本發(fā)明涉及下頜骨生物力學(xué)模型測(cè)量技術(shù)，尤其是一種下頜骨生物力學(xué)模型的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

下頜骨是人體頜面部骨骼中體積和面積均最大的，也是唯一能活動(dòng)的面部骨骼，通過(guò)顳下頜關(guān)節(jié)以及下頜肌肉與顱頜骨相連。下頜骨的生物力學(xué)模型是下頜骨骨折手術(shù)修復(fù)、下頜骨缺損重建修復(fù)、牙種植手術(shù)、牙齒正畸矯治等口腔或牙科疾病精確治療方案制訂以及頜面部模擬碰撞、創(chuàng)傷分析等的力學(xué)基礎(chǔ)。下頜骨生物力學(xué)模型構(gòu)建的難點(diǎn)在于兩方面：一是下頜骨所具有的非均勻材料特性，二是下頜骨肌肉力作用的施加。

目前，以簡(jiǎn)化和假設(shè)為基礎(chǔ)的下頜骨生物力學(xué)模型在下頜骨有限元分析中得到了應(yīng)用。這些有限元模型中，一般將下頜骨簡(jiǎn)化成一種均勻材料，或者包含皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩種材料屬性。在處理下頜骨肌肉作用時(shí)，將某個(gè)位置的咬合力通過(guò)一定的分配公式，以下頜骨整體力平衡為依據(jù)，換算出咀嚼肌、顳肌和翼肌等升頜肌群的等效作用力；或者將不同的肌肉簡(jiǎn)化成某一剛度的彈簧。由于這些有限元分析模型一般進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化，又缺乏實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，其精確度缺乏驗(yàn)證。

現(xiàn)有的下頜骨生物力學(xué)檢測(cè)模型一般基于真實(shí)的離體人體下頜骨，其力學(xué)分析數(shù)據(jù)作為通用數(shù)據(jù)，在其他病例中只能作為參考。對(duì)于具體的患者卻無(wú)法進(jìn)行個(gè)體化測(cè)量，得到相應(yīng)的力學(xué)數(shù)據(jù)。雖然，根據(jù)患者下頜骨數(shù)據(jù)制作的個(gè)性化模型也得到了應(yīng)用，但由于模型制作技術(shù)的限制，一般只能得到具有單一均勻材料特性的下頜骨模型。而對(duì)于肌肉力的作用，一般通過(guò)粘接橡皮筋或彈簧等比較復(fù)雜的處理工藝，限制了其應(yīng)用。另一方面，現(xiàn)有下頜骨模型缺乏有效的力學(xué)模擬及測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)法得到所需要的應(yīng)力分布等力學(xué)數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有基于人體離體下頜骨的生物力學(xué)模型構(gòu)建及測(cè)量中得到的通用數(shù)據(jù)無(wú)法用于具體手術(shù)案例進(jìn)行力學(xué)分析、測(cè)試準(zhǔn)確性較差的不足，本發(fā)明提供一種更能表達(dá)患者的真實(shí)狀況、測(cè)試準(zhǔn)確性較好的個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，所述應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量底座、肌力等效結(jié)構(gòu)、肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置、關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置、加載平臺(tái)和應(yīng)變片，所述肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置、關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置和加載平臺(tái)均安裝在測(cè)量底座上，個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型包括下頜骨和兩個(gè)顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)，所述下頜骨上布置升頜肌群(顳肌、翼外肌、咬肌和翼內(nèi)肌)的彈簧掛鉤，所述應(yīng)變片貼在下頜骨的測(cè)試區(qū)域，所述兩個(gè)顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)固定到所述關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置中，下頜骨模型上的兩個(gè)髁狀突裝入關(guān)節(jié)盤(pán)中，下頜骨模型中承受咬合力的牙齒與所述加載平臺(tái)的動(dòng)作端接觸，所述肌力等效結(jié)構(gòu)的下端與所述彈簧掛鉤連接，所述肌力等效結(jié)構(gòu)的上端與肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置連接。

