鈦板結構,從而達到提高鈦板使用壽命的目的。 (4)采用基于逆向工程CT數(shù)據(jù)的人體下頜骨FEA建模方法,研究建立患者原始下頜骨、切除腫瘤后的重建下頜骨以及植入種植體下頜骨的FEA模型的方法。并基于此模型采用骨生物力學和有限元集成的仿真技術,進行多種下頜骨模型在不同載荷情況下的生物力學分析,達到優(yōu)化牙種植體設計方案、提高手術精度、降低手術風險的目的。 (5)采用多噴快速原型制造和個性化設計輔助下頜骨重建技術,針對傳統(tǒng)下頜骨重建鈦板的統(tǒng)一化、塑形時間長、術后存在并發(fā)癥等問題,研究制造下頜骨RP模型及個性化植入鈦板的方法,術前設計并制造出下頜骨的RP模型以及個性化的下頜骨植入鈦板,解決了在手術過程中花費數(shù)小時進行下頜骨鈦板塑形的問題,達到了縮短手術時間、提高手術成功率、減輕病人痛苦的目的。 (6)針對中國醫(yī)科大學口腔醫(yī)院實際臨床病例中的傳統(tǒng)下頜骨重建手術時間長、風險高、患者遭受較大痛苦等問題,將課題的研究成果RP技術應用到臨床實驗中,通過臨床驗證并對比分析5例典型病例,應用RP技術在下頜骨重建手術中可以縮短約2小時的手術時間,同時可以提高頜骨修復質(zhì)量和手術精度,減輕患者痛苦,降低手術風險等。術后3個月移植骨段對位愈合良好,患者張閉口運動、語言和吞咽功能正常,臨床實際效用明顯。
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：R318.01;R782.4
【圖文】：

Fig. 1.4 The principle of SLA光固化快速原型工藝的基本原理：光固化快速原型的成型過程如圖1.4所示。盛滿液態(tài)光敏樹脂的液槽，氦-鎘激光器發(fā)出的紫外激光束在計算機控制系統(tǒng)的控制下按照零件的各層截面信息在光敏樹脂表面上逐點進行掃描，被掃描區(qū)域的光敏樹脂薄層發(fā)生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一個薄層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，使在已經(jīng)固化好的樹脂薄層表面再敷上一層液態(tài)光敏樹脂，然后利用刮板將粘度大的光敏樹脂層刮平，再進行-8-

圖1.5光固化快速原型制作的工業(yè)樣件Fig. 1.5 Industrial sample manufactured by SLA型的優(yōu)點：型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，其成熟直接制成原型，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，加工速度快，加工結構外形復雜或使用傳統(tǒng)方法難于成型的樣，可以對計算機仿真計算的結果進行驗證直觀化，降低錯誤修復的成本；（6)可聯(lián)機操動化。型的應用：國3D Systems公司推出第一臺商業(yè)化設備SL術在世界范圍內(nèi)得到了迅速而廣泛的應用，如小批量精密鑄造、快速工模具及直接面向產(chǎn)用于汽車、電器、航空、娛樂、消費品以及醫(yī)

【參考文獻】

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本文編號：2713299