[发明专利]一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法

摘要

本发明提出了一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，先进行跟骨模型的三维重建，之后提取和构建跟骨外侧曲面轮廓、构建跟骨曲面钢板雏形与配置螺钉、跟骨雏形钢板的有限元分析及拓扑优化重设计，最后3D打印成型。该方法基于个性化治疗原则，突破了传统设计和制造技术的限制，有效恢复跟骨高度和关节面复位的平整性，结合3D打印个性化制造实现解剖形态匹配和固定刚度的最大化，从而提高跟骨骨折钢板内固定治疗的效果。根据该方法设计的跟骨钢板解决了传统跟骨内固定钢板难以达到的个性化解剖匹配、固定稳定性不足和植入物相关软组织并发症等问题，易于塑形、切迹更低、生物力学稳定性更好、术后皮瓣坏死风险更低。

主权项

1.一种基于拓扑优化的个性化3D打印跟骨钢板的设计方法，其特征在于，依次包括如下步骤：S1.采集同一目标对象双侧跟骨的计算机断层成像数据，并将所获得的断层成像数据导入三维重建软件进行图像分割处理，建立同一目标对象双侧跟骨的三维模型，同一目标对象的双侧跟骨三维模型包括健侧跟骨三维模型和患侧跟骨三维模型；S2.利用三维建模软件，将健侧跟骨三维模型通过矢状面对称的方式镜像成像至患侧，得到患侧骨折发生前的完整结构参考模型，导出为STL文件；S3.将完整结构参考模型对应的STL文件导入逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造跟骨外侧骨面轮廓的曲面片，拟合成跟骨实体模型；S4.将步骤S3中的跟骨实体模型导入CAD软件中提取跟骨钢板雏形的曲面，然后将提取的曲面沿着法向向外加厚，得到曲面钢板，并根据患侧的跟骨骨折形态进行曲面钢板上的螺钉定向和打孔配置操作，完成跟骨钢板雏形的建模；S5.将步骤S4中的跟骨钢板雏形连同螺钉导入有限元分析软件，设定生理状态下跟骨的载荷参数、材料属性及边界条件，进行模型网格划分和有限元数据分析，得到跟骨骨折有限元模型雏形；S6.将跟骨骨折有限元模型雏形导入拓扑优化软件中，设置包括拓扑优化方法、设计变量、目标函数和约束条件的优化参数，提交拓扑优化分析后进入优化迭代运算，直至优化结果满足目标函数最小化及约束条件，将优化后的模型导入CAD软件中进行钢板的重新设计，得到新设计的钢板CAD模型；S7.将步骤S6得到的新设计的钢板CAD模型再次导入有限元分析软件中进行分析验证，判断若分析结果达到预期设计目标，则进入步骤S8，若分析结果未达到预期设计目标，则将新设计的钢板CAD模型作为跟骨骨折有限元模型雏形返回步骤S6，直到优化设计的钢板达到预期设计的目标，将满足设计目标的新钢板模型导出为STL文件；S8.将步骤S7输出的新钢板模型STL文件导入到3D打印成型设备中，利用3D打印前处理软件对模型进行支撑生成，并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成钢板的打印成型，进一步对钢板进行去除支撑、抛光的后续处理，最终得到成品钢板。