CN108763709B - 一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,包括如下步骤：S，对预先雕刻的耳支架初体进行破溃风险分析，根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，得到耳支架优化体；T，对耳支架优化体进行破溃风险分析，判断耳支架优化体是否满足破溃风险要求，如果满足，则以当前的耳支架优化体作为成品耳支架，否则进入步骤M；M,以当前耳支架优化体作为耳支架初体，返回步骤S。该方法能够对耳支架在使用中可能发生破溃的情况进行预先评估，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
Description
技术领域
本发明涉及3D整形数字医学技术领域，特别涉及一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法。
背景技术
全世界的小耳畸形发病率在显著升高，最近报道在我国的发病率是5.18/10000，较以往大幅度增加，男性多于女性，大部分为单侧，右侧发生率较左侧高。外耳廓位于头颅的两侧，因为不具备具体功能常常被忽略，但由于患者耳缺失，除了不能佩戴眼镜、口罩等饰品外，在外观上也常遭到嘲笑，引起自卑，部分外耳道的闭锁还可能影响患者的听力，加重患者生理和心理上的负担，特别对于儿童还会影响患儿正常的生长发育。
对于小耳畸形的治疗，临床上通常是雕刻相对逼真的耳廓支架，再将雕刻的耳支架植入相应部位。
由于先天性小耳畸形耳廓缺失比较严重，残耳基本为小的皮赘，缺乏解剖结构，所以如何雕刻出一个逼真的外耳廓来帮助患者恢复自信极为重要。而人体正常的外耳廓平均大小约33mmx55mm，最前面的是耳轮、外耳轮、耳垂，中间部分为对耳轮复合体，底层为耳甲腔复合体，呈现出高低起伏、半螺旋的三维结构，局部解剖结构基本在13个以上，包括外耳轮、耳周、对耳轮上下脚、三角窝、耳甲腔、耳甲艇、耳屏、对耳屏等，所以外耳廓是人体最复杂的三维结构和最小的体表器官，耳再造手术也一直以来都是整形外科医生的一大挑战，其难点在于外耳廓本身解剖结构的复杂性、支架材料选用的局限性以及术后并发症处理的棘手性。
虽然经过了一段时间的发展，耳支架结构的逼真程度、支架材料的选择范围有了很大发展，但是术后均无法完全避免耳支架破溃的并发症。破溃因素有局部张力过大、皮瓣血运障碍、局部感染、皮瓣受压等，而局部张力过大是耳支架破溃的原因之一。临床医生在如何雕刻出一个逼真的外耳廓上进行了大量的研究，却忽视了雕刻出来的耳支架本身结构是否存在导致皮肤破溃、支架外露的问题。
因此，针对现有技术不足，有必要提供一种方法，对雕刻出来的耳支架预先进行破溃风险判断，以便对耳支架进行优化调整，在实现逼真度的同时，能够避免破溃风险的发生。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法，该方法能够对耳支架在使用中可能发生破溃的情况进行预先评估，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
提供一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,包括如下步骤：
S，对耳支架初体进行破溃风险分析，判断耳支架初体是否满足破溃风险要求，如果满足，则进入步骤V；否则进入步骤T；
T,根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，得到耳支架优化体，进入步骤U；
U,以当前耳支架优化体作为耳支架初体，返回步骤S,
V,以当前的耳支架初体作为成品耳支架。
优选的，步骤S中对耳支架初体进行破溃风险分析，具体包括：
S1，对耳支架初体进行扫描，获得耳支架初体的轮廓数据；
S2，将步骤S1中获取的耳支架初体的STL格式的实体模型，导入到geomagicFreeFrom&touch X软件中进行曲面修复，将曲面修复后的实体模型保存为STL格式；
