□ 何婧妍 □ 張 瀟 □ 陳賢帥 □ 馮 偉

1.廣州市健齒生物科技有限公司 廣州 511458 2.佛山市安齒生物科技有限公司 廣東佛山 528251 3.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 廣東深圳 518055

1 研究背景

對(duì)于缺齒患者而言,牙體牙列缺失不僅會(huì)使正常咀嚼功能受損,而且有礙口腔健康與美觀。隨著口腔種植技術(shù)的日漸成熟,義齒種植已經(jīng)成為口腔缺齒患者的首選治療方案之一。雖然市面上成品種植體和基臺(tái)型號(hào)眾多,但是依然不能精準(zhǔn)匹配患者的不同口腔環(huán)境,從而無(wú)法滿足個(gè)性化的種植和修復(fù)需求。

因人而異的口腔環(huán)境催生了個(gè)性化基臺(tái)與牙種植體需求,個(gè)性化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)需要醫(yī)師根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)確定。醫(yī)師臨床為病人定制種植牙時(shí),會(huì)根據(jù)病人的頜骨骨量、牙齦厚薄、植入角度等決定牙種植體和基臺(tái)的參數(shù)規(guī)格。傳統(tǒng)牙種植體及基臺(tái)設(shè)計(jì)多為制造廠工程人員應(yīng)用常見(jiàn)市售三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件制作,如SolidWorks、Pro/Engineering、Unigraphics等。個(gè)性化模型千姿百態(tài),利用三維設(shè)計(jì)軟件從零開(kāi)始建模耗時(shí)耗力,并且醫(yī)師無(wú)法參與其中,個(gè)性化牙科種植體和基臺(tái)設(shè)計(jì)由此遇到瓶頸。

盡管目前預(yù)成基臺(tái)和種植體發(fā)展已經(jīng)趨于成熟,但仍有不足之處。據(jù)統(tǒng)計(jì),由于骨結(jié)合失敗導(dǎo)致的早期種植失敗病例占1%～2%[1]。由于牙科基臺(tái)形態(tài)過(guò)于單一,無(wú)法良好貼合患者牙齦軟組織剖面,會(huì)導(dǎo)致修復(fù)患者的種植義齒與鄰牙間喪失牙齦乳頭。可見(jiàn),牙種植體與基臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝存在改進(jìn)的空間,個(gè)性化設(shè)計(jì)成為首選。

為了加強(qiáng)醫(yī)工結(jié)合,提高設(shè)計(jì)效率,彌補(bǔ)現(xiàn)有牙種植體與牙科基臺(tái)的功能性不足,筆者以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,設(shè)計(jì)了基于SolidWorks軟件的牙種植體和牙科基臺(tái)個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái),醫(yī)師只需要輸入關(guān)鍵特征參數(shù),就能設(shè)計(jì)出所需的個(gè)性化牙種植體和牙科基臺(tái)。

2 SolidWorks應(yīng)用程序接口

SolidWorks應(yīng)用程序接口是SolidWorks三維繪圖軟件提供的二次開(kāi)發(fā)接口,接口語(yǔ)言包括VB、VBA、C++、C#等,支持對(duì)象連接與嵌入程序語(yǔ)言、組件對(duì)象模型程序語(yǔ)言。通過(guò)調(diào)用應(yīng)用程序接口命令,開(kāi)發(fā)人員可以建立在SolidWorks中使用的插件,或外部調(diào)用SolidWorks的視窗界面,筆者開(kāi)發(fā)的個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)屬于后者。SolidWorks應(yīng)用程序接口的對(duì)象可以分為應(yīng)用程序?qū)ο?、配置文件?duì)象、事件對(duì)象、注解對(duì)象、模型對(duì)象、特征對(duì)象、草圖對(duì)象等大類[2]。在個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)中,主要使用到的應(yīng)用程序接口命令SldWorks、ModelDoc2屬于應(yīng)用程序?qū)ο蟆Ｆ渲?SldWorks為最頂端對(duì)象,其它所有應(yīng)用程序接口對(duì)象都是SldWorks的子對(duì)象,二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中的接口訪問(wèn)都需要通過(guò)SldWorks對(duì)象。ModelDoc2對(duì)象提供了文檔模型的打開(kāi)、關(guān)閉、保存等方法,它的子對(duì)象包括PartDoc、AssemblyDoc、DrawingDoc,通過(guò)這些對(duì)象可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型、裝配體、工程圖文檔的操作和編輯等功能[3]。

