生成式设计的患者特异性植入物用于正颌手术的可行性:一项计算机模拟比较研究

Feasibility of Generatively Designed Patient-Specific Implants for Orthognathic Surgery: An In Silico Comparative Study

作者信息Mengjia Cheng, Ankit Nayak, Yiu Yan Leung
PMID42685618
发布时间2026-09
DOI10.1016/j.identj.2026.111095

实验完整度

在计算机模拟中比较GD与MD固定板,使用SDF评估形状贴合度,有限元分析评估生物力学性能,测量板尺寸和设计时间。

主要模型

12对GD和MD固定板 Le Fort I截骨术病例 颏成形术病例

重点核对

板-骨形状贴合度通过平均板-骨距离、顶点<0.5 mm百分比和顶点>1.5 mm百分比评估 生物力学性能通过最大von Mises应力和最大变形评估 板尺寸通过表面积和体积量化 设计时间记录GD工作流程的动手时间

摘要

引言与目的:探讨在计算机模拟环境下,生成式设计(GD)的患者特异性植入物(PSIs)是否与手动设计(MD)的PSIs在正颌手术中等效。方法:比较12对GD和MD固定板用于Le Fort I截骨术和颏成形术,评估板-骨形状贴合度、生物力学性能、板尺寸和设计时间。形状贴合度测量为板顶点到底层骨表面的有符号距离,以估计潜在的手术精度。使用有限元分析评估生物力学性能(von Mises应力和变形)。板尺寸通过表面积和体积量化。GD的动手设计时间按阶段记录,并参考MD时间的历史数据作为背景。结果:GD板表现出更好的形状贴合度,平均板-骨距离(0.95 ± 0.17 mm)低于MD板(1.12 ± 0.28 mm;P < .05)。两种板的最大von Mises应力均在钛的极限抗拉强度(345 MPa)内,最大变形在0.55 mm内,表明足够的生物力学稳定性。与MD板相比,GD板表面积减少16%(P < .001),体积减少18%(P < .05)。GD板的平均动手设计时间Le Fort I为94.3 ± 14.2分钟,颏成形术为45.0 ± 7.3分钟,显著短于先前内部工作流程报告的MD时间。结论:与MD板相比,GD固定板表现出改善的形状贴合度、足够的机械强度、更小的尺寸和减少的设计时间。临床相关性:在计算机模拟中对GD固定板的客观分析对于证明进一步应用于临床试验的重要性是重要的。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
在计算机模拟环境下,生成式设计的患者特异性植入物是否与手动设计的PSIs在正颌手术中等效?
核心机制
生成式设计工作流程自动生成和优化固定板,结合几何和生物力学参数,可能改善形状贴合度和减少尺寸。
主要证据
GD板在形状贴合度指标上优于MD板(平均距离0.95 mm vs 1.12 mm,P < .05),表面积减少16%,体积减少18%,设计时间缩短,而生物力学性能相当。
研究意义
GD固定板可能改善临床结果、患者舒适度和工作流程效率,但需要前瞻性临床试验验证。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

病例选择与数据收集

选择多样化的正颌手术病例以评估GD工作流程的通用性。

回顾性选择12例OGS病例,包括6例Le Fort I截骨术和6例颏成形术,收集虚拟手术规划和MD PSIs的数字文件。

2

PSIs设计

设计GD和MD固定板以进行比较。

MD PSIs由口腔颌面外科培训生使用Proplan CMF和3-Matic软件手动设计;GD PSIs由M.C.在Fusion软件中使用生成式设计工作流程设计。

3

形状贴合度评估

量化板与骨表面的贴合程度。

使用CloudCompare软件中的有符号距离场算法计算板顶点到骨表面的距离。

4

生物力学性能评估

评估固定板在生理载荷下的机械性能。

使用Ansys 2024 R1进行有限元分析,评估von Mises应力和变形。

5

板尺寸和设计时间评估

评估GD工作流程的实际优势。

使用CloudCompare计算表面积和体积;记录GD设计各阶段时间。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Proplan CMF软件Materialise--
3-Matic软件Materialise--
FusionAutodesk--
Geomagic Wrap软件Artec 3D--
CloudCompare软件----
Ansys 2024 R1----
SPSS Statistics 29.0版IBM--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
病例选择
样本量:12例,6例Le Fort I,6例颏成形术;无先验功率计算
阅读提示:Methods中的病例选择部分
PSIs设计
MD设计使用Proplan CMF和3-Matic;GD设计使用Fusion,设计目标为最小化质量,最小厚度1.0 mm,材料纯钛
阅读提示:Methods中的PSIs design methods部分
形状贴合度评估
使用SDF算法,阈值<0.5 mm和>1.5 mm;无下采样
阅读提示:Methods中的Plate-bone shape fit evaluation部分
生物力学性能评估
Le Fort I板:800 N咬合力;颏成形术板:80 N牵引力;网格尺寸:Le Fort I 0.3 mm,颏成形术0.2 mm
阅读提示:Methods中的Biomechanical performance evaluation部分
设计时间评估
GD动手时间记录;MD时间参考历史数据,范围180-300分钟(Le Fort I)和120-180分钟(颏成形术)
阅读提示:Methods中的Outcome evaluation和Results中的Required design time部分