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应用有限元分析方法对Le Fort I型截骨术个性化定位接骨板的生物力学优化
作者：Shao-Fu Huanga, Lun-Jou Lob, Chun-Li Lin
摘要：本研究结合影像处理、有限元分析、最佳化与计算机辅助制造技术，开发出一种能为Le Fort I截骨术提供精确定位与固定之骨板。将计算机断层扫描图像与计算机辅助设计（CAD）系统相结合，生成了两种商用微型钢板和连续骨钢板的有限元三维模型，用于最劣载荷条件下的仿真。采用目标驱动优化方法，通过上颌骨两段间相对微运动的一定最小输出值和骨板应力，来检测系统性能，以寻求连续板的最大减容量。模拟结果表明，商用直形微型钢板和连续固定钢板的最大应力/相对微位移分别为1269.20MPa/133.66mu;m和418.37MPa/92.37mu;m。优化设计板发现，与连续骨板相比，体积减小率达到24.3%，与商用微型板相比，应力/相对微运动的减小变化分别为65.14%（442.36 MPa）和29.36%（96.53mu;m）。最佳骨板可使用5轴铣床制造，并固定在快速成型模型的分离上颌节段上，以提供精确的定位/固定，并在Le Fort I截骨术中提供足够的强度/稳定性。
关键字：Le Fort I型截骨术；接骨板；有限元分析；最优化
[正文部分]
1.引言
Le Fort I截骨术是一种常用的矫正中面部畸形的手术方法。截骨术的概念是用往复锯分离上颌不同的自由段。所需的移动与术前测量的外部参考点有关。一旦游离节段移动到合适的位置，上颌骨应使用钛微型板和螺钉固定，以实现Le Fort I截骨术的活动节段骨骼固定。这种方法通常与改善面部轮廓、消除不对称以及在增生、发育不全、阻塞性睡眠呼吸暂停或唇腭裂患者中建立良好的阻塞相结合。
传统上，Le Fort I截骨术的上颌游离节段定位是基于术前模型手术，使用由患者咬合石膏铸型制成的关节牙模型。然而，精确的截骨术和截骨片固定通常很难用有限的二维投影图像重现，尤其是在上颌嵌压或向下移位的情况下。尽管在Le Fort I骨切除术中应用了术前虚拟手术规划和快速原型化手术指南，以在三维（3D）空间中复制精确和可预测的游离Le Fort I骨段，但商用直形微型钢板仍然需要轮廓化，以适合每个患者的上颌节段几何轮廓。环形外科手术。个性化的商用直型微型钢板的精度和配合需要大量的预先准备。小直钢板反复弯曲时的残余应力也增加了骨板疲劳失效的风险。
已提出患者专用微型钢板系统，以克服精确定位和微型钢板对抗的挑战，例如，Le Fort I截骨术。然而，人们对此类植入物的机械故障、其在Le Fort I截骨术中的优化设计和制造方面的进展感到担忧。
本研究结合医学影像处理、有限元分析、优化及电脑辅助制造技术，开发出最佳设计之骨板，可在足够强度及稳定性下，为Le Fort I截骨术提供定制化之精确定位与固定，并取得较大进步。
2. 材料和方法
图1显示了本研究的概述，包括三维上颌模型重建、骨板/螺钉系统生物力学分析、目标驱动优化、板制造、实验模型开发和有限元模型验证。
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三维上颌骨模型重建 |
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商用接骨板系统 |
连续板系统 |
参数输入
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生物力学模拟 |
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目标驱动优化 实验设计 响应面 参数优化 |
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计算机辅助制作最优接骨板 |
最优接骨板 |
图1
2.1三维上颌模型重建
患者为19岁男性，具有骨骼III类咬合特征。Lefort I截骨术是为治疗而设计的。对患者进行间隔为0.4 mm的CT（CT）扫描（I-Catm扫描仪，成像科学国际，Hatfield，PA），用商用图像处理软件（Amira，v4.1，Mercury Computer）识别的各种硬组织（皮质和松质骨）轮廓重建三维上颌模型。Ter Systems，马萨诸塞州切姆斯福德）。重建上颌骨的三维实体模型，根据手术计划，在牙根上方切割一个标准的1件式Lefort I截骨进程（图2a）。单独的上颌节段向前移动，并进行9 mm的推进，以了解不同固定板设计对生物力学的影响（图2 a）。
