个性化植入物让患者重展笑颜

作者: Sarah FinkAaron Atkinson,澳大利亚墨尔本OMX Solutions公司设计工程师

如果缺失多颗牙齿和大块口腔骨骼结构,就不适合安装标准种植牙。针对这种情况,通常的处理方式是骨移植,这需要多次分期进行手术,一般耗时一年以上才能完成。借助ANSYS Mechanical,OMXSolutions采用增材制造技术生产出匹配颌部和面部轮廓且只需单次手术的植入物。患者可有效恢复其面貌,并能在手术之后立即进食。

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Osseo-Frame implant

“仿真不仅能确定组件间相互作用时存在的潜在问题 ,而且还能指出潜在故障点。”

TMJ Total Joint Replacement System 

大多数人都感觉接受牙科手术特别难受。与置换多颗牙齿及大块骨骼相比,补牙、种植牙或根管填充就显得微不足道,前者由众多疾病所致,如外伤、骨折、肿瘤、退行性骨骼疾病等。通常在治疗严重的骨缺损时,需从患者的肋骨或腓骨(位于腿部)获取骨骼,并且需要持续时间长达12~18个月的至少三次创伤手术。这些问题以及骨关节炎和其他疾病可能需要置换颞颌关节(TMJ),其通常被称为颌关节。颌关节可利用现成部件进行置换,但其往往让患者感到不适且会降低功能性。作为专为手术难题提供数字解决方案的全球领先者,OMX Solutions通过采用数字设计和增材制造技术已成功研发了更完善的解决方案,能制造出可完美适应患者现有骨骼的定制植入物。OMX Solutions采用ANSYS Mechanical 对骨骼和植入物作为一个整体进行仿真,在经过物理测试确认之后,能确保植入物可以承受与咀嚼相关的力量。最终获得的定制化面部和颌部植入物,不仅能够改善手术效果,提高生活质量,而且还可大幅降低所需的手术次数以及消除供体部位的疼痛和病状。

patient smile before
之前
patient smile after
之后

传统植入物的局限

在缺失大量骨骼和多颗牙齿的情况下,传统牙科植入物无法提供足够的稳定性来承受咬合力。另一种选择是暂时性可摘义齿,但这种义齿既不舒服也不稳定。为了解决上述问题,外科医生通常会执行从供体部位摘除骨骼并将其植入颌部的手术。而植牙需要额外的手术。患者在分期手术之间需要很长的时间恢复,而且完成修复所需要的总时间会超过一年。由于骨移植过程非常复杂,因此很难匹配患者的面部轮廓,所以患者术后的面部往往会不对称。另外,疼痛和供体部位感染也非常常见。

在需要TMJ置换时,数量有限的标准TMJ植入物的现有尺寸无法满足临床实践中遇到的各种颌部与骨缺损构形。如果骨缺损严重,患者相关部位可能会变成畸形而且TMJ功能不良,因为现有植入物无法完全符合患者的病状与形态。

新方法采用增材制造技术

TMJ Total Joint Replacement System

OMX Solutions的TMJ整体关节置换系统

 

为了应对上述状况,OMX Solutions的解决方案应运而生。OMX Solutions的Osseo-Frame是一种颌骨植入物,能为牙修复体提供坚固牢靠的骨骼置换与安装位置。在自身骨骼部位不适合传统牙科植入物的情况下,它可以消除对骨植入物的需求。这种植入物采用数字化设计并通过3D打印而成,以匹配患者的牙槽骨嵴,可确保相关装置能在无需进行骨骼修正的情况下即完美适应自然骨骼。微型螺丝和底座可提供基本稳定性,因而无需漫长的治愈期就能立即安装植入物(和假牙)。

implant design process

OMX Solutions设计过程

 

OMX Solutions的TMJ整体关节置换能够全面置换患者的颞下颌关节。根据患者的计算机断层扫描(CT)数据,3D打印的钛下颌部件可利用数字化方式确定尺寸并进行调整,以适应每位患者的特定骨骼结构。此外,聚乙烯窝也是通过数字化方式确定尺寸和进行定制,进而采用计算机数值控制(CNC)进行加工。然后,这两者再作为定制安装球(骨节)和牙糟(窝)关节一起工作。