進(jìn)一步，所述肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置包括剛性繩索、壓板和滑桿，所述剛性繩索的下端與所述肌力等效結(jié)構(gòu)的上端連接，所述剛性繩索的上端繞在壓板上并穿過(guò)所述壓板與滑桿之間的間隙，所述壓板可伸縮地安裝在滑桿上以調(diào)節(jié)間隙的大小。

優(yōu)選的，所述滑桿上開(kāi)有通孔，所述壓板的兩端帶有螺桿，所述螺桿穿過(guò)所述通孔，螺桿可以選用滑桿上任意通孔位置，以獲得所需的肌力方向，所述螺桿的下端安裝調(diào)節(jié)螺母。也可以選用其他定位方式。

所述測(cè)量底座上安裝立柱，所述立柱側(cè)面帶有滑槽，所述滑桿的兩端用螺母固定在所述滑槽內(nèi)。

所述加載平臺(tái)包括加載立柱和舌形平臺(tái)，所述舌形平臺(tái)安裝在加載立柱上，所述加載立柱安裝在所述測(cè)量底座上。

所述測(cè)量系統(tǒng)還包括用于分析應(yīng)變片接收的應(yīng)力信息的信號(hào)處理器，所述應(yīng)變片通過(guò)傳輸電纜連接所述信號(hào)處理器。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：如果能夠以患者自身的下頜骨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作出具有皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分層、并考慮升頜肌群等效機(jī)構(gòu)和力學(xué)測(cè)量方案的個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型，并在專(zhuān)門(mén)構(gòu)建的力學(xué)測(cè)量平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量，則可以得到該個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型的精確力學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)以及應(yīng)力分布情況，從而為復(fù)雜的手術(shù)方案設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明所述的個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型，模型為患者下頜骨的個(gè)性化復(fù)制模擬模型，在其基礎(chǔ)上得到的力學(xué)數(shù)據(jù)可以用于指導(dǎo)精確制訂該患者的治療方案；該模型包括皮質(zhì)骨和松骨兩種屬性的材料；包括患者的完整牙列和彈簧掛鉤，所述的完整牙列分為承受咬合力的牙齒和其它牙齒，其中承受咬合力的牙齒具有完整的牙根和牙周膜，其它牙齒和下頜骨為一個(gè)整體；所述的彈簧掛鉤的安裝位置是下頜骨升頜肌群(咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌、翼外肌)在下頜骨上連接面的中心處，用以連接彈簧。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：構(gòu)建出正常下頜骨、骨折修復(fù)下頜骨、缺損修復(fù)下頜骨等多種情況的生物力學(xué)模型，并測(cè)量其力學(xué)數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有的通用下頜骨生物力學(xué)模型相比，個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型更能表達(dá)患者的真實(shí)狀況，再通過(guò)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，可以得到下頜骨不同位置的應(yīng)力分布情況，從而為下頜骨治療手術(shù)提供理論依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖，其中，1是顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)，2是下頜骨，21和29、22和28、24和27、25和26分別是顳肌、翼外肌、咬肌和翼內(nèi)肌的彈簧掛鉤，23是牙周膜。

圖2是應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的主視圖，其中，3是肌力等效結(jié)構(gòu)，其中31和38、32和37、33和36、34和35分別是顳肌、翼外肌、咬肌和翼內(nèi)肌的等效彈簧，4是關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置。

圖3是應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的側(cè)視圖，其中，5是測(cè)量底座，51是滑桿，52是壓板，53是立柱，54是應(yīng)變片，6是加載平臺(tái)，7是傳輸光纜，8是信號(hào)處理器，9是電腦終端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖3，一種個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，所述應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量底座5、肌力等效結(jié)構(gòu)3、肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置、關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4、加載平臺(tái)6和應(yīng)變片54，所述肌力等效彈簧的固定裝置、關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4和加載平臺(tái)6均安裝在測(cè)量底座5上，個(gè)性化下頜骨生物力學(xué)模型包括下頜骨2和兩個(gè)顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)1，所述下頜骨2上布置顳肌、翼外肌、咬肌和翼內(nèi)肌的彈簧掛鉤，所述應(yīng)變片54貼在下頜骨2的測(cè)試區(qū)域，所述兩個(gè)顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)1固定到所述關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4中，下頜骨模型上的兩個(gè)髁狀突裝入關(guān)節(jié)盤(pán)中，下頜骨模型中承受咬合力的牙齒與所述加載平臺(tái)6的動(dòng)作端接觸，所述肌力等效結(jié)構(gòu)3的下端與所述彈簧掛鉤連接，所述肌力等效結(jié)構(gòu)的上端與肌肉等效結(jié)構(gòu)的固定裝置連接。