图2
2.2骨板/螺钉系统生物力学分析
设计了两种由纯钛四级制成的骨板，包括商用微型直板和连续板，用于固定Le Fort I截骨术的单独骨段。商用直板迷你板厚0.8毫米，具有L形、4个孔和特征轮廓，使用非接触式视频测量系统进行测量（SVP-2010，台湾台中ARCS有限公司）（图2b）。连续板特征轮廓是根据0.6 mm厚的上颌骨切割位置表面的投影几何设计的（图2b）。在CAD系统中生成了两种骨板和螺钉（直径2 mm，长度8 mm）的实体模型。
（Creo Parametric V2.0，PTC，Needham，MA，USA）（图2b）。在先前的9mm高级模型中装配了两种固定模式，包括商用微型板和连续板，用于在ANSYS Workbench（美国宾夕法尼亚州，ANSYS公司，ANSYS Workbench V14.5）中固定上颌节段。商用微型钢板固定是指在梨状缘开口处放置两块L型钢板，双侧在上颌支墩处放置两块L型钢板。设计了一个连续的钢板，将钢板放置在上颌切割位置的任意一个表面上。钢板位置参照商用微型钢板固定模式（图2b）。
在网格收敛试验（控制不同二次四面体单元尺寸模型的应变能和位移变化O5%）后，生成三维模型（图3a），并使用摩擦系数为0.5的非线性摩擦面-面接触单元来模拟组件之间的适应性。在所有模拟的Le Fort I截骨术模型中，螺钉对钢板、钢板对骨和骨对骨。螺钉-骨界面假定为完全粘合状态，以允许应力传递连续性。所有模型中的元素和节点总数分别在60万和90万以上。
考虑倾斜条件下的咬合力（125 N），并在牙齿长轴倾斜60°和每个前磨牙/磨牙从腭部到颊部的位置施加，以评估两种固定模式之间的生物力学响应（图3b）。上颌的顶部切割平面在所有方向都受到限制，以防止作为边界条件的任何移动（图3b）。弹性模量/泊松比，即105000兆帕/0.33，14800兆帕/0.3，1850兆帕/0.3，从文献中采用，并分配到铁模型作为纯钛四级，皮质骨和松质骨材料的性质，分别。记录两上颌骨段之间的相对微运动和骨板的最大冯米塞斯应力。
2.3目标驱动优化
利用ANSYS Workbench提供的目标驱动优化方法，通过对上颌骨段间相对微运动的一定最小值（越小越好）输出和骨板应力，来检验系统性能，以寻求上一个连续的两个椭圆孔的最大减小体积（最小质量）。菊花盘。目标驱动优化方法包括实验设计、响应面设计和参数优化三个步骤。
DOE是输入参数的测试样本，生成的输入参数用最少的设计点覆盖了这些参数的整个范围。因此，最初的连续板被设计成切割两个椭圆形孔，以减少近端和远端表面骨板的体积和重量。近端和远端卵圆孔的大（H）轴分别为20和14 mm。将骨板近端（vproximal）和远端（vdistal）椭圆孔的小轴尺寸设计为优化设计的输入参数（图5）。每个参数分为三个级别，即vproximal中的6 mm/8 mm/10 mm和vdistal中的3 mm/5 mm/7 mm，由表1中的九个有限元模拟组成。DOE表（表1）中生成的结果被用于建立多维相关性，以预测用于选择输入参数对任何输入参数组合的最佳输入参数而无需执行完整模拟的响应。
在获得输入参数的最佳组合后（图4），基于这些参数开发了一个额外的有限元模型来验证优化预测（图5）。
图4
图5
2.4板材制造、实验模型开发和有限元模型验证
为了实现两个截骨边缘的最佳钢板定位和固定，验证有限元模型，将目标驱动优化得到的STL最佳钢板格式导入5轴凸轮机（日本Saitama三井精工株式会社Vertex vx550-5x）中，生成材料的刀具规划路径数值代码。碾磨（图6a）。利用五轴铣床的多任务车铣特点，可以提高纯钛的加工效率，减少刀具摩擦和故障。这个
通过快速成型（RP）打印机（尺寸1200 ES SST，Straysys，Ltd.，Minnesota，USA）输出相应的骨切除最大颌骨模型，以复制ABS（ABS-P430，Straysys，Ltd.，Minnesota，USA）塑料最大颌骨模型作为验证样本（图6B）。
左、右最佳骨板固定在所需位置，与上颌骨近端活动骨表面和被动放置骨板相匹配（图6b）。每一个定制的最佳板作为定位指南，提供远端移动上颌精确定位被动根据每个钛板的轮廓。6个定位微型螺钉被放置在每个钢板中以保持稳定性，并使用一个压电手术手片进行Le Fort I截骨术（图6b）。