3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)二次開(kāi)發(fā)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)二次開(kāi)發(fā)是一種常用的根據(jù)領(lǐng)域特點(diǎn)建立建模系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)的方法,已被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域[4-6]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)二次開(kāi)發(fā)建立模型主要分為模型驅(qū)動(dòng)法和尺寸驅(qū)動(dòng)法兩種。模型驅(qū)動(dòng)法指用程序?qū)崿F(xiàn)模型的整個(gè)建立過(guò)程,包括繪制草圖、拉伸模型、切除模型等。尺寸驅(qū)動(dòng)法為通用模型設(shè)定尺寸變量,通過(guò)修改通用模型的尺寸變量得到新模型,新模型都是從同一個(gè)模板派生出來(lái)的。模型驅(qū)動(dòng)法的適用范圍更廣,適用于建立沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的模型。模型驅(qū)動(dòng)法需要的程序代碼量大,通常需要通過(guò)宏預(yù)錄的方式生成基礎(chǔ)部分建模代碼,從零開(kāi)始使用程序建模,更耗費(fèi)SolidWorks的內(nèi)核資源。尺寸驅(qū)動(dòng)法適用于設(shè)計(jì)具有相似形狀但尺寸多樣的同族零件,只需要編寫修改特征尺寸的代碼,對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求不高,平臺(tái)運(yùn)行效率更高。筆者在個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)中設(shè)計(jì)的模型均為牙種植體和牙科基臺(tái)的同族模型,因此采用尺寸驅(qū)動(dòng)法[3]。

4 牙科種植系統(tǒng)

牙科種植系統(tǒng)通常由牙種植體、牙科基臺(tái)、基臺(tái)螺栓、義齒牙冠組成,用于恢復(fù)患者的咀嚼功能。牙種植體又稱人工牙根,用于植入頜骨取代缺失的牙齒,為義齒提供支撐。牙科基臺(tái)為牙種植體上部的連接結(jié)構(gòu),用于連接牙種植體與義齒牙冠,并固定牙冠。

一般而言,人體口腔正常咀嚼食物產(chǎn)生的載荷為30～300 N[7]。 在患者骨量足夠的情況下,長(zhǎng)度和直徑更大的牙種植體能承受更大的咀嚼載荷。同時(shí),牙種植體直徑與長(zhǎng)度增大,可以使牙種植體的表面積增大,從而增大牙種植體與骨組織的接觸面積。在患者骨量不足的情況下,傾斜種植能有效增大牙種植體的骨內(nèi)段長(zhǎng)度,使種植更加穩(wěn)固。采取傾斜種植的方式需要結(jié)合使用角度基臺(tái)。牙槽骨組織分為皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨,均為疏松多孔狀結(jié)構(gòu),彈性模量為1 GPa～30 GPa,牙種植體的材料鈦金屬?gòu)椥阅Ａ縿t約為110 GPa[8]。 兩者間巨大的彈性模量差異,導(dǎo)致咀嚼載荷產(chǎn)生的應(yīng)力集中在牙種植體上,無(wú)法傳遞到骨組織中,產(chǎn)生應(yīng)力屏障,骨組織得不到應(yīng)有的鍛煉,易形成骨吸收,使牙種植體在骨內(nèi)的長(zhǎng)度減小,有松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[10-12]。 隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展,通過(guò)激光選區(qū)熔化或激光選區(qū)燒結(jié)金屬三維打印技術(shù),能夠生產(chǎn)具有多孔結(jié)構(gòu)的牙種植體。已有研究表明,激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)三維打印多孔牙種植體在機(jī)械強(qiáng)度與骨結(jié)合性能方面都能達(dá)到良好的水平[10-12]。 牙種植體表面多孔設(shè)計(jì)能有效降低牙種植體的彈性模量,使骨組織與牙種植體的應(yīng)力分布更為平均,減少骨吸收的發(fā)生。同時(shí),多孔表面結(jié)構(gòu)也利于骨細(xì)胞的生長(zhǎng)與附著。多孔結(jié)構(gòu)還能夠攜帶藥物,實(shí)現(xiàn)消炎抗菌,促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)[13]。 義齒種植在恢復(fù)患者咀嚼功能的同時(shí),需要兼顧美觀的修復(fù)效果。比起成品基臺(tái)有限的穿齦規(guī)格,個(gè)性化基臺(tái)與牙齦協(xié)調(diào)的曲面肩臺(tái)設(shè)計(jì)能形成更為理想的穿齦輪廓,與周圍的軟組織貼合[14]。

