[发明专利]一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法

权利要求书

1.一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤1：采集患者盆骨的CT或者MRI数据，通过断层数据处理软件建立患者盆骨三维模型，然后根据手术要求进行截骨，得到待重建的盆骨三维模型；

步骤2：在三维机械设计软件中使用规则形状的实体结构来替代盆骨缺损部位，作为后续拓扑优化的初始形状，然后将其和切割后的盆骨模型进行装配，得到盆骨-规则实体三维模型；

步骤3：将装配完成的盆骨-规则实体三维模型导入到有限元分析软件中，分别对各个部件划分有限元网格，得到盆骨-规则实体有限元模型；给各个部件赋予材料属性，并参考人体生理结构和日常活动情况对有限元模型施加相应的边界条件和力学输入；

步骤4：通过有限元计算得到盆骨-规则实体模型的应力分布结果，然后设定拓扑优化后的最终体积或者最大的应力值作为拓扑优化的参数，逐步去除假体上应变能小的单元，通过迭代计算最终得到满足优化目标的拓扑结构假体，然后将其输出；

步骤5：将输出后的拓扑结构假体在逆向工程软件中进行降噪、光顺和实体化处理，最终得到盆骨假体的拓扑实心结构部分，作为假体的主要承力结构；

步骤6：根据盆骨的正常解剖形态，将患者切除的区域设计为多孔结构，然后通过布尔运算将其和步骤5中设计好的拓扑实心结构部分合并为一个整体；为了促进骨长入，假体与骨接触的区域也设计为多孔结构；

步骤7：将经步骤6设计好的假体导入到三维机械设计软件中，为假体设计合适的螺钉安装位，便于假体的安装；

步骤8：为了保证假体具有足够的强度，设计好的假体需要进行强度校核：使用通用商业有限元软件对设计好的假体进行应力分析，看假体上的最大应力是否低于材料的疲劳应力，若满足则进入下面的制造环节，若不满足则需要改变步骤(4)中拓扑优化的参数，重复进行步骤(4)-(8)，直到假体强度满足要求；

步骤9：输出假体模型并进行制造；

在步骤4中，在进行优化迭代中的有限元计算时，将一种载荷下的应力分布结果作为优化的输入，或考虑多种载荷的共同作用，计算多种载荷条件下的假体应力分布，并为其设定权重系数，作为优化的输入；

在步骤7中，在进行螺钉安装位的设计时，应该根据剩余骨的形态和手术的实际需求，尽量减少螺钉的安装以减少手术创伤；并且在螺钉的安装位置设计了实心加强区域，该区域的厚度为1-2mm，以保证螺钉安装的稳定性；并且考虑到拓扑实心结构部分为主要的承力结构，因此在设计螺钉安装位时应考虑用螺钉将其与骨直接固定。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于：该设计方法不仅适用于整个盆骨区域的缺损修复，也适用于人体其他部位假体的设计。

3.根据权利要求1所述的基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于：该假体主要包括两部分，即拓扑实心结构部分和维持解剖形态的多孔结构部分；

(1)拓扑实心结构部分是主要的承力部分，是通过对替代缺损区域的规则实体进行拓扑结构优化得到的，并且为桁架结构；

(2)多孔结构部分是按照正常盆骨的解剖结构进行设计的，不仅能够维持患者盆骨的正常解剖形态，还能促进骨和软组织的长入与贴附，能够提高假体的长期稳定性；

由于该假体使用了拓扑实心结构和多孔结构，实现了假体的轻量化设计。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于：在步骤2中，所述规则形状为长方体、圆柱体、棱柱、球体以及上述规则体的组合体，并且规则形状的实体结构应尽量取的大一些，能够将切除的盆骨区域完全包裹。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于：在步骤3中，根据CT图像的灰度值与骨密度和骨弹性模量之间的关系为盆骨-规则实体有限元模型赋予相应的密度和弹性模量。