将RP样品中每个板上方/下方的表面打磨成与上颌骨切割方向平行的1-mm应变计（日本Kyowa电子仪器有限公司），以测量应变值（图7）。将贴有应变仪的RP印刷样品夹在一台设计用于驱动静态压缩力的试验机（台湾台中市鸿达仪器有限公司HT 1236）上。将十字头速度设定为0.05 mm/s，直到压缩力达到250 N（图7）。记录每个样品的应变计值，以验证相应的有限元模拟结果。材料性能假定为线性、均匀和各向同性，塑性骨的弹性模量/泊松比（定制试验），钛微型板为1350兆帕/0.35，105000兆帕/0.33。
图6
图7
3. 结论
模拟结果表明，对于商用直形微型钢板和连续钢板固定类型，两上颌骨段之间的骨板/相对微运动的最大von mises应力分别为1269.20 mPa/133.66mu;m和418.37 mPa/92.37mu;m（表1）。所有骨板的应力集中在弯曲区域（图8），尤其是连续板的近中边缘和远端边缘（图8b）。
输入参数的最佳组合是通过ANSYS模拟得到的，在上颌骨段之间的最小相对微运动要求和响应面骨板的应力下，vproximal为6.04 mm，vdistal为4.25 mm，最大椭圆体积减小（图4）。实验测量应变和数值计算应变之间的比较表明，这些值的变化误差在10%以内，并表明了合理的模型验证（图7）。定位实践表明，定制的最佳钢板轮廓可以作为一个定位指南，以完全被动的方式提供上颌精确固定，同时限制各方向分离骨骼之间的冗余旋转/微移动（图6）。
图8
4.讨论
目标驱动优化法可用于有限元分析，以确定上颌骨段间相对微运动的最小输出值和骨板应力，以寻求连续板的最大减容量，从而检验Le Fort I截骨术的稳定性能。模拟结果表明，商用直形微型板的最大应力/相对微位移分别为1269.20MPa/133.66mu;m和418.37MPa/92.37mu;m；
连续固定类型。优化设计板发现，与连续骨板相比，体积减小率达到24.3%，与商用微型板相比，应力/相对微运动的减小变化分别为65.14%（442.36 MPa）和29.36%（96.53mu;m）。
尽管商业上直的微型钢板的厚度大多为0.8毫米，但仍有一些患者在手术后触摸骨板时感到不舒服。因此，为了达到机械强度和定位导向要求，连续优化设计板的厚度比0.6 mm商用直迷你板要薄得多，因为其表面板轮廓较大。仿真结果表明，连续优化设计钢板的应力值远低于商用直形微型钢板，表明原微型钢板在手术过程中由于反复的轮廓（弯曲）而呈现出弱结构。
尽管在纯钛四级合金中发现连续0.6 mm厚的板应力值低于屈服强度（480 MPa），但寻求连续的板压缩体积以减少异物感是至关重要的。因此，采用优化中的DOE技术，在设计空间中对采样点进行定位，以便最有效地探索随机输入参数的空间，或以最少的采样点获得所需的信息。从DOE表中获得的九个有限元模拟结果（表1）用于建立多维相关性，以预测用于为任何输入参数组合选择最佳输入参数的响应，而无需执行完整模拟。近端和远端卵圆轴的最佳组合为6.04 mm和4.25 mm（从响应面获得）（图4）。这一结果是基于移除骨板体积的“越大越好”质量特性和上颌节段稳定的“越小越好”质量特性（小骨板应力和相对运动）。优化表1中预测的骨板/上颌两段之间的相对微运动对应的最大von mises应力为442.36 mpa/96.53mu;m。图8c表明，最佳板的中、边缘也存在应力集中。
从目标驱动优化得到的结果表明，与连续板（表1）的值相比，骨板应力和相对微运动的变化增加了5.73%[（442.36–418.37 MPa）/418.37 MPa]和4.50%[（96.53–92.37mu;m）/92.37mu;m]。即使在DOE设计输入点中，骨应力和相对微运动的增加变化也不是最大值，但最佳骨板设计的体积减小率可达到最大值24.29%（表1）。与商用微型板的值相比，相应的降低变化为65.14%（442.36 MPa）和29.36%（96.53mu;m）。
使用5轴铣床制造最佳骨板，并将其直接放置在快速成型模型的分离上颌段上，以提供精确的定位和固定（图6）。然而，实际的截骨术线切割位置在手术中可能是不同的，导致定制的钢板不在节段上。实际上，一个由外科规划制作的、使用快速原型制作的外科指南可以用来解决这个问题。纯钛具有良好的生物相容性和柔韧性，已被公认为整形外科的主要医用植入材料。钛合金的高化学反应性导致芯片焊接到工具上，导致形成凹坑和工具过早失效。这些材料的低导热性不允许加工过程中产生的热量从刀具边缘散失。
这会导致刀尖温度过高和刀具过度变形和
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