[发明专利]一种梯度多孔颈椎椎间融合器的设计方法

权利要求书

1.一种梯度多孔颈椎椎间融合器的设计方法，所述梯度多孔颈椎椎间融合器包括多孔结构、第一齿结构、第二齿结构、植骨窗；所述多孔结构为多孔的六面体构件，所述多孔结构的上表面和前表面为圆弧面，所述多孔结构的其余表面均为倾斜的平面，所述多孔结构的各个表面之间平滑过渡，所述多孔结构的各个表面之间的过渡符合人体解剖学设计；所述第一齿结构设置在所述多孔结构的上表面，所述第二齿结构设置在所述多孔结构的下表面；所述植骨窗为联通所述多孔结构的上表面和下表面的通孔，所述植骨窗设置在所述多孔结构上表面和下表面的中部，所述多孔结构靠近所述植骨窗区域的孔隙率高，所述多孔结构远离所述植骨窗区域的孔隙率低，所述多孔结构的孔隙率在所述多孔结构的高度方向上分布均匀，所述多孔结构的高度方向为垂直于所述多孔结构的上表面与下表面的方向，所述多孔结构的孔隙率呈梯度设置，所述多孔结构的孔隙率梯度上升方向与所述梯度多孔颈椎椎间融合器的外缘线方向垂直，所述多孔结构的前部设置有带螺纹孔的凹槽，所述多孔结构的空隙的孔径与杆径均呈梯度分布，所述多孔结构的空隙的孔径与所述多孔结构的孔隙率成正比，所述多孔结构的空隙的杆径与所述多孔结构的孔隙率成反比，所述多孔结构的空隙的孔径范围为150～800μm，所述多孔结构的空隙的杆径范围为100～600μm，所述多孔结构的空隙采用造孔单元获得，所述造孔单元采用基于三周期极小曲面在二维平面上连续偏置闭合得到，所述三周期极小曲面的周期为0.5～2mm，所述造孔单元的正方体包围盒长、宽和高的大小为0.5～2mm，所述三周期极小曲面的周期与所述造孔单元的正方体包围盒的长、宽和高的尺寸一致；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初步构建整体结构；

利用三维建模软件，根据所述多孔结构的轴向二维尺寸设计所述多孔结构的外缘线草图，将所述多孔结构的所述外缘线向内偏置2～4mm得到内偏置线草图，所述外缘线与所述内偏置线的中间区域为所述多孔结构的设计区域，所述内偏置线以内为所述植骨窗；

步骤2：构建所述多孔结构的孔隙率分布层次；

在所述多孔结构的所述外缘线与所述内偏置线围成的闭合区域内，将所述多孔结构的外缘线向内等距偏置，偏置距离的范围为0.5～1mm，得到包含所述内偏置线和所述外缘线在内的共6条曲线，由内向外的闭合曲线分别命名为曲线1，曲线2，曲线3，曲线4，曲线5和曲线6；

步骤3：构建坐标数据；

分别在所述曲线1～所述曲线6上等距取数据点，每条曲线上选取10～30个点，所述曲线1上的点集称作点集1，所述曲线2上的点集称作点集2，所述曲线3上的点集称作点集3，所述曲线4上的点集称作点集4，所述曲线5上的点集称作点集5，所述曲线6上的点集称作点集6，分别将所有点集的坐标导出作为数据文件；

步骤4：设计梯度值；

所述步骤2中所述曲线1～所述曲线6的每条曲线代表一个孔隙率值，利用所述步骤3中的所述点集1～所述点集6代替所述曲线1～所述曲线6对所述多孔结构的孔隙率分布进行控制；所述曲线1的孔隙率设定为80％，所述曲线2的孔隙率设定为70％，所述曲线3的孔隙率设定为60％，所述曲线4的孔隙率设定为50％，所述曲线5的孔隙率设定为40％，所述曲线6的孔隙率设定为30％，在这种设定下，实现了所述多孔结构的孔隙率由内向外的梯度下降分布；

