[發明專利]一種基于拓撲優化技術的松質骨多孔結構建模方法

有效

• 申請號: 201710410036.0
• 申請日: 2017-06-03
• 公開（公告）號: CN107391784B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 劉蓉;張亞坤;郭新路;王永軒
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本

本發明涉及生物醫療技術領域，一種基于拓撲優化技術的松質骨多孔結構建模方法，包括以下步驟：(1)建立松質骨模型，(2)求解松質骨模型的體積分數，(3)求解松質骨模型的力學性能，(4)提出本方法的拓撲優化模型，(5)求解多孔結構，(6)還原CAD模型。本發明考慮到真實松質骨的性能，設計得到的模型更加符合真實松質骨結構的要求，并且大大減少了模型的數據量，滿足加工和后處理的要求，為進一步的骨科臨床手術應用奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及一種基于拓撲優化技術的松質骨多孔結構建模方法，屬于生物醫療技術領域。

背景技術

股骨是人體最大的長管狀骨，它起著支撐人體的重要作用。股骨頭位于股骨的近端，它是股骨中一個十分重要的部位。近年來，股骨頭壞死越來越多的出現在病人的生活中，通過股骨頭自身的恢復機制很難使其復原，因此需要通過外部植入體替換的方法使其恢復正常。傳統的植入體多是實心植入體，這種植入體雖然具有良好的剛度和強度，但是它的生物相容性差，主要原因是股骨頭內部完全是松質骨結構，松質骨是由網狀結構的骨板排列而成，具有多孔的特性，除了起到支撐的作用之外，同時也為營養物質的傳送以及骨髓的流動提供一個固定的通道。

為了解決實心植入體存在的問題，研究人員提出了采用多孔結構植入體代替實心植入體。多孔結構植入體是由一系列周期性排列的多孔結構組成，它具有多孔的特性，有利于骨組織的內生長，且骨組織與多孔植入體的結合界面會更加牢固。與傳統實心植入體相比，它不僅生物相容性更好，而且可以通過改變體積分數以及結構形式的方式對植入體的整體的性能進行調控。因此，多孔結構植入體在很長一段時間內受到了人們的廣泛關注。

傳統的多孔結構設計方法通常可以分為以下兩種，分別是構造實體幾何法和基于圖像的建模方法。構造實體幾何法是一種以CAD技術為基礎的程序化建模方法。它是以簡單體元為基礎，利用現有的工程軟件UG、CATIA、PRO-E、SolidWorks等，通過布爾運算得到復雜的曲面以及空間結構的方法。通常用到的體元有圓柱、圓錐、長方體、球體等，將其進行求交集或者并集等操作，可以得到復雜的空間結構。構造實體幾何法進行多孔結構重建所得到的模型具有結構簡單、便于加工以及后處理的特點，但是無法對結構的整體性能加以控制。基于圖像的建模方法是以現有的醫學圖像CT以及MRI等為基礎，直接利用圖像進行模型建立的方法，這種方法最大的優勢就是可以保證模型的真實性。圖像建模方法得到的多孔結構模型具有真實結構的性能，應用于數值分析尚可，但是給加工以及后期處理帶來困難。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明目的是提供一種基于拓撲優化技術的松質骨多孔結構建模方法。該方法將松質骨的力學性能和體積分數應用于多孔結構的設計中，使得到的結果既能滿足真實松質骨的力學性能要求，又能滿足工業加工的要求。拓撲優化技術可以根據給定的目標函數和約束條件對特定性能的結構進行設計，結果具有模型數據量小，便于加工等特點，為進一步的骨科臨床手術應用奠定了基礎。

為了實現上述發明目的，解決己有技術中存在的問題，本發明采取的技術方案是：一種基于拓撲優化技術的松質骨多孔結構建模方法，包括以下步驟：

步驟1、建立松質骨模型，為了保證松質骨模型的真實性，本發明基于醫學圖像建立松質骨模型，具體包括以下子步驟：

(a)根據設計要求選取股骨頭并對其進行物理處理，利用Micro-CT儀器掃描得到松質骨結構的醫學圖像；

(b)利用Mimics軟件對Micro-CT儀器掃描得到的醫學圖像進行處理，包括窗寬和窗位調整、閾值分割、區域增長，得到具有清晰骨小梁結構的松質骨圖像，并建立松質骨結構模型；

步驟2、求解松質骨模型的體積分數，將在Mimics中建立得到的松質骨模型導出為STL格式，并將其導入到Magics軟件中得到松質骨模型的體積信息，并基于此體積信息對松質骨模型的體積分數V_m/V進行求解，其中V_m是松質骨實心部分的體積，V是松質骨實心部分和空心部分的總體積；