[發明專利]一種膝關節缺損墊塊及其制造方法

有效

• 申請號: 202010087929.8
• 申請日: 2020-02-12
• 公開（公告）號: CN111297524B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 王金成;韓青;劉旸;吳乃超;張奧博;陳昊
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: A61F2/46
• 分類號: A61F2/46
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 張偉

1.一種膝關節缺損墊塊的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、獲取患者脛骨的CT數據，在Mimics軟件中根據CT數據對脛骨進行三維重建，得到脛骨模型，將脛骨模型以STL格式導出到Magics軟件中；

步驟二、對膝關節假體進行掃描，用Geomagic軟件完成膝關節假體模型的重建，將膝關節假體模型以STL格式導出到Magics軟件中；

步驟三、在Magics軟件中完成脛骨模型與膝關節假體模型的組配，并制造脛骨平臺內側骨缺損，完成墊塊的植入，將組配后的模型導入到Hypermesh軟件中依次進行二維網格的劃分和三維網格的劃分，將網格劃分后的脛骨模型以inp格式導入到Mimics軟件中，根據Mimics軟件自帶的灰度密度賦值公式完成非均質脛骨模型的建立，并將非均質脛骨模型以inp格式導回到Hypermesh軟件中；

步驟四、在Hypermesh軟件中對非均質脛骨模型與膝關節假體模型組成的整體模型施加工況和約束，進行有限元分析，得到墊塊和脛骨的應力、應變能的分布結果，并在相同的工況和約束下，以減少墊塊應變能為目標，體積分數為約束的條件下進行拓撲優化，獲得拓撲優化后的墊塊；

步驟五、根據拓撲優化后的墊塊在Magics軟件中設計梯度網格化墊塊，得到優化后的梯度網格化墊塊，優化后的梯度網格化墊塊分為保留區域與優化掉區域，且保留區域的網格尺寸小于優化掉區域的網格尺寸，保留區域的孔隙率低于優化掉區域的孔隙率；

步驟六、將優化后的梯度網格化墊塊導入Hypermesh軟件進行網格劃分，在與優化前墊塊在相同的工況和約束下完成有限元分析，對比優化前后墊塊的應力和應變能指標上的變化；

步驟七、判斷優化后的梯度網格化墊塊是否符合預設變化指標，若是，則對優化后的梯度網格化墊塊進行增材制造，得到膝關節缺損墊塊；若否，則返回步驟四，重新進行有限元分析和拓撲優化；所述預設變化指標為：

(1)優化后的梯度網格化墊塊上應力峰值低于優化前墊塊上應力峰值；

(2)優化后的梯度網格化墊塊上應力集中區域小于優化前墊塊上應力集中區域；

(3)優化后的梯度網格化墊塊下方脛骨上應力峰值高于優化前墊塊下方脛骨上應力峰值；

(4)優化后的梯度網格化墊塊下方脛骨上應力集中區域大于優化前墊塊下方脛骨上應力集中區域；

(5)優化后的梯度網格化墊塊下方脛骨上應變能峰值和應變能均值均高于優化前墊塊下方脛骨上應變能峰值和應變能均值。

2.根據權利要求1所述的膝關節缺損墊塊的制造方法，其特征在于，

所述保留區域的網格尺寸及孔隙率分別為：微孔直徑為200μm，構成網格的橫梁直徑為300μm，橫梁的孔隙率為20％；

所述優化掉區域的網格尺寸及孔隙率分別為：微孔直徑為500μm，構成網格的橫梁直徑為300μm，橫梁的孔隙率為60％。

3.根據權利要求1所述的膝關節缺損墊塊的制造方法，其特征在于，還包括：

步驟八、對膝關節缺損墊塊行生物力學試驗，并將試驗結果與有限元分析結果對比，根據對比結果驗證有限元分析的準確性及判斷膝關節缺損墊塊是否可以降低應力屏蔽。

4.一種膝關節缺損墊塊，其特征在于，所述膝關節缺損墊塊通過權利要求1至3任意一項所述的膝關節缺損墊塊的制造方法制造得到。