步骤5：设计控制方程；

选取三周期极小曲面单元中的Gyoid单元作为所述多孔结构的造孔单元；所述Gyoid单元由Gyoid曲面形成，周期为1的所述Gyoid曲面的基本方程可以描述为：

cos(2πx)sin(2πy)+cos(2πy)sin(2πz)+cos(2πz)sin(2πx)＝0；

定义所述Gyoid曲面为所述多孔结构的实体部分与孔隙部分的分界面，

所述多孔结构的实体部分为：

cos(2πx)sin(2πy)+cos(2πy)sin(2πz)+cos(2πz)sin(2πx)＜0；

所述多孔结构的孔隙部分为：

cos(2πx)sin(2πy)+cos(2πy)sin(2πz)+cos(2πz)sin(2πx)＞0；

所述三周期极小曲面单元的偏置设计，通过改变所述Gyoid曲面的基本方程以及所述多孔结构的实体部分和孔隙不等式的右边的数值，从而将所述Gyoid曲面向两侧移动，所述Gyoid曲面的基本方程以及所述多孔结构的实体部分和孔隙不等式的右边的数值称为偏置常数；根据所述步骤4，所述点集1～点集6对应的孔隙率分别为80％，70％，60％，50％，40％，30％，因此所述偏置常数分别为0.91,0.61,0.30,0,-0.30,-0.61，计所述点集1的控制方程为：

计所述点集2的控制方程为：

计所述点集3的控制方程为：

计所述点集4的控制方程为：

计所述点集5的控制方程为：

计所述点集6的控制方程为：

步骤6：建立全局结构方程；

根据所述步骤3～所述步骤5，

将所述点集1的所有坐标计作(x_1i,y_1i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集1中点的数目，

所述点集2的坐标计作(x_2i,y_2i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集2中点的数目，

所述点集3的坐标计作(x_3i,y_3i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集3中点的数目，

所述点集4的坐标计作(x_4i,y_4i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集4中点的数目，

所述点集5的坐标计作(x_5i,y_5i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集5中点的数目，

所述点集6的坐标计作(x_6i,y_6i)，式中i＝1,2,3…N，N为所述点集6中点的数目，

基于空间点的反距离加权插值算法，将全局结构方程计作：

式中，λ_j为加权因子，

式中p＝2～4；ε为防止分母为0引进的一个小常数，ε＝0.0001～0.001为所述步骤5确定的取所述三周期极小曲面单元曲面为所述多孔结构的实体部分与所述多孔结构的孔隙部分的分界线，并且为所述多孔结构的实体部分，为所述多孔结构的孔隙部分；

步骤7：初步构建所述多孔结构；

根据所述全局结构方程，基于所述三周期极小曲面单元，编写所述多孔结构建模程序，并定义计算域，所述多孔结构建模程序基于所述全局结构方程以及Marching Cubes算法实现，利用三维建模软件初步构建所述多孔结构；

步骤8：进一步构建所述多孔结构；

利用所述三维建模软件初步完善所述多孔结构的宏观模型，令所述多孔结构的上表面与前表面为圆弧面，所述多孔结构的其余表面为具有一定倾角的平面；将所述多孔结构的宏观模型与所述步骤6求交集进一步构建所述多孔结构；

步骤9：构建所述第一齿结构和所述第二齿结构；

利用所述三维建模软件建立所述第一齿结构和所述第二齿结构，所述第一齿结构和所述第二齿结构的齿高均为0.5～0.8mm，所述第一齿结构和所述第二齿结构的齿排数均为5～8排，靠近所述多孔结构的前表面的两排齿与靠近所述多孔结构的后表面的一排齿的齿宽与所述步骤8中构建的所述多孔结构的宏观模型的两侧边位置宽度一致，其余所述第一齿结构和所述第二齿结构的齿宽均为2～3mm；

步骤10：构建所述带螺纹孔的凹槽；

利用所述三维建模软件在所述多孔结构的前表面构建所述带螺纹孔的凹槽；

步骤11：布尔运算；

将所述步骤8得到的所述多孔结构、所述步骤9得到的所述第一齿结构和所述第二齿结构、与所述步骤10得到的所述带螺纹孔的凹槽，通过布尔运算合并为一体。