[發明專利]一種基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法

在審

• 申請號: 201810295961.8
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN108577958A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 鐘環;歐陽漢斌;魏波;黃文華;余斌;楊洋;陳海聰
• 申請（專利權）人: 廣東醫科大學附屬醫院
• 主分類號: A61B17/80
• 分類號: A61B17/80;A61B34/10;B33Y10/00;B33Y50/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 趙蕊紅

1.一種基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于，依次包括如下步驟：

S1.采集同一目標對象雙側跟骨的計算機斷層成像數據，并將所獲得的斷層成像數據導入三維重建軟件進行圖像分割處理，建立同一目標對象雙側跟骨的三維模型，同一目標對象的雙側跟骨三維模型包括健側跟骨三維模型和患側跟骨三維模型；

S2.利用三維建模軟件，將健側跟骨三維模型通過矢狀面對稱的方式鏡像成像至患側，得到患側骨折發生前的完整結構參考模型，導出為STL文件；

S3.將完整結構參考模型對應的STL文件導入逆向工程軟件中進行模型表面修飾處理，并構造跟骨外側骨面輪廓的曲面片，擬合成跟骨實體模型；

S4.將步驟S3中的跟骨實體模型導入CAD軟件中提取跟骨鋼板雛形的曲面，然后將提取的曲面沿著法向向外加厚，得到曲面鋼板，并根據患側的跟骨骨折形態進行曲面鋼板上的螺釘定向和打孔配置操作，完成跟骨鋼板雛形的建模；

S5.將步驟S4中的跟骨鋼板雛形連同螺釘導入有限元分析軟件，設定生理狀態下跟骨的載荷參數、材料屬性及邊界條件，進行模型網格劃分和有限元數據分析，得到跟骨骨折有限元模型雛形；

S6.將跟骨骨折有限元模型雛形導入拓撲優化軟件中，設置包括拓撲優化方法、設計變量、目標函數和約束條件的優化參數，提交拓撲優化分析后進入優化迭代運算，直至優化結果滿足目標函數最小化及約束條件，將優化后的模型導入CAD軟件中進行鋼板的重新設計，得到新設計的鋼板CAD模型；

S7.將步驟S6得到的新設計的鋼板CAD模型再次導入有限元分析軟件中進行分析驗證，判斷若分析結果達到預期設計目標，則進入步驟S8，若分析結果未達到預期設計目標，則將新設計的鋼板CAD模型作為跟骨骨折有限元模型雛形返回步驟S6，直到優化設計的鋼板達到預期設計的目標，將滿足設計目標的新鋼板模型導出為STL文件；

S8.將步驟S7輸出的新鋼板模型STL文件導入到3D打印成型設備中，利用3D打印前處理軟件對模型進行支撐生成，并選擇相應的成型材料和快速成型工藝完成鋼板的打印成型，進一步對鋼板進行去除支撐、拋光的后續處理，最終得到成品鋼板。

2.根據權利要求1所述的基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于：所述步驟S1中，目標跟骨斷層影像數據通過CT掃描、MRI掃描或micro-CT掃描成像設備獲取。

3.根據權利要求2所述的基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于：所述步驟S1中，所采用的三維重建軟件為Mimics、Simpleware或3D-doctor醫學圖像重建軟件；所采用的圖像分割處理方法為閾值自動分割法、區域增長分割法、手動分割法中的一種或多種的組合。

4.根據權利要求3所述的基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于：所述步驟S2中，三維建模軟件為Mimics、Geomagic Studio、Solidworks或UG NX計算機三維建模軟件。

5.根據權利要求4所述的基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于：所述步驟S3中，構建曲面所用的逆向工程軟件為Geomagic studio、CopyCAD、Imageware或RapidForm軟件；所述表面修飾處理為光順表面、去除局部特征、填充孔、重畫網格中的一種或多種。

6.根據權利要求5所述的基于拓撲優化的個性化3D打印跟骨鋼板的設計方法，其特征在于：所述步驟S6中，拓撲優化方法為均勻化方法、變密度法、剛度法或遺傳算法。