[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，其特征在于，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；步骤2：在三维机械设计软件中使用规则形状的实体结构来替代盆骨缺损部位，作为后续拓扑优化的初始形状，然后将其和切割后的盆骨模型进行装配，得到盆骨‑规则实体三维模型；步骤3：将装配完成的盆骨‑规则实体三维模型导入到有限元分析软件中，分别对各个部件划分有限元网格，得到盆骨‑规则实体有限元模型；给各个部件赋予材料属性，并参考人体生理结构和日常活动情况对有限元模型施加相应的边界条件和力学输入；步骤4：通过有限元计算得到盆骨‑规则实体模型的应力分布结果，然后设定拓扑优化后的最终体积或者最大的应力值作为拓扑优化的参数，逐步去除假体上应变能小的单元，通过迭代计算最终得到满足优化目标的拓扑结构假体，然后将其输出；步骤5：将输出后的拓扑结构假体在逆向工程软件中进行降噪、光顺和实体化处理，最终得到盆骨假体的拓扑实心结构部分，作为假体的主要承力结构；步骤6：根据盆骨的正常解剖形态，将患者切除的区域设计为多孔结构，然后通过布尔运算将其和步骤5中设计好的拓扑实心结构部分合并为一个整体；为了促进骨长入，假体与骨接触的区域也设计为多孔结构；步骤7：将经步骤6设计好的假体导入到三维机械设计软件中，为假体设计合适的螺钉安装位，便于假体的安装；步骤8：为了保证假体具有足够的强度，设计好的假体需要进行强度校核：使用通用商业有限元软件对设计好的假体进行应力分析，看假体上的最大应力是否低于材料的疲劳应力，若满足则进入下面的制造环节，若不满足则需要改变步骤(4)中拓扑优化的参数，重复进行步骤(4)‑(8)，直到假体强度满足要求；步骤9：输出假体模型并进行制造。