S3，将步骤S2曲面修复后的实体模型保存的STL格式导入Geomagic Wrap软件中，选择命令依次为：精确曲面—自动曲面化—构建轮廓线—构造曲面片—构造格栅—拟合曲面，最后生成Nurbs曲面，将生成的Nurbs曲面导出并以IGES格式保存；
S4，将步骤S3获得的IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件中进行有限元模型的建立，具体包括：
S4.1，打开Hypermesh软件，将步骤S3 IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件；
S4.2，进行实体网格划分；
S5，将步骤S4得到的包含软骨及不同皮肤厚度的三维有限元耳模型导入有限元专业分析软件Abaqus中进行有限元分析；
S6，得到软骨、皮肤、软骨变形、皮肤变形的应力—应变分析结果，根据有限元应力结果判断耳支架初体的破溃风险。
优选的，步骤S1具体是，将雕刻好的耳支架初体放在无菌台上，在无菌台上、于耳支架初体的周围贴好已消毒的定位目标点，用handscan700手持式三维扫描仪，以精度为0.03mm，测量速率为480,000次/秒进行扫描，获取耳支架初体的轮廓数据。
优选的，步骤S4.2，进行实体网格划分，具体包括：
A1：将已在Geomagic Wrap软件中构造轮廓线后创建好的Nurbs曲面进行实体网格划分；具体是：将IGES格式的Nurbs曲面导入Hypermesh软件后，进入Geom-2D面板中，选择自动网格化子命令，再选择要生成的面，设定网格大小和网格类型，点击切分命令后进行切分，再将存在角度或者长宽比例不符合的2D网格进行调整以使得2D网格符合角度和长宽比例要求；
B1：点击查看网格质量工具，选择2-d命令，检查步骤A1的2D网格；
C1:生成四面体和六面体实体网格；
D1：按照术中采集缝合方法在模型缝合位置进行连接；
E1：通过面命令，框选之前缝合好的实体网格，点击执行寻找面命令，以肋骨表面网格偏置出皮肤厚度模拟人体皮肤，再点击3D网格生成工具生成不同皮肤厚度的实体网格。
优选的，步骤E1中具体生成0.5mm、1mm、2mm皮肤厚度的实体网格。
优选的，步骤S5具体包括：
A2，创建皮肤部分和软骨部分，皮肤部分和软骨部分的类型均为：实体、同类；皮肤部分和软骨部分的材料分别选择皮肤和肋软骨；
分别赋予皮肤和软骨属性时，先创建一个皮肤组将皮肤网格保存，再选择除去皮肤组命令将之前创建的皮肤网格移除，剩下软骨后，对软骨和皮肤赋予不同的材料属性；
B2，选择装配模块命令，将皮肤模型和软骨模型进行装配确定；
C2，选择步骤模块命令，再选择静力学、单因素分析命令；
D2，设定模型切向行为为无摩擦；
E2，再加载边界条件；
E21、创建边界条件：设定边界条件依据人体耳软骨与皮肤固定处模拟，令固定点处的空间六个自由度为零；
E22、给予重力-9800mm/s-2；
E23、给予Pressure负压吸引力0.02Mpa；
F2，确定网格划分为实体网格；
G2，进入分析工作阶段。
优选的，所述耳支架初体为以目标对象肋骨雕刻的耳支架初体或者Medpor模型或者Nagata模型。
优选的，步骤T中，对耳支架初体进行优化调整，具体是：
T1，将获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析；
T2，再在Optistruct软件中对耳支架初体进行形状优化；得到理想优化后的模型。
优选的，步骤T1，将已获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析，具体是：在步骤F2之后，通过分析模块创建静力分析，然后通过OptiStruct软件开始优化；
步骤T2，包括：
T21，进行形状预变形定义；
T22，创建优化响应
T23，设置位移和质量分数
T24，设定约束条件
T25，建立目标函数
T26，得到理想的优化结果。
优选的，步骤T21，进行形状预变形定义，具体是：
对耳支架初体进行预变形定义并作为形状优化的设计变量；
步骤T22，创建优化响应，具体是：
将步骤T21设计好的形状导入设计变量中，设置下界变形范围；