進(jìn)一步，所述肌肉等效結(jié)構(gòu)的固定裝置包括剛性繩索、壓板52和滑桿51，所述剛性繩索的下端與所述肌力等效結(jié)構(gòu)的上端連接，所述剛性繩索的上端繞在壓板52上并穿過(guò)所述壓板52與滑桿51之間的間隙，所述壓板52可伸縮地安裝在滑桿51上以調(diào)節(jié)間隙的大小。

優(yōu)選的，所述滑桿51上開(kāi)有通孔，所述壓板52的兩端帶有螺桿，所述螺桿穿過(guò)所述通孔，螺桿可以選用滑桿上任意通孔位置，以獲得所需的肌力方向，所述螺桿的下端安裝調(diào)節(jié)螺母。也可以選用其他定位方式。

所述測(cè)量底座5上安裝立柱53，所述立柱53側(cè)面帶有滑槽，所述滑桿51的兩端用螺母固定在所述滑槽內(nèi)。

所述加載平臺(tái)6包括加載立柱和舌形平臺(tái)，所述舌形平臺(tái)安裝在加載立柱上，所述加載立柱安裝在所述測(cè)量底座上。

所述測(cè)量系統(tǒng)還包括用于分析應(yīng)變片接收的應(yīng)力信息的信號(hào)處理器8，所述應(yīng)變片54通過(guò)傳輸電纜7連接所述信號(hào)處理器8。

本實(shí)施例中，測(cè)量底座5上安裝4根立柱53，每根立柱的4個(gè)側(cè)面都具有滑槽，供滑桿51移動(dòng)；所述的肌力等效結(jié)構(gòu)3包括8個(gè)彈簧，8個(gè)彈簧對(duì)應(yīng)8根剛性繩索，所述的彈簧是模擬咬合狀態(tài)下的升頜肌群(咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌、翼外肌)，彈簧的剛度和長(zhǎng)度根據(jù)肌電檢測(cè)儀檢測(cè)或者經(jīng)驗(yàn)值來(lái)選用，彈簧一端與下頜骨上的彈簧掛鉤連接，另一端與剛性繩索連接，剛性繩索的另一端纏繞在壓板上，由壓板52壓緊，再由螺母固定；所述的肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置由4根滑桿51，8個(gè)壓板52，16個(gè)螺母組成，所述的滑桿可以在滑槽中上下或左右滑動(dòng)，用來(lái)調(diào)節(jié)力的方向；所述的關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4由2根帶有矩形卡槽的立柱組成，使用時(shí)將顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)1從側(cè)面滑入并卡緊；所述的加載平臺(tái)6由一根立柱和舌形平臺(tái)組成，用來(lái)模擬固定的上頜骨；所述的信號(hào)處理器8用來(lái)分析應(yīng)變片所接收的應(yīng)力信息，所述的電腦是用以記錄和查看下頜骨各位置應(yīng)變片的受力情況，并根據(jù)打印模型的材料特性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)位置的應(yīng)力值。

本實(shí)施例的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，工作過(guò)程包括以下步驟：

1)測(cè)量平臺(tái)的構(gòu)成包括：肌力等效結(jié)構(gòu)3、肌力等效結(jié)構(gòu)的固定裝置(51和52)，關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4，測(cè)量底座5，加載平臺(tái)6，應(yīng)變片54，信號(hào)處理器8及電腦9等；

2)將兩個(gè)顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)1固定到測(cè)量平臺(tái)的關(guān)節(jié)盤(pán)固定裝置4中，再將下頜骨模型上的兩個(gè)髁狀突裝入關(guān)節(jié)盤(pán)中，將下頜骨模型中承受咬合力的牙齒與舌形加載臺(tái)接觸，將肌肉等效彈簧(31和38、32和37、33和36、34和35)一端與下頜骨表面掛鉤(21和29、22和28、24和27、25和26)連接，彈簧另一端與剛性繩索連接，將剛性繩索的另一端繞在壓板52上，將壓板壓向滑桿51，擰緊螺母。

