[發明專利]融合器的結構拓撲優化方法

有效

• 申請號: 201710837740.4
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107609277B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 丁偉;蔡方舟
• 申請（專利權）人: 上海凱利泰醫療科技股份有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 王葉娟;胡晶

本發明提出一種融合器的結構拓撲優化方法，包括以下步驟：構建一融合器主體、上壓塊及下壓塊，上壓塊和下壓塊分別設置在融合器主體的上側和下側；根據待模擬的測試工況，設置針對融合器主體、和/或針對上壓塊和下壓塊并作用在融合器主體上的相互作用關系，設置優化目標；網格化融合器主體，得到若干空間體網格單元，對各個單元進行標識；對融合器主體賦予鈦合金材料屬性，對上壓塊和下壓塊賦予剛體屬性；模擬測試工況，在相互作用關系及材料屬性的基礎上，對測試工況下的各個空間體網格單元進行應力計算；對全部空間體網格單元按應力大小進行排序，根據優化目標刪除若干空間體網格單元，得到優化后的融合器主體結構。能夠優化融合器結構的應力分布等。

技術領域

本發明涉及醫療器械技術領域，尤其涉及的是一種融合器的結構拓撲優化方法。

背景技術

融合器用來進行脊柱椎間融合，常用于骨科/脊柱外科手術/脊柱融合術中。融合器需要進入體內，甚至需要長期植入在體內中，由于人體的各種運動，需要融合器在各個方向上能夠承受不同程度的擠壓、扭曲等力的作用。

融合器各個部位所承受的力的大小會較大的差異，融合器結構的最大應力出現在融合器前后的角落處，融合器的前后角處容易發生破壞，但是，融合器側邊的大片區域不承力或承受較小力。而目前，還未有對融合器進行根據應力分布優化結構的方法，因而融合器上通常會形成應力水平兩極分化的情況，容易在受力較大的部位發生破壞，縮短融合器的使用壽命，導致可能需要頻繁進行手術更換，不僅成本上升，也影響病人的身體情況；同時承力較小的大片區域，則存在著冗余的情況，在手術過程中，這些冗余結構會造成一定的阻礙，妨礙其余結構的容置或操作。

中國專利局公開的申請號為201610440183.8的專利申請文件中，公開了一種柔性鉸鏈的拓撲優化設計方法，包含相對密度、輸入和輸出端、虛擬彈簧、中點位移、目標函數、靈敏度等多個參數和變量，計算公式復雜不易懂。還需要多次對靈敏度、約束條件和目標函數進行計算，計算繁瑣。且其是對二維的柔性鉸鏈進行的優化，非對三維融合器在復合工況下的受力情況進行結構優化。

中國專利局公開的申請號為201410827006.6的專利申請文件中，公開了一種基于拓撲優化及骨重建仿真的個性化椎間融合器設計方法，提到了對融合器進行優化。但其采用變密度法進行優化，是人為引進了一種假想的密度可變的材料，其相對密度和彈性模量之間的關系也是假定的，這會導致由于假定關系的不準確或錯誤，引起最后結果的一系列錯誤結論。此外，其采用的優化準則是一種間接的優化方法，它不直接優化目標函數，而是基于Kuhn-Tucker條件，通過構造Lagrange函數來形成設計變量的更新方案，通過迭代完成優化模型的求解。優化模型的求解完成后，將xi接近0的單元移除，實現融合器的優化設計。這種方法不是直接對結果應力或結構進行優化，中間的Kuhn-Tucker條件及Lagrange函數中的各個參數，無法準確控制最后的應力水平，因此需要多次嘗試及迭代，從而增加計算成本和計算量。再者，該方法對xi的密度進行變化，其提到密度與彈性模量是個假定的關系，意味著密度變化了，彈性模量也發生變化，這不符合實際情況。在給定材料的條件下，不論材料的多少，其材料屬性都是固定的，意味著彈性模量也是固定的。對密度進行變化會帶來材料屬性(包括彈性模量、斷裂屬性、塑性端屬性)的變化，即把原有材料更換為新的材料，使得最終結果因材料屬性發生變化而與實際情況不符。

退一步說，即便更改密度不會帶來材料屬性的變化，使得優化滿足約束條件，然而在計算目標函數的時候，也涉及到了密度，在得到最小的應變能時，是因為某部分單元密度小，導致總體的應變能最小，但未考慮應力的影響。實際計算應變時公式為ε＝σ/E，包含了應力σ與楊氏模量E。根據其專利描述，E與密度相關，但未提及應力的變化關系。使得有可能最后優化結構的最大應力高于材料的許用應力或極限應力，使得優化后結構發生破壞。