[发明专利]一种应用于髋臼杯的晶格各向同性设计方法

说明书

本发明涉及一种应用于髋臼杯的晶格各向同性设计方法，属于骨植入技术领域。以正八角桁架的拓扑结构作为基本晶格单元的拓扑结构；通过参数化建模将正八角桁架的拓扑结构通过圆柱功能建立若干不同几何参数的晶格结构模型；对晶格结构模型进行离散化采样建立晶格几何参数与机械性能的拟合关系，包括各向异性性能指数与R₀和之间的映射关系弹性模量与R₀的映射关系最后指定髋臼杯制造时的弹性模量和各向异性指数，根据拟合关系获得晶格的几何参数R₀和实现可定制弹性模量与各向异性指数的晶格设计方法，并通过设计的晶格制造髋臼杯。

技术领域

本发明涉及骨植入技术领域，具体地说，涉及一种应用于髋臼杯的晶格各向同性设计方法。

背景技术

晶格结构通常是从二维或三维重复的基本晶格获得的。它们具有多种优势：高强度/重量比，能量吸收，声学和振动阻尼，热管理能力。由于其优异的性能，晶格结构在许多领域带来了前所未有的变化，例如用作骨科植入物，超轻航空零件，装甲防护能量吸收，换热器。

在医学植入领域中，用作植入物的金属的刚度远高于骨骼。金属医疗植入物和骨植入物之间的刚度不匹配会导致应力分布效率低下，从而导致“应力屏蔽”，并最终导致自然骨萎缩和植入物失效。晶格结构是一种理想的结构，可用于降低骨植入物的刚度并避免应力屏蔽。在大多数关于晶格结构和整形外科植入物的研究中，选择孔隙率和相对密度作为控制参数是实现植入物刚度接近骨骼刚度的主要途径。

由于髋臼杯与骨骼之间的相对运动复杂且应力区域更大。充分考虑植入晶格的各向异性问题，才能设计出更加合适的结构，使得植入的失效率降低。

公布号为CN109313670A的专利申请文献公开了一种在计算机辅助设计应用中生成晶格建议的方法和系统，其中方法包括：获得包括对象的3D模型的机械问题定义，该3D模型包括在该3D模型中将在其中生成晶格的设计空间，其中该机械问题定义包括(i)被标识为对于该设计空间的基线材料模型的一种或多种各向同性实体材料和(ii)对于该3D模型的一个或多个加载情况，一个或多个加载情况指定一个或多个边界条件，该一个或多个边界条件定义对于一个或多个加载情况中的每一个如何将力和约束施加到3D模型；使用一个或多个加载情况和被标识为对于设计空间的基线材料模型的一个或多个各向同性实体材料，生成对于对象的3D模型的数值模拟模型；在该数值模拟模型中使用晶格结构行为模型代替基线材料模型，预测在设计空间中不同方位的不同晶格设置的性能；以及基于预测的不同方位的不同晶格设置的性能，呈现对于该设计空间的一组晶格提议；其中，已经对不同晶格设置预先计算了晶格结构行为模型，不同晶格设置能够由该3D建模程序生成。

现有技术的不足之处在于设计过程复杂，极易导致系统不稳定，从而影响设计效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于髋臼杯的晶格各向同性设计方法，通过基于正八角桁架单元的圆台设计方法，对晶格强度较弱的方向加强的方式实现各向同性设计，得到各向同性晶格，设计过程简单可靠。

可指定晶格弹性模量与各向异性指数，得到各向同性晶格，并通过各向同性晶格制造髋臼杯。

为了实现上述目的，本发明提供的应用于髋臼杯的晶格各向同性设计方法包括以下步骤：

1)选择用于制造髋臼杯的材料；

2)以正八角桁架的拓扑结构作为基本晶格单元的拓扑结构；通过参数化建模将正八角桁架的拓扑结构通过圆柱建模功能建立若干不同几何参数的晶格结构模型；

3)对晶格结构模型进行有限元分析，得到晶格的各向异性指数A_i；i表示步骤2)中得到的若干晶格结构模型的序号；