[發明專利]一種基于宿主骨應力環境的定制化假體優化設計方法

有效

• 申請號: 201610052671.1
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105740523B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發明（設計）人: 王玲;孫暢寧;康建峰;李滌塵;靳忠民
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;陜西恒通智能機器有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種基于宿主骨應力環境的定制化假體優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：采集病人患處的CT或MRI數據，通過斷層數據處理軟件建立病人患處的周圍骨三維模型，然后按照手術要求進行截骨并根據周圍骨三維模型的形貌設計假體外形得到假體三維模型，而后將假體三維模型和周圍骨三維模型實體化并導入CAD軟件中進行裝配，得到骨-假體三維模型；

步驟2：采集病人的運動學信息，根據人體生理環境通過軟件定量計算出在日常活動時假體和周圍骨的受力情況作為力學輸入，而在無法獲取患者的運動學信息的情況下，則選取一般情況下假體的最大受載作為力學輸入；

步驟3：將裝配完成的骨-假體三維模型導入有限元軟件中，對周圍骨三維模型和假體三維模型劃分有限元網格，得到周圍骨有限元模型和假體有限元模型，參考人體生理結構對周圍骨有限元模型和假體有限元模型施加邊界條件，根據步驟2所確定的力學輸入施加載荷，而后劃分需要被設計為多孔部分的區域；

步驟4：在基于有限元軟件的腳本程序控制下對假體有限元模型中的各有限元單元賦予彈性模量并根據有限元分析得到的應力分布結果改變假體有限元模型中的各有限元單元的彈性模量值，在多孔子單元結構尺寸參數、等效彈性模量和等效強度之間的關系的基礎上，實現對假體有限元模型的彈性模量分布的優化；

步驟5：根據優化所得的假體有限元模型的彈性模量分布結果，使用基于有限元軟件的腳本程序，讀取結果中假體有限元模型中的各有限元單元的彈性模量，使用多孔子單元結構替代假體三維模型，根據等效彈性模量和多孔子單元結構尺寸之間的關系，設定每個多孔子單元結構的尺寸參數，得到多孔假體的基體模型，而后使用假體三維模型與多孔假體的基體模型進行布爾交運算，得到兼具假體三維模型外表面形貌和多孔假體的基體模型的內部結構的多孔假體模型；

步驟6：輸出多孔假體模型并制造。

2.根據權利要求1所述的一種基于宿主骨應力環境的定制化假體優化設計方法，其特征在于，在步驟3中，根據CT圖像灰度值與骨密度和骨彈性模量之間的關系為周圍骨的有限元模型賦予和灰度分布相關的精確的彈性模量分布。

3.根據權利要求1所述的一種基于宿主骨應力環境的定制化假體優化設計方法，其特征在于，在步驟4中采用有限元方法確定多孔子單元等效彈性模量與多孔子單元結構尺寸參數之間關系，具體實施方法為：在有限元軟件中，對一系列具有相同拓撲結構而結構尺寸參數不同的多孔子單元施加一個載荷F_N，通過有限元計算得出多孔子單元受載荷F_N時的受載方向變形量Δl，多孔子單元基材彈性模量為E，根據如下公式計算多孔子單元的等效彈性模量：

其中，E_Q為多孔子單元的等效彈性模量，F_N為載荷，l為多孔子單元在受載方向尺寸，Δl為多孔子單元受力時受載方向的變形量，A_ncs為多孔子單元橫截面名義面積。

4.根據權利要求1所述的一種基于宿主骨應力環境的定制化假體優化設計方法，其特征在于，在步驟4中，采用有限元方法確定多孔子單元等效強度與多孔子單元結構尺寸參數之間關系：在有限元軟件中，對一系列具有相同拓撲結構而結構尺寸參數不同的多孔子單元施加一個逐漸增大的載荷F_M進行有限元計算，讀取計算過程中的最大應力σ_max，當σ_max等于多孔子單元基材的屈服強度σ時，根據如下公式計算多孔子單元的等效強度：

其中，σ_Q為多孔子單元的等效強度，F_M為σ_max等于多孔子單元基材的屈服強度σ時的載荷，A_ncs為多孔子單元橫截面名義面積。