[發(fā)明專利]一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110694221.3
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113326588B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫鵬;秦瑜
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F16/21;G06F119/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 李全旺

1.一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的可降解金屬骨科植入物的宏觀外形符合骨缺損的外形，同時(shí)具有內(nèi)部連通的多孔結(jié)構(gòu)，在宏觀上滿足植入部位的力學(xué)需求的同時(shí)，在微觀上圓滑過渡且符合所植入部位原生骨的彈性模量分布，所述設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

S1)通過待植入部位的醫(yī)學(xué)影像獲得可降解金屬骨科植入物的宏觀外形數(shù)據(jù)；

S2)使用三重周期極小曲面作為多孔結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元，并實(shí)現(xiàn)三重周期極小曲面結(jié)構(gòu)的參數(shù)化，具體為：包括微觀單元邊長a，每個(gè)單元的相對密度由形狀參數(shù)c決定，則可由單元結(jié)構(gòu)參數(shù)c(x,y,z)的空間矩陣表示單元相對密度ρ(x,y,z)空間分布，(x, y, z)∈Ω，Ω為植入物宏觀外形定義的空間區(qū)域；

S3）建立單元結(jié)構(gòu)參數(shù)與結(jié)構(gòu)剛度的對應(yīng)方法及數(shù)據(jù)庫，具體為：基于Gibson-Ashby的泡沫金屬彈性模量與內(nèi)部相對密度的模型，建立待用材料結(jié)構(gòu)剛度Ex和孔隙單元實(shí)際剛度E的經(jīng)驗(yàn)公式：E=Ex*ρ(x,y,z) ⁿ；

通過有限元或?qū)嶒?yàn)的方法計(jì)算或測得待用材料和對應(yīng)三重周期極小曲面結(jié)構(gòu)的彈性模量E隨相對密度ρ變化的多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)擬合的方式得出上述經(jīng)驗(yàn)公式的n值；

結(jié)合單元結(jié)構(gòu)參數(shù)c(x,y,z)與相對密度ρ(x,y,z)的映射關(guān)系，獲得單元結(jié)構(gòu)參數(shù)c(x,y,z)對應(yīng)的實(shí)際剛度E(x,y,z)的對應(yīng)方法，針對不同的結(jié)構(gòu)剛度，按對應(yīng)關(guān)系尋找到與之對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)匯總并建立成為一個(gè)數(shù)據(jù)庫；

S4）根據(jù)生物骨中某一位置處的剛度，應(yīng)用結(jié)構(gòu)剛度-結(jié)構(gòu)參數(shù)的對應(yīng)方法及數(shù)據(jù)庫找到剛度對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將結(jié)構(gòu)參數(shù)的值設(shè)定為骨植入物中相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)參數(shù)完成骨植入物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

S5)開發(fā)出結(jié)構(gòu)單元間連接和過渡的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)開發(fā)結(jié)構(gòu)單元間的連接和過渡；

S6）開發(fā)出滿足生物骨多樣化外形需求的設(shè)計(jì)方法，最終得到滿足需求的骨植入物模型；

步驟S5中，開發(fā)結(jié)構(gòu)單元間連接和過渡的設(shè)計(jì)方法，具體為：通過拼接的手段將相鄰結(jié)構(gòu)單元連接并組成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)方法為：依次在空間的三個(gè)維度上進(jìn)行拼接操作，首先將各個(gè)單元在第一維度上按空間先后順序拼接，形成由若干單元組成的直線狀結(jié)構(gòu)，隨后再將拼接好的各直線結(jié)構(gòu)在第二維度上拼接為平面狀結(jié)構(gòu)，最終將拼接好的各面狀結(jié)構(gòu)在第三維度上拼接為三維植入物結(jié)構(gòu)；

通過對結(jié)構(gòu)單元參數(shù)進(jìn)行線性插值的手段使單元間完成平滑過渡，實(shí)現(xiàn)方法為：將每個(gè)結(jié)構(gòu)單元像素化分塊為m³個(gè)微觀單元，其中，m為單軸單元個(gè)數(shù)，尋找并獲取與結(jié)構(gòu)單元在空間上上下左右前后以及棱上和角上的共26個(gè)結(jié)構(gòu)單元的相對密度ρ值，設(shè)定結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部過渡區(qū)塊層數(shù)k,其中，km/2-1，結(jié)合空間位置關(guān)系對結(jié)構(gòu)單元的相對密度ρ₀以及與之相鄰結(jié)構(gòu)單元的相對密度ρ之間進(jìn)行k次線性插值，將所得插值的相對密度賦予結(jié)構(gòu)單元靠外側(cè)的k層的相對密度ρ，并通過結(jié)構(gòu)參數(shù)c實(shí)現(xiàn)；

步驟S6中，滿足生物骨多樣化外形需求的設(shè)計(jì)方法，具體為：根據(jù)植入物實(shí)際制造技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的精度以及所得生物骨剛度分布的精度，設(shè)定骨植入物三維模型的微觀單元邊長a；使用步驟S3建立符合生物骨剛度分布的骨植入物結(jié)構(gòu)，生成三維三角面片模型，并轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型；用待植入部位的宏觀外形建立生物骨外形的三維三角面片模型，并轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型；對上述兩實(shí)體模型取交集，最終得到在宏觀上滿足植入部位的力學(xué)需求的同時(shí)，在微觀上圓滑過渡且符合所植入部位原生骨彈性模量分布的骨植入物模型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿制生物骨剛度的多孔骨植入物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S4中，生物骨中某一位置處的剛度通過實(shí)驗(yàn)測定結(jié)合CT骨密度影像分析得到。