两个系统都配套提供切割、钻孔和定位指南,以提高手术的准确度。

定制植入物的设计过程

在根据患者的具体骨骼轮廓定制这些装置时,第一步是执行CT扫描,以准确显示患者现有骨骼结构的几何形状。之后,OMX Solutions生产工程师再采用Materialise Mimics®软件将CT扫描输出结果转换成患者骨骼的数字模型,另外还会采用Materialise3-matic®软件设计一款能紧密匹配患者3D骨骼的植入物。

在设计定制植入物的过程中,OMX Solutions生产工程师必须确保包含骨骼、附件和植入物组件等在内的整套装配体不会失败。如果不采用仿真,就需要打印每个植入物,并对其进行物理测试。若不合格,则需要重新设计、重新制作和重新测试,而这些又会消耗时间和金钱。另外,针对每位患者都实施整套植入物-骨骼装配体的物理测试也不可行。

equivalent strain
图中显示了Osseo-Frame受到的等效应变
total deformation
图中显示了Osseo-Frame的整体变形

“OMX Solutions通过采用数字设计和增材制造技术研发了更完善的解决方案,从而制造出能完美适应患者现有骨骼的定制植入物。”

ANSYS结构仿真

OMX Solutions之所以选择ANSYS产品,是因为其具有直观易用的用户界面。该公司的生产工程师首先运用参考文献中所述的平均咬合力对装置进行了单独仿真。虽然OMX产品的一般患者年龄较高且肌肉力量有所降低,但该值通常是25岁男性的平均咬合力。因此,这些患者的咬合力更低,所以此方法可以提供充分的安全余量。在对装置的完整性建立了信心之后,工程师接下来对完整实体模型进行了仿真,包括从CT扫描获得的骨骼多材料模型和将植入物固定到骨骼的螺丝,一应俱全。所有材料均进行非线性处理。此模型包含骨骼、螺丝和植入物之间的摩擦接触。接触检测可用于记录骨骼模型中各个螺丝每一个面之间的接触,并确定使用过程中可能出现的任何潜在分离,如框架脱离骨骼。在4核个人计算机上运行此项仿真,通常需要2~5个小时。

此项仿真不仅能够确定组件之间相互作用时存在的潜在问题,而且还能指出潜在故障点。例如,它可以显示出在哪个位置的螺丝有可能因局部应力高而导致骨裂,或在哪个位置的螺丝无法牢固地固定植入物。在OMX Solutions生产工程师确信装配体牢固可靠之后,他们就可将设计方案提交给外科医生进行审查。外科医生有时会根据临床可行性和可用性提出修改建议,在这种情况下就需要另一轮仿真。

TMJ Total Joint Replacement System components

TMJ整体关节置换系统组件包含下颌(上部)和窝(下部)。

 

一旦获得外科医生批准,OMX Solutions即可将数字设计文件发送给制造部门进行组件生产。Osseo-Frame和TMJ骨节组件通过3D打印、采用64钛合金制造而成;窝部件则通过CNC进行加工,因为相关材料目前无法进行3D打印。从订单到交货,定制植入物生产大约需要4~8个星期,具体取决于相关情况的复杂性以及外科医生的经验。在交付后,这些装置就可随时用于单次手术的安装,从而提供永久解决方案。这种方法不仅比传统方法节省一年的时间、仅需总体手术费用的一小部分,而且还能显著减轻患者的疼痛和病状。

遭受骨缺损和颌功能降低的患者很难享受美食和获得健康饮食。他们也有可能因为外貌而缺乏自信。OMX Solutions的植入物可以帮助这些患者无需经历漫长的一系列手术,即可快速恢复以前的牙齿功能并重展笑颜。过去动动下巴就疼痛难忍的患者现在可以开心舒适地进餐和交谈。咀嚼困难且不适合传统植入物的患者现在可以正常饮食。由于骨缺损而存在面部凹陷或面部不对称的患者可以恢复容颜。OMX Solutions的定制植入物能让患者轻松进食、说话和微笑,重拾往日自信。

图中显示了Osseo-Frame受到的等效应变
图中显示了Osseo-Frame的整体变形

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