3)調(diào)節(jié)彈簧(31和38、32和37、33和36、34和35)和滑桿51的位置和大小，模擬不同位置的咬合力；

4)將應(yīng)變片54貼在需要測(cè)量的下頜骨區(qū)域；

5)連接應(yīng)變片與信號(hào)處理器，用傳輸電纜7連接信號(hào)處理器8與電腦終端9；

6)在電腦上讀出各個(gè)位置應(yīng)變值，并根據(jù)打印模型的材料特性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算出相應(yīng)位置的應(yīng)力值。

本實(shí)施例的個(gè)性化生物力學(xué)模型的設(shè)計(jì)制作，包括以下步驟：

(1)獲取需要測(cè)量病人的下頜骨CT數(shù)據(jù)：CT掃描可用普通螺旋CT或牙科專(zhuān)用CT，為了保證精度，螺旋CT掃描時(shí)的切片間距和厚度都不超過(guò)1毫米；

(2)利用MIMICS軟件對(duì)CT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)CT圖像上的灰度值，區(qū)分出下頜骨的皮質(zhì)骨層和松質(zhì)骨層，重建出具有皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩種材料屬性的下頜骨三維模型；

(3)如果患者下頜骨有骨折，則在軟件中通過(guò)調(diào)整骨折部分的位置使其復(fù)位；如果患者下頜骨有缺損或者需要部分切除，需通過(guò)自體骨移植和人工植入體進(jìn)行修復(fù)，則設(shè)計(jì)出移植體部分的形狀，構(gòu)建出修復(fù)后的下頜骨模型；

(4)重建出顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)的三維模型1；

(5)對(duì)需加載咬合力的牙齒，可以重建出牙根和牙周模23的模型，為簡(jiǎn)化操作，其余的牙齒與下頜骨為一個(gè)整體；

(6)將下頜骨的肌肉(顳肌、翼外肌、咬肌和翼內(nèi)肌)簡(jiǎn)化為圖2中的一維彈簧(31和38、32和37、33和36、34和35)，在每一塊肌肉與下頜骨上的連接面的中心處設(shè)計(jì)一個(gè)含貼片的掛鉤(21和29、22和28、24和27、25和26)，作為彈簧連接點(diǎn)，使用時(shí)將貼片粘貼于下頜骨相應(yīng)位置；

(7)測(cè)量區(qū)域分析及測(cè)量方案制訂：根據(jù)具體的下頜骨力學(xué)分析目的，確定感興趣的下頜骨測(cè)量區(qū)域，如下頜角，在此區(qū)域設(shè)計(jì)應(yīng)變片的數(shù)量，并相應(yīng)地在下頜骨上設(shè)計(jì)出應(yīng)變片的安裝位置；

(8)彈簧剛度確定：用肌電檢測(cè)儀(electromyographic，EMG)測(cè)量一定咬合狀態(tài)下的肌肉力，并計(jì)算出彈簧的等效剛度；

(9)下頜骨用選擇性激光燒結(jié)SLS(3D system公司HiQ+HS系列)進(jìn)行3D打印，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分別采用不同的激光功率，材料為尼龍材料，可以得到與真實(shí)骨骼相近強(qiáng)度和硬度的模擬骨骼；加載牙齒用同樣的方法制作，牙周膜用硅膠填充在牙齒和牙窩之間形成；

(10)針對(duì)骨折的下頜骨，將分離的骨塊復(fù)位后用鈦板固定；針對(duì)缺損修復(fù)的下頜骨，將移植體部分置于設(shè)計(jì)的位置，用鈦板固定；

(11)利用CT數(shù)據(jù)，重建出包括軟骨和硬質(zhì)層兩種材料屬性的顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)結(jié)構(gòu)，用Connex 350擠出成型3D打印機(jī)，同時(shí)打印軟硬兩種材料，得到同時(shí)具有軟質(zhì)層和硬質(zhì)層的顳下頜關(guān)節(jié)盤(pán)1。

本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。