T24，设定约束条件，具体是：
将下界设定为0.7；
T25，建立目标函数，具体是：
选择目标函数指令，将柔度设为最小，然后选择静力分析，进行Optistruct软件计算；
T26，OptiStruct软件的优化求解器计算耳植入体的最佳结构形状，得到理想的优化结果。
本发明的一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,通过对耳支架初体在形态结构上判断支架外露应力-应变模拟分析，判断耳支架破溃的风险，以便对耳支架优化提供参考方向。本发明的方法，除了能够实现在美观上进行改进之外，从生物力学方向帮助其在形态结构上进行分析。本发明建立了不同的皮肤厚度和负压吸引力，可以通过此方法用于不同医生雕刻的不同耳支架、不同皮肤的厚度、不同负压吸引力对耳支架破溃风险的预判，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
附图说明
结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的限制。
图1是本发明实施例2预先雕刻的耳支架初体的结构示意图。
图2是通过扫描仪采集的原始图像。
图3是通过geomagic FreeFrom&touch X软件中进行曲面修复后的图像。
图4是步骤C1后生成的实体网格图像；
图5是进行步骤D1后生成的图像；
图6是生成的一种厚度皮肤的剖面视图；
图7是步骤E21创建边界条件的示意图；
图8是针对不同厚度皮肤下，软骨应力和皮肤应力的分析图；
图9是针对不同厚度皮肤下，软骨变形和皮肤变形的分析图；
图10是优化前后的耳支架模型示意图。
图11是针对不同厚度皮肤下，对耳支架优化体分析的软骨变形和皮肤变形的分析图；
图12是针对不同厚度皮肤下，优化前后的皮肤与植入耳支架之间的位移对比结果；
图13是是实施例3中通过扫描仪采集的原始图像。
图14是实施例3中通过geomagic FreeFrom&touch X软件中进行曲面修复后的图像。
图15是实施例3步骤C21后生成的实体网格图像；
图16是实施例3针对不同厚度皮肤下，软骨应力和皮肤应力的分析图；
图17是实施例3针对不同厚度皮肤下，软骨变形和皮肤变形的分析图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1。
一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,包括如下步骤：
S，对耳支架初体进行破溃风险分析，判断耳支架初体是否满足破溃风险要求，如果满足，则进入步骤V；否则进入步骤T；
T,根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，得到耳支架优化体，进入步骤U；
U,以当前耳支架优化体作为耳支架初体，返回步骤S,
V,以当前的耳支架初体作为成品耳支架。
其中，步骤S中对耳支架初体进行破溃风险分析，具体包括：
S1，对耳支架初体进行扫描，获得耳支架初体的轮廓数据；
S2，将步骤S1中获取的耳支架初体的STL格式的实体模型，导入到geomagicFreeFrom&touch X软件中进行曲面修复，将曲面修复后的实体模型保存为STL格式；
S3，将步骤S2曲面修复后的实体模型保存的STL格式导入Geomagic Wrap软件中，选择命令依次为：精确曲面—自动曲面化—构建轮廓线—构造曲面片—构造格栅—拟合曲面，最后生成Nurbs曲面，将生成的Nurbs曲面导出并以IGES格式保存；
S4，将步骤S3获得的IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件中进行有限元模型的建立，具体包括：
S4.1，打开Hypermesh软件，将步骤S3 IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件；
S4.2，进行实体网格划分；
S5，将步骤S4得到的包含软骨及不同皮肤厚度的三维有限元耳模型导入有限元专业分析软件Abaqus中进行有限元分析；
