[发明专利]基于3D打印的个体化定制膝关节仿生假体的制作方法

权利要求书

1.基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据CT数据对胫骨进行三维重建得到胫骨三维模型，对胫骨三维模型进行网格划分并赋予其密度值，得到非均质胫骨模型；

步骤2、设计膝关节假体模型，所述膝关节假体模型的下端具有用于插入胫骨的长柄；

步骤3、在Magics中，将膝关节假体模型与非均质胫骨模型进行匹配组装，并模拟手术过程，得到膝关节假体和胫骨的组装模型，在所述模拟手术过程中进行布尔运算；

步骤4、将膝关节假体和胫骨的组装模型导入hypermesh中，建立膝关节假体和胫骨组装状态的有限元模型并进行有限元分析，得到膝关节假体和胫骨的应力、位移和应变能的分布结果；

步骤5、在与步骤4中所述有限元分析相同的工况下，且在体积和应变的约束下对膝关节假体进行拓扑优化，得到拓扑优化后的膝关节假体模型，进行步骤6；所述拓扑优化后的膝关节假体模型包括优化保留内部区域、优化保留外层区域和优化去掉区域，所述优化保留外层区域和优化去掉区域均位于优化保留内部区域外表面上；

步骤6、将拓扑优化后的膝关节假体模型从hypermesh中导出，再转化成达到3D打印制备要求的膝关节假体几何模型；

步骤7、将膝关节假体几何模型的优化保留内部区域设计为实体结构、优化保留外层区域和优化去掉区域均设计为网格结构，得到重新设计的膝关节假体，所述优化去掉区域的网格尺寸大于优化保留外层区域的网格尺寸，优化保留内部区域、优化保留外层区域和优化去掉区域的孔隙率依次变大；

步骤8、将重新设计的膝关节假体导回hypermesh进行网格划分，在与步骤4中有限元分析相同的工况下进行有限元分析，得到胫骨和拓扑优化后膝关节假体的应力、位移、应变能的分布结果，并与步骤4中的分布结果进行对比，如果对比结果符合预设变化则进行步骤9，否则重新执行步骤5并更新步骤5中体积和应变的约束条件；

步骤9、对步骤7得到的重新设计的膝关节假体进行增材制造，得到仿生假体，对仿生假体进行生物力学实验，如果仿生假体通过生物力学实验则制造完成，否则重新执行步骤5并更新步骤5中体积和应变的约束条件。

2.如权利要求1所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述步骤9中对仿生假体进行生物力学实验后，将力学实验的结果与步骤4的分布结果进行对比，若对比结果符合要求，则为仿生假体通过生物力学实验，制造完成。

3.如权利要求1所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：在医用软件mimics中进行胫骨的三维重建得到胫骨三维模型；将胫骨三维模型导入3-matic进行有限元网格划分；将有限元网格划分后的胫骨三维模型以inp格式再导入软件mimics中，根据软件mimics自带的密度灰度关系公式赋予网格划分的胫骨三维模型密度值，得到非均质胫骨模型。

4.如权利要求1所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述步骤4中有限元分析的工况为膝关节假体和胫骨组装状态模拟整个步态周期的最大受力所对应的载荷和约束。

5.如权利要求1所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述步骤6、将拓扑优化后的膝关节假体模型从hypermesh中导入到solidThinking Inspire，并转化成外观达到3D打印制备要求的膝关节假体几何模型。

6.如权利要求1所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述步骤7中膝关节假体几何模型的设计采用非参数化结构设计或采用参数化渐变设计。

7.如权利要求6所述的基于3D打印的个体化定制膝关节拓扑优化仿生假体的制作方法，其特征在于，所述参数化渐变设计是通过Rhino软件，利用递进数列等差数列等进行的渐变化实现；所述非参数化结构设计是通过工业软件进行的梯度网格界面变化实现。