5 個(gè)性化牙種植體和牙科基臺(tái)結(jié)構(gòu)

個(gè)性化多孔牙種植體表面采用自攻螺紋設(shè)計(jì),螺紋間距0.6 mm,使牙種植體與周圍骨質(zhì)有效鎖緊。牙種植體表面設(shè)計(jì)有平均間隙為0.3 mm的微孔多孔段,為骨組織生長(zhǎng)提供空間,加強(qiáng)牙種植體與骨組織的結(jié)合,同時(shí)降低牙種植體整體的彈性模量,避免骨組織產(chǎn)生應(yīng)力屏障效應(yīng)。多孔段的孔隙圖案可以根據(jù)制造條件選擇正六角模型或金剛石模型,多孔段的長(zhǎng)度與直徑亦可以根據(jù)患者種植條件,在寬度3.4～6 mm、長(zhǎng)度2.8～5.5 mm中自由選擇。牙種植體直徑與牙種植體長(zhǎng)度可基于患者骨質(zhì)骨量及不同的種植區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。前牙區(qū)牙齦薄,容易產(chǎn)生種植反青現(xiàn)象,影響美觀,加之前牙區(qū)咀嚼載荷小,可以選擇表面積較小的窄植體。后牙區(qū)對(duì)美觀要求相對(duì)較低,咀嚼載荷較大,義齒需要的支撐強(qiáng)度高,可以選擇使用表面積更大的寬植體。牙種植體直徑有3.5 mm窄植體和5.0 mm寬植體兩種選擇,牙種植體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)范圍為9.5～14.5 mm。牙種植體與牙科基臺(tái)間由六角接口和雙邊24°莫氏錐度連接,再由基臺(tái)螺栓緊固。六角接口用于抗旋,莫氏錐度使牙科基臺(tái)與牙種植體緊密結(jié)合,防止發(fā)生滲漏,避免引起松動(dòng)及細(xì)菌感染現(xiàn)象。

所設(shè)計(jì)的個(gè)性化多孔牙種植體與一般牙種植體如圖1所示。

▲圖1 牙種植體

個(gè)性化牙科基臺(tái)與牙種植體間為平臺(tái)轉(zhuǎn)移類型的內(nèi)連接結(jié)構(gòu),牙科基臺(tái)直徑為4～6 mm,可根據(jù)牙種植體設(shè)置。牙科基臺(tái)連接義齒牙冠部分的工作高度為4～6.5 mm,牙科基臺(tái)角度可在0°～30°間自由調(diào)節(jié)。為適應(yīng)高低不平的牙齦軟組織,牙科基臺(tái)的穿齦肩臺(tái)為曲面設(shè)計(jì),肩臺(tái)寬度約為0.5 mm。曲面由六個(gè)高度不同且在垂直投影面上共圓的點(diǎn)定義,曲面高度范圍為1～5 mm,舌側(cè)、頰側(cè)和牙科基臺(tái)兩邊側(cè)的穿齦高度都可以通過(guò)曲面進(jìn)行自由定義。

