新型3D打印颞下颌关节生物力学实验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种新型3D打印颞下颌关节生物力学实验系统，其旨在建立一种既能最大限度地模拟人体颞下颌关节形态特征，又能方便快捷进行颞下颌关节生物力学相关实验的实验系统。该系统包括（1）施力装置；（2）3D打印人体颞下颌关节模型；（3）压力采集系统；（4）应变采集系统；（5）咬合力分布采集装置。本发明专利技术首次利用3D打印技术生成上下颌以及关节盘模型，利用力学测试仪器同时测量颞下颌关节系统的压力以及应变状况。克服了以往采取人尸体模型或者动物模型对颞下颌关节进行研究时所带来的高额经费以及不必要的实验人员心理负担等问题。

【技术实现步骤摘要】
新型3D打印颞下颌关节生物力学实验系统
本专利涉及一种利用3D打印技术来研究颞下颌关节的在不同工况下的生物力学性能的实验系统。
技术介绍
颞下颌关节是人体最精细、最复杂的关节之一，具有一定的负重功能。其在人类的咀嚼、吞咽、言语等方面发挥着不可或缺的重要作用。和人类的各个器官一样，在人类的成长过程中颞下颌关节也会产生各种各样的问题，比如颞下颌关节紊乱（TMD）、颞下颌关节脱位等。目前对于颞下颌关节的研究中，最常用的手段是利用生物力学尤其是口腔生物力学的相关知识和方法对该关节进行研究。然而目前在将生物力学理论知识应用于临床上时依然存在诸多屏障，极大地阻碍了我国相关科研工作的顺利进行，本专利技术也将着力于如何减少这些屏障对相关工作的影响。生物力学之父，美国三院院士冯元祯先生认为：理论和实验的相互参照必须反复进行。对于涉及到生命安全的学科，任何理论的提出都必须慎之又慎，任何一个细微的错误都有可能造成重大的事故。因此，在对于颞下颌关节的研究中，必须做到理论与实践相结合，多次实验检验理论的准确性。目前关于颞下颌关节的生物力学实践研究普遍采用的是方式是在人体尸体或者动物身上进行相关实验，然而近年来动物实验受到严格限制。2006年，科技部颁布了我国首个专门规范实验动物待遇的文件《关于善待实验动物的指导性意见》,规定各实验动物生产单位及使用单位的动物实验必须符合动物实验伦理要求。而人尸体标本也是越来越难以获取，部分医学院校甚至取消尸体局部解剖环节。现阶段各种生物力学实验以及测试的顺利进行往往需要耗费大量经费且需要长时间进行准备，这对于我国的颞下颌关节的研究以及口腔生物力学学科的发展有极其不利的影响。因此我们迫切需要一种新型的实验方式来简化对人体的研究与实验过程，节约实验经费，节省实验时间。鉴于我国经济的高速发展，人民对身体健康的关注也日益增长，各类医疗器械以及临床治疗方案快速地更新换代，医疗产业正处于急速上升期，我国从事医疗健康领域的研究人员数量也迅猛增加。为了尽快让各种新型医疗器械或者手术方案投入生产或实际操作，必须加快对颞下颌关节奥秘的研究，对于新型的实验方式的需求必然越来越迫切，而本新型实验系统优势在于可以大幅度节约实验成本，可以预见，本实验系统很容易受到广大研究人员的欢迎。因此其拥有广泛的市场与发展前景。
技术实现思路
为了解决目前动物实验困难，有限元计算结果难以验证以及在临床上手术前缺少相关实验对手术方案进行技术验证的问题，该实验系统提供一种实验方案，可以准确、方便、快捷地解决上述问题。一、要解决的技术问题。目前各科研人员在对于人体颞下颌关节的研究中最为广泛采用的技术是有限元法计算生物体各个部位在不同工况下的生物力学性能，然而有限元法普遍存在的问题在于难以验证计算结果的准确性。同时，研究人员难以在人体上直接进行生物力学实验。另一方面，医生在进行临床手术时，手术方案的制定也缺少足够的实践进行检验。因此我们迫切需要一种实验方法可以解决上述矛盾。这在现阶段的颞下颌关节生物力学研究以及颞下颌关节相关疾病的临床手术方案的制定中有极大的应用价值。二、技术方案。本实验系统采用3D打印模型的方式打印人体颞下颌关节系统。3D打印（3DP）技术是快速成型技术的一种，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。特点是精度高，效率高。3DP技术运用在本实验系统中能够精确地模拟人体颞下颌关节这一部位。所述3D打印模型的数字文件由CT/MRI扫描获取，其中CT扫描图像用于生成上下颌骨部分的三维模型，MRI扫描图像用于生成颞下颌关节盘的三维模型。本实验系统采用压力传感器内置的方式进行压力测量，作用是尽可能保证获取的数据为真实的关节盘内部压力数据。本实验系统中的压力测试与应变测试同步进行，便于对所研究部位的应力应变研究对比。附图说明下面结合附图并用实例对本专利技术进行详细说明。图1为本专利技术的结构示意图。图2为图1所示的结构示意图中的A处的右面观局部示意图。