[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

说明书

本发明提出了一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，设计的假体包括两部分，即保证假体强度的拓扑实心结构部分和维持解剖形态的多孔结构部分；拓扑实心结构部分是主要的承力部分，使用拓扑结构优化方法设计该部分既能保证假体的强度，又能实现轻量化；多孔结构部分不仅可以维持骨缺损部位的解剖形态，还有利骨的长入和软组织的贴附，从而保证假体的长期稳定性；使用本发明方法设计的假体具有轻量化、维持解剖形态和长期稳定性好的优点，因此可以使重建后的盆骨最大程度维持其原有功能，提高患者的生活质量。

技术领域

本发明属于假体设计制造领域，具体涉及将拓扑结构优化与多孔结构应用于盆骨假体设计的理念，提出一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法。

技术背景

盆骨肿瘤是盆骨损伤中比较常见的一种疾病。盆骨肿瘤发病隐匿且犯病早期比较难诊断，因此在患者发现时往往病变范围已经很大，手术往往需要进行较大面积的盆骨截除。为提高盆骨截除手术后患者的生活质量，盆骨缺损部位的重建成为恢复患者下肢功能的关键。

盆骨重建的主要手段有关节融合、异体骨重建、自体瘤骨灭活、人工假体重建。但是进行关节融合手术后的患者正常活动受到限制，自体骨和异体骨植入后则很难愈合，并且面临较大的感染风险。随着现在材料科学的不断发展，金属假体在在盆骨重建中的应用越来越广泛。钛合金具有良好的生物相容性并且可以稳定地传递载荷，因此是人工假体的首选材料。

目前的金属假体重建有着较好的近期效果，但也存在着一些不足，例如：

(1)假体与残留盆骨的固定非常困难，软组织向假体附着的技术尚未获得成功，金属材料和人骨永远不会成为一个整体，松动率较高，常因错位、疼痛而导致失败；

(2)人体盆骨结构形态特殊，人工假体设计很难达到要求，常造成安装困难及术后卡压坐骨神经；

(3)金属假体重量大，限制了术后肢体功能的恢复。

现有的常用金属人工假体主要有整体式和组配式两大类。两者既有优点，也有缺点。使用整体式假体时，盆骨的缺损区域由一个整体式的假体补充，可以减少患者术后假体移位的风险。但是当盆骨截除区域较大时，整体式的假体尺寸较大，制造假体所需的材料较多，因此成本较高。并且尺寸大的假体需要在手术中开的创口也较大，延长了患者的恢复期，加大感染风险。

组配式假体可以将较大的假体划分几个小的部分，在手术时进行安装，这样可以减少手术创口，减少了感染风险。但组配式假体在手术中难以正确调整各组装件的三维位置，加大了手术的难度。假体组件的增多也使术后假体松动、断裂、脱位的几率大大上升，并且假体生产制造价格也会有显著增加，加重了患者的经济负担。

基于以上讨论，整体式假体虽然存在一些不足，但是在盆骨缺损部位不是很大时，有着组配式假体无法比拟的优势。即使缺损部位较大，手术创口较大带来的感染风险也比较容易在术后的护理中得到有效控制，因此现有盆骨假体专利中，仍以整体式假体为主。因此，针对整体式金属假体存在的不足，如何设计出一种既能保持患者盆骨解剖形态，又能有利于骨长入和软组织贴附的轻量化盆骨假体是现在盆骨假体设计领域急需解决的问题。

发明内容

为了克服现有盆骨假体的上述缺点，本发明提供了一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，使用本方法设计的假体具有轻量化、维持解剖形态和长期稳定性好的优点，因此可以使重建后的盆骨最大程度维持其原有功能，提高患者的生活质量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，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；