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为解决传统计算机辅助设计（CAD）耗时久等问题，研究人员开展颌骨重建中患者特异性植入物设计算法研究，结果显示该算法高效精准，意义重大。
在人类的日常活动中，颌骨起着至关重要的作用，它不仅维持着气道畅通，保障呼吸，还关乎面部美观、咀嚼以及语言表达。然而，当因疾病或损伤进行上下颌骨切除手术后，重建缺失的结构就成为恢复患者正常功能的关键。近年来，利用身体其他部位的血管化游离组织转移来修复颌骨缺损备受青睐，因为它能带来可预测的治疗效果，且供体部位的并发症较少。不过，这些供体骨的形状与颌骨往往存在差异，在使用前需要进行精细的修剪，这一过程既耗时又对技术要求极高。
为了应对这些挑战，计算机辅助手术（Computer-Assisted Surgery，CAS）应运而生。在手术前，医生和工程师会在计算机上进行虚拟手术规划（Virtual Surgical Planning，VSP），并借助 3D 打印的患者特异性手术导板和植入物，将规划方案应用到手术室中。这一技术极大地提高了手术的安全性、可预测性、效率和准确性，已然成为全球许多大型医疗中心的标准治疗方式。
尽管 CAS 优势众多，但随着时间的推移，其在虚拟手术规划阶段所耗费的大量时间引起了人们的关注。由于所有的导板和植入物都是针对特定患者设计的，需要在手术前逐个进行规划和设计，这不仅需要医生具备临床判断能力，还要求掌握专业的计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）技能，且通常需要花费数小时的时间，这对于医生的日常工作来说是一个不小的负担。
在此背景下，香港大学牙科学院口腔颌面外科的研究人员开展了一项旨在优化患者特异性植入物（Patient-Specific Implants，PSIs）设计流程的研究。该研究成果发表在《3D Printing in Medicine》杂志上。
研究人员提出了一种全新的算法，该算法主要基于以下几个关键技术方法：
首先，利用 3D 模型（STL 文件格式）进行重建部分的建模，医生通过在模型表面选择一系列点来确定植入板的位置和螺丝孔的位置，这些点连接形成跟踪线，之后采用三次样条数据插值进行平滑处理。
其次，通过沿着跟踪线扫描矩形来构建 PSIs 表面模型的骨架，并将螺丝孔整合到表面模型中，最终转换为 3D 可打印的文件格式。
最后，运用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）对设计好的 PSIs 进行功能评估。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- 算法输出：与传统的 CAD 模型设计方法相比，该算法显著提高了设计效率和速度。定义曲线大约只需一分钟，而处理数据和生成 CAD 模型仅需额外的 40 至 60 秒。生成的 STL 模型质量上乘，不存在任何孔、缺失或重叠的小平面等错误。统计分析显示，该模型由 19,116 个三角形组成，最小三角形尺寸为 6.9559e-09mm，最大为 0.44mm，平均为 0.11mm。
- 机械模型确定的反作用力：通过分析肌肉力的机械模型，计算得出合成的牙齿反作用力向量为 365.13N，左右髁突的反作用力分别为 125.02N 和 336.47N，总关节或髁突力与总牙齿反作用力的比值为 1.26。同时，根据计算出的牙齿反作用力和咬合力得出了缩放后的肌肉力。
- 有限元分析结果：在模拟右磨牙咬紧的情况下，植入板的最大应力为 173.39MPa，第 9 颗螺丝处的最大 von Mises 应力为 216.04MPa，均低于钛合金的极限屈服强度（>800MPa），但接近 1 级纯钛的屈服强度（170MPa）。下颌切迹处的应变分布为 0.1，植入板的弹性应变为 0.001，螺丝的最大应变为 0.002。
在研究结论和讨论部分，该算法展现出诸多优势。它能够自动生成 CAD 模型，相比传统的手动 CAD 建模和 STL 文件编辑，更为高效和灵活，且无需医生具备专业的 CAD 建模知识。通过扫掠式表面建模方法创建的 PSIs 模型表面光滑，有效避免了尖锐边缘或顶点导致的应力集中问题。
不过，研究也存在一定的局限性。例如，有限元分析模型仅模拟了右磨牙咬紧的任务，这是由于重建下颌骨的解剖结构限制，左侧磨牙缺失且咬肌已被切除。此外，在设计复杂的重建板时，该算法也存在一定的局限性，如多个杆连接到单个螺丝孔的情况。
总体而言，这项研究提出的新型算法为患者特异性植入物设计领域带来了新的突破，显著缩短了设计时间，提高了设计的准确性和可靠性，有望推动口腔颌面外科手术的进一步发展，为患者带来更好的治疗效果。