图3为图1所示的结构示意图中的A处的正面观局部示意图。图4为压力传感器在关节盘模型中的放置示意图。图5为本实验系统模型侧面观，亦为咬合力采集系统设置示意图。图中：1万能试验机、2万能试验机压头、3模型上颌、4模型下颌骨、5温度补偿片、6应变花、7压力数据采集器、8咬合力测试仪、9应变仪、10关节盘模型、11薄膜压力传感器切口、12薄膜压力传感器。具体实施方案为了便于理解，下面将结合一个实例以及附图对本专利技术进行详细解读。由于本专利技术可以进行适当拓展，而本说明书中不能完全列举所有实验方案，因此，凡基于本说明书中所举之实施例而未经创造性劳动所做的改进而得到的其他实施例，均属于本专利技术的保护范围之内。如图1至图5所示，新型3D打印颞下颌生物力学实验系统，包括（1）施力装置；（2）3D打印人体颞下颌关节模型；（3）压力采集系统；（4）应变采集系统；（5）咬合力分布采集装置。选取待研究志愿者一名，对其颌面部分别进行CT以及MRI扫描。优选地，扫描时患者取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，扫描平面与患者眶耳平面平行，下颌骨位于牙尖交错位。优选地，将扫描后的数据文件导出为医学数字成像和通信文件（DICOM）格式，该文件导入计算机辅助三维建模软件中建立三维数字化模型。优选地，利用CT生成的数据文件建立上下颌模型。在所建立的上下颌模型中，下颌骨全部保留，上颌保留上颌骨、颞骨、颧骨、部分枕骨等分布于上颌颌面外侧区域的骨骼而将其余骨骼去除。进一步地，利用MRI生成的数据文件通过计算机辅助三维建模软件建立关节盘模型。进一步地，将建立好的上下颌模型导出为3D打印支持文件格式，通过3D打印生成上下颌模型。优选地，打印上下颌的材料为聚乳酸。建立完成的上下颌模型如图1中的上颌模型3和下颌模型4所示。进一步地，在建模软件中通过关节盘模型建立关节盘模具三维模型，即该模具内部为空心，空心的形状即为关节盘形状。将该数字化模型同样导出为3D打印支持格式，通过3D打印生成实体模型。进一步地，将熔融后的硅胶液体灌注进入关节盘模具当中，待其冷却后切开关节盘模具即可获取关节盘模型10。进一步地，用砂纸打磨光滑下颌模型，用丙酮清洁模型表面。如图1所示，以鼻骨为对称轴，于左右对称位置粘贴应变花6，用锡焊的方式将应变花与导线相连。进一步地，如图3和图4所示，用尽量薄的刀片切割关节盘模型侧面，切出一个薄口11，将薄膜压力传感器塞入薄口之中，使用适量的胶水封堵住薄口。进一步地，将关节盘，上下颌模型按照生理位置摆放在万能试验机平台上。优选地，用刚度较大的物体如钢条将下颌模型垫高至上颌上平面与万能试验机压头2平面平齐。进一步地，将咬合力测试仪的传感器塞入上下牙之间，如图5所示。优选地，咬合力测试仪选用T-scan咬合力分布测试系统。进一步地，如图1所示，将应变仪、压力传感器以及T-scan本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.新型3D打印颞下颌关节生物力学实验系统，包括（1）施力装置；（2）3D打印人体颞下颌关节模型；（3）压力采集系统；（4）应变采集系统；（5）咬合力分布采集装置，其特征在于以真实的CT/MRI扫描图像作为建模数据建立三维模型，利用（1）施力装置对模型施加压力，（3）压力采集系统、（4）应变采集系统、（5）咬合力分布采集装置同时收集相应数据。/n

【技术特征摘要】
1.新型3D打印颞下颌关节生物力学实验系统，包括（1）施力装置；（2）3D打印人体颞下颌关节模型；（3）压力采集系统；（4）应变采集系统；（5）咬合力分布采集装置，其特征在于以真实的CT/MRI扫描图像作为建模数据建立三维模型，利用（1）施力装置对模型施加压力，（3）压力采集系统、（4）应变采集系统、（5）咬合力分布采集装置同时收集相应数据。


2.根据权利要求1所述的（1）施力装置，其特征在于采用的设备为万能试验机。


3.根据权利要求1所述的（2）3D打印人体颞下颌关节模型，其特征在于包括三个部分，分别为上颌模型、下颌骨模型和关节盘模型。


4.根据权利要求1和3所述的（2）3D打印人体颞下颌关节模型，其特征在于上颌模型、下颌模型是利用真实人体CT图像，通过计算机辅助建模构建数字化三维模型，并通过3D打印技术制造生成实体三维模型。


5.根据权利要求1以及3所述的（2）3D打印人体颞下颌关节模型，其特征在于关节盘模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘展，周佳盛，罗皓天，柳有好，张远理，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51