[發明專利]一種個性化輕質醫療夾板及其設計方法

有效

• 申請號: 201910542765.0
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110215329B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 周明東;奚小冰;丁卯;顏威
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: A61F5/058
• 分類號: A61F5/058;B33Y10/00;B33Y50/00;B33Y80/00;G06F30/23
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

1.一種個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

步驟1：通過三維掃描構建患肢的模型；

步驟2：確定所述夾板的設計域；

步驟3：對所述夾板與所述患肢進行生物力學分析，構建生物力學模型；

步驟4：采用創成式設計方法設計多孔輕質夾板；

步驟5：采用增加材料的方式制造所述夾板；

步驟6：所述夾板的性能監測及改進；

所述步驟4包括如下步驟：

步驟4.1：分析已有的一般性患肢模型，確定所述夾板的基本厚度區間、基本長度區間、不同固定狀態下所述患肢需固定的區域范圍；

步驟4.2：結合所述生物力學模型，采用有限元方法建立所述夾板主體結構靜力學拓撲優化模型；

步驟4.3：結合所述夾板的實際使用方式，確定有限元模型的基本約束邊界條件，通過分析壓力分布模型的數據，確定所述有限元模型的載荷邊界條件；基于SIMP、RAMP方法反映所述拓撲優化模型中材料弱化過程中的懲罰，避免弱材料灰度的存在；基于物性參數和等效性能表征模型計算，以結構構型拓撲參數為設計變量，推導結構靜力學響應對結構拓撲、物性參數的靈敏度計算格式，采用差分法或半解析法進行所述靈敏度精度評估；

步驟4.4：按照KKT條件等效解耦，采用串行輪換迭代策略并引入凸規劃全局收斂算法處理多變量優化設計問題；

步驟4.5：利用消息傳遞MPI技術實現并行移動漸近線優化算法，以最小化所述夾板結構重量為優化目標、以結構剛度為約束，采用全局移動漸近線優化算法，對所述夾板結構進行多孔輕質結構的拓撲優化設計。

2.如權利要求1所述的個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，所述步驟3包括如下步驟：

步驟3.1：根據所述患肢部分損傷恢復過程的生理和病理變化規律，建立變化模型及相應的生物力學表征；

步驟3.2：將感壓紙分別貼在不固定的所述患肢表面及被石膏固定的所述患肢表面，分析所述石膏對所述患肢的力學作用機理，定性研究分析固定夾具在肢體上施加的壓力區域范圍及面積大小，結合對于特定區域采用壓力分布測量系統獲得的定量壓力值，研究在康復過程的不同階段內，所述患肢所需的最適所述壓力分布模型，得到所述夾板結構設計的生物力學條件。

3.如權利要求2所述的個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，所述步驟4.5中的所述拓撲優化設計包括：

根據所述夾板的實際使用方法和醫療方案，施加不同的結構剛度約束以獲得個性化的夾板優化結構；定量對比不同的所述結構剛度約束的設計，得到設計自由度、基本約束、所述結構剛度約束對所述夾板優化結構的影響規律；考慮所采用的制造加工工藝對所述夾板的結構精度帶來影響，并因此對所述夾板與所述患肢之間貼合精確度帶來的影響，通過分析所采用的所述制造加工工藝對所述夾板的所述結構精度帶來的所述影響的機制構建制造加工約束模型，在所述拓撲優化設計中，加入相應的所述加工約束；根據制造過程中采用的制造設備的實際尺寸參數，在所述夾板的所述拓撲優化設計過程中采用自支撐結構以降低生產成本。

4.如權利要求3所述的個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，所述步驟4.5中的所述拓撲優化設計還包括通過對所述夾板的重量、所述夾板的透氣性、所述夾板的力學性能、所述夾板的加工約束因素的分析，確定所述因素相互影響的規律，結合所述設計自由度對所述夾板的性能優化及計算效率影響機制，提高多孔輕質結構的所述拓撲優化設計的效率。

5.如權利要求4所述的個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，所述步驟5中采用的所述增加材料的方式為3D打印制造方式。

6.如權利要求5所述的個性化輕質醫療夾板的設計方法，其特征在于，所述步驟6中的所述夾板的性能監測包括如下步驟：

步驟6.1：利用微型傳感器技術，檢測所述夾板的固定效果，量取所述夾板的結構施加的壓力；

步驟6.2：使用無線通信技術，在智慧終端上以數據的方式顯示斷端應力，存儲治療全程所述夾板的工作情況及醫療效果；

步驟6.3：采取臨床對照的方法，對比所述夾板與所述石膏固定結構在醫療過程中的應力數據。