[发明专利]一种基于宿主骨应力环境的定制化假体优化设计方法

摘要

本发明为减小假体植入后应力屏蔽效应，提出了一种基于宿主骨应力环境的定制化假体优化设计方法；提出了在假体弹性模量优化计算中的三个准则：强度、周围骨应力以及假体与骨之间的界面微动，并且在优化中考虑了宿主骨的力学特性及个性化的运动学输入，通过在有限元软件对假体弹性模量分布进行优化从而达到优化假体内部多孔结构的目的；所设计假体能够在满足强度要求的前提下，降低植入后的应力屏蔽效应，提高假体植入后寿命。

主权项

1.一种基于宿主骨应力环境的定制化假体优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集病人患处的CT或MRI数据，通过断层数据处理软件建立病人患处的周围骨三维模型，然后按照手术要求进行截骨并根据周围骨三维模型的形貌设计假体外形得到假体三维模型，而后将假体三维模型和周围骨三维模型实体化并导入CAD软件中进行装配，得到骨‑假体三维模型；步骤2：采集病人的运动学信息，根据人体生理环境通过软件定量计算出在日常活动时假体和周围骨的受力情况作为力学输入，而在无法获取患者的运动学信息的情况下，则选取一般情况下假体的最大受载作为力学输入；步骤3：将装配完成的骨‑假体三维模型导入有限元软件中，对周围骨三维模型和假体三维模型划分有限元网格，得到周围骨有限元模型和假体有限元模型，参考人体生理结构对周围骨有限元模型和假体有限元模型施加边界条件，根据步骤2所确定的力学输入施加载荷，而后划分需要被设计为多孔部分的区域；步骤4：在基于有限元软件的脚本程序控制下对假体有限元模型中的各有限元单元赋予弹性模量并根据有限元分析得到的应力分布结果改变假体有限元模型中的各有限元单元的弹性模量值，在多孔子单元结构尺寸参数、等效弹性模量和等效强度之间的关系的基础上，实现对假体有限元模型的弹性模量分布的优化；步骤5：根据优化所得的假体有限元模型的弹性模量分布结果，使用基于有限元软件的脚本程序，读取结果中假体有限元模型中的各有限元单元的弹性模量，使用多孔子单元结构替代假体三维模型，根据等效弹性模量和多孔子单元结构尺寸之间的关系，设定每个多孔子单元结构的尺寸参数，得到多孔假体的基体模型，而后使用假体三维模型与多孔假体的基体模型进行布尔交运算，得到兼具假体三维模型外表面形貌和多孔假体的基体模型的内部结构的多孔假体模型；步骤6：输出多孔假体模型并制造。