相比一般牙種植體表面,個(gè)性化多孔牙種植體的多孔段表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于成骨細(xì)胞的附著生長(zhǎng),同時(shí)孔隙也給骨細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了空間。疏松的孔隙與頜骨中的骨小梁結(jié)構(gòu)類似,能降低牙種植體的彈性模量,有效減少頜骨生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)力屏障效應(yīng)的產(chǎn)生。相比一般預(yù)成牙科基臺(tái)中穿齦肩臺(tái)為平面,個(gè)性化牙科基臺(tái)的穿齦肩臺(tái)為曲面,更能貼合牙齦軟組織。目前牙科種植系統(tǒng)普遍存在修復(fù)后義齒與鄰牙間喪失牙齦乳頭的狀況,個(gè)性化牙科基臺(tái)的穿齦曲面將更有利于誘導(dǎo)牙齦乳頭的生長(zhǎng)。

個(gè)性化牙科基臺(tái)與一般牙科基臺(tái)如圖2所示。

▲圖2 牙科基臺(tái)

6 個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)思路

牙種植體和牙科基臺(tái)個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)用戶輸入的目標(biāo)特征參數(shù)修改通用模型,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化模型的設(shè)計(jì)[15]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,通用模型庫(kù)預(yù)先嵌入個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)。打開(kāi)個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)后,將自動(dòng)釋放通用模型庫(kù),并于后臺(tái)運(yùn)行SolidWorks。用戶選擇所需模塊后,SolidWorks將會(huì)從后臺(tái)模型庫(kù)中加載對(duì)應(yīng)的通用模型。待用戶完成參數(shù)輸入后,個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)依據(jù)用戶的要求,修改通用模型為符合用戶需求的個(gè)性化模型,并自行保存,最后通過(guò)eDrawing插件在平臺(tái)上顯示,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)覽。生成的模型通過(guò)菜單欄的“另存為”功能,可以導(dǎo)出用于后續(xù)加工等。另外,個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)還預(yù)留了ANSYS有限元分析軟件的接口,待進(jìn)一步完善平臺(tái)架構(gòu)后,能夠?qū)ι傻哪Ｐ瓦M(jìn)行有限元模擬,得到可靠度分析結(jié)果。個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)運(yùn)行邏輯如圖3所示。

▲圖3 個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)運(yùn)行邏輯

7 個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立

牙種植體和牙科基臺(tái)個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)由兩個(gè)模塊組成,分別為個(gè)性化牙科基臺(tái)設(shè)計(jì)模塊和個(gè)性化牙種植體設(shè)計(jì)模塊。用戶可以在參數(shù)設(shè)計(jì)分頁(yè)中選擇設(shè)計(jì)牙科基臺(tái)或設(shè)計(jì)牙種植體。兩個(gè)模塊都由菜單欄、參數(shù)設(shè)計(jì)欄、預(yù)覽窗口、狀態(tài)欄構(gòu)成。個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面如圖4所示。

▲圖4 個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面

為達(dá)到個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)與SolidWorks實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、實(shí)時(shí)預(yù)覽模型的目的,需要利用程序關(guān)聯(lián)個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)與SolidWorks,再插入SolidWorks附帶的eDrawing插件作為預(yù)覽窗口使用。在Visual Studio軟件中引入SolidWorks和eDrawing的.dll格式數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)實(shí)例化對(duì)象運(yùn)行軟件。C#語(yǔ)言主要代碼如下:

SldWorks.SldWorks swApp=new SldWorks.SolidWorks();

//實(shí)例化SolidWorks對(duì)象,運(yùn)行SolidWorks。

eDrawingControl1=newe DrawingControl();

//實(shí)例化eDrawing對(duì)象,運(yùn)行eDdrawing。

菜單欄用于保存生成的個(gè)性化牙種植體模型或牙科基臺(tái)模型,并關(guān)閉窗口,主要代碼如下:

private void saveAsToolStripMenuItem_Click(object sender,EventArgs e)

