[发明专利]一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法在审
申请号: | 201810295961.8 | 申请日: | 2018-04-04 |
公开(公告)号: | CN108577958A | 公开(公告)日: | 2018-09-28 |
发明(设计)人: | 钟环;欧阳汉斌;魏波;黄文华;余斌;杨洋;陈海聪 | 申请(专利权)人: | 广东医科大学附属医院 |
主分类号: | A61B17/80 | 分类号: | A61B17/80;A61B34/10;B33Y10/00;B33Y50/00 |
代理公司: | 北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙) 11350 | 代理人: | 赵蕊红 |
地址: | 524001 广东*** | 国省代码: | 广东;44 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 跟骨 跟骨钢板 拓扑优化 个性化 打印 构建 匹配 钢板 解剖 软组织并发症 个性化治疗 固定稳定性 内固定钢板 传统设计 跟骨骨折 固定刚度 皮瓣坏死 曲面钢板 曲面轮廓 三维重建 生物力学 螺钉 关节面 内固定 平整性 植入物 最大化 复位 切迹 术后 塑形 成型 制造 配置 治疗 恢复 分析 | ||
1.一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于,依次包括如下步骤:
S1.采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据,并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理,建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型,同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型;
S2.利用三维建模软件,将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧,得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型,导出为STL文件;
S3.将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理,并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片,拟合成跟骨实体模型;
S4.将步骤S3中的跟骨实体模型导入CAD软件中提取跟骨钢板雏形的曲面,然后将提取的曲面沿着法向向外加厚,得到曲面钢板,并根据患侧的跟骨骨折形态进行曲面钢板上的螺钉定向和打孔配置操作,完成跟骨钢板雏形的建模;
S5.将步骤S4中的跟骨钢板雏形连同螺钉导入有限元分析软件,设定生理状态下跟骨的载荷参数、材料属性及边界条件,进行模型网格划分和有限元数据分析,得到跟骨骨折有限元模型雏形;
S6.将跟骨骨折有限元模型雏形导入拓扑优化软件中,设置包括拓扑优化方法、设计变量、目标函数和约束条件的优化参数,提交拓扑优化分析后进入优化迭代运算,直至优化结果满足目标函数最小化及约束条件,将优化后的模型导入CAD软件中进行钢板的重新设计,得到新设计的钢板CAD模型;
S7.将步骤S6得到的新设计的钢板CAD模型再次导入有限元分析软件中进行分析验证,判断若分析结果达到预期设计目标,则进入步骤S8,若分析结果未达到预期设计目标,则将新设计的钢板CAD模型作为跟骨骨折有限元模型雏形返回步骤S6,直到优化设计的钢板达到预期设计的目标,将满足设计目标的新钢板模型导出为STL文件;
S8.将步骤S7输出的新钢板模型STL文件导入到3D打印成型设备中,利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成,并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成钢板的打印成型,进一步对钢板进行去除支撑、抛光的后续处理,最终得到成品钢板。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于:所述步骤S1中,目标跟骨断层影像数据通过CT扫描、MRI扫描或micro-CT扫描成像设备获取。
3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于:所述步骤S1中,所采用的三维重建软件为Mimics、Simpleware或3D-doctor医学图像重建软件;所采用的图像分割处理方法为阈值自动分割法、区域增长分割法、手动分割法中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求3所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于:所述步骤S2中,三维建模软件为Mimics、Geomagic Studio、Solidworks或UG NX计算机三维建模软件。
5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于:所述步骤S3中,构建曲面所用的逆向工程软件为Geomagic studio、CopyCAD、Imageware或RapidForm软件;所述表面修饰处理为光顺表面、去除局部特征、填充孔、重画网格中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法,其特征在于:所述步骤S6中,拓扑优化方法为均匀化方法、变密度法、刚度法或遗传算法。
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