{

//菜單欄另存為動(dòng)作。

FolderBrowserDialog dialog=new FolderBrowserDialog();

dialog.Description="請(qǐng)選擇文件路徑";

string foldPath="";

if (dialog.ShowDialog()==DialogResult.OK)

{

foldPath=dialog.SelectedPath;

DirectoryInfo theFolder=new DirectoryInfo(foldPath);

}

//用戶選擇另存路徑。

ModelDoc2 ActiveModel=(ModelDoc2)swApp.ActiveDoc;

string filepath=ActiveModel.GetPathName();

string savepath=foldPath +filepath.Remove(0,36);

ActiveModel.SaveAs(savepath);

}

//當(dāng)前模型保存 。

private void Form1_FormClosing(object sender,FormClosingEventArgs e)

{

//窗口關(guān)閉動(dòng)作。

Process[] proc;

proc=Process.GetProcesses();

for (int i=1;i <=proc.Length - 1;i++)

{

if (proc[i].ProcessName=="SLDWORKS")

{

proc[i].Kill();

break;

}

}

//關(guān)閉后臺(tái)聯(lián)動(dòng)的SolidWorks程序。

e.Cancel=true;

}

//關(guān)閉平臺(tái)窗口界面。

考慮個(gè)性化牙種植體和牙科基臺(tái)的設(shè)計(jì)需求,個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)在個(gè)性化牙科基臺(tái)設(shè)計(jì)模塊中提供了牙科基臺(tái)角度、牙科基臺(tái)直徑、工作高度,以及由六個(gè)點(diǎn)的高度定義的穿齦肩臺(tái)曲面,作為設(shè)計(jì)參數(shù);并在個(gè)性化牙種植體設(shè)計(jì)模塊中提供了牙種植體長(zhǎng)度、牙種植體直徑、多孔段直徑、多孔段長(zhǎng)度、多孔段微孔樣式作為設(shè)計(jì)參數(shù)。個(gè)性化牙種植體與牙科基臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征參數(shù)及符號(hào)如圖5、表1所示。

▲圖5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征參數(shù)

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征參數(shù)及符號(hào)

在個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面中,特征參數(shù)由用戶在參數(shù)設(shè)計(jì)欄的textBox中賦值,修改模型尺寸,具體代碼如下:

double d1=double.Parse(textBox.Text);

//將textBox中用戶鍵入的特征參數(shù)賦值至d1。

Dimension v1=(Dimension)spt.Parameter("D1@Sketch1");

//定義草圖中的尺寸特征D1為v1。

v1.Value=d1;

//將d1賦值到v1。

特征參數(shù)賦值完成后,需要保存并重建模型,主要代碼如下:

spt.EditRebuild3();

//重建模型。

spt.Save();

//保存修改特征。

應(yīng)用eDrawing插件在個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)上預(yù)覽模型,完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程。eDrawing插件執(zhí)行預(yù)覽功能的代碼如下:

eDrawingControl1.eDrawingControlWrapper.OpenDoc(filepath,false,false,true,"");

個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面使用效果如圖6所示。

▲圖6 個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面使用效果

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者在Visual Studio中以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,利用SolidWorks應(yīng)用程序接口的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)建立了牙種植體和牙科基臺(tái)的個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)。這一個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)潔簡(jiǎn)單,沒(méi)有復(fù)雜的安裝過(guò)程,在任何安裝SolidWorks的計(jì)算機(jī)中皆可運(yùn)行。個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方式,使用戶不需要任何工程軟件經(jīng)驗(yàn),只需根據(jù)需求輸入關(guān)鍵特征尺寸參數(shù),即可完成個(gè)性化定制的牙種植體和牙科基臺(tái)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的牙種植體和牙科基臺(tái)模型后續(xù)可用于機(jī)械加工或仿真分析等,從而節(jié)省個(gè)性化設(shè)計(jì)的時(shí)間,使醫(yī)師在設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用。個(gè)性化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化牙種植體和牙科基臺(tái)的參數(shù)化快速建模,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟,使個(gè)性化牙種植體和牙科基臺(tái)的設(shè)計(jì)效率得到了大幅提高。