S6，得到软骨、皮肤、软骨变形、皮肤变形的应力—应变分析结果，根据有限元应力结果判断耳支架初体的破溃风险。
具体的，步骤S1具体是，将雕刻好的耳支架初体放在无菌台上，在无菌台上、于耳支架初体的周围贴好已消毒的定位目标点，用handscan700手持式三维扫描仪，以精度为0.03mm，测量速率为480,000次/秒进行扫描，获取耳支架初体的轮廓数据。
步骤S4.2，进行实体网格划分，具体包括：
A1：将已在Geomagic Wrap软件中构造轮廓线后创建好的Nurbs曲面进行实体网格划分；具体是：将IGES格式的Nurbs曲面导入Hypermesh软件后，进入Geom-2D面板中，选择自动网格化子命令，再选择要生成的面，设定网格大小和网格类型，点击切分命令后进行切分，再将存在角度或者长宽比例不符合的2D网格进行调整以使得2D网格符合角度和长宽比例要求；
B1：点击查看网格质量工具，选择2-d命令，检查步骤A1的2D网格；
C1:生成四面体和六面体实体网格；
D1：按照术中采集缝合方法在模型缝合位置进行连接；
E1：通过面命令，框选之前缝合好的实体网格，点击执行寻找面命令，以肋骨表面网格偏置出皮肤厚度模拟人体皮肤，再点击3D网格生成工具生成不同皮肤厚度的实体网格。
步骤S5具体包括：
A2，创建皮肤部分和软骨部分，皮肤部分和软骨部分的类型均为：实体、同类；皮肤部分和软骨部分的材料分别选择皮肤和肋软骨；
分别赋予皮肤和软骨属性时，先创建一个皮肤组将皮肤网格保存，再选择除去皮肤组命令将之前创建的皮肤网格移除，剩下软骨后，对软骨和皮肤赋予不同的材料属性；
B2，选择装配模块命令，将皮肤模型和软骨模型进行装配确定；
C2，选择步骤模块命令，再选择静力学、单因素分析命令；
D2，设定模型切向行为为无摩擦；
E2，再加载边界条件；
E21、创建边界条件：设定边界条件依据人体耳软骨与皮肤固定处模拟，令固定点处的空间六个自由度为零；
E22、给予重力-9800mm/s-2；
E23、给予Pressure负压吸引力0.02Mpa；
F2，确定网格划分为实体网格；
G2，进入分析工作阶段。
其中，耳支架初体可为以目标对象肋骨雕刻的耳支架初体或者Medpor模型或者Nagata模型。
其中，步骤T中，对耳支架初体进行优化调整，具体是：
T1，将获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析；
T2，再在Optistruct软件中对耳支架初体进行形状优化；得到理想优化后的模型。
详细步骤如下：
步骤T1，将已获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析，具体是：在步骤F2之后，通过分析模块创建静力分析，然后通过OptiStruct软件开始优化；
步骤T2，包括：
T21，进行形状预变形定义；
T22，创建优化响应
T23，设置位移和质量分数
T24，设定约束条件
T25，建立目标函数
T26，得到理想的优化结果。
其中，步骤T21，进行形状预变形定义，具体是：
对耳支架初体进行预变形定义并作为形状优化的设计变量；
步骤T22，创建优化响应，具体是：
将步骤T21设计好的形状导入设计变量中，设置下界变形范围；
T24，设定约束条件，具体是：
将下界设定为0.7；
T25，建立目标函数，具体是：
选择目标函数指令，将柔度设为最小，然后选择静力分析，进行Optistruct软件计算；
T26，OptiStruct软件的优化求解器计算耳植入体的最佳结构形状，得到理想的优化结果。
需要说明的是，本发明的耳支架初体可以为以目标对象肋骨雕刻的耳支架初体或者Medpor模型或者Nagata模型。
本发明的一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,通过对耳支架初体在形态结构上判断支架外露应力-应变模拟分析，判断耳支架破溃的风险，以便对耳支架优化提供参考方向，并在破溃风险基础上进行优化。本发明的方法，除了能够实现在美观上进行改进之外，从生物力学方向帮助其在形态结构上进行分析。本发明建立了不同的皮肤厚度和负压吸引力，可以通过此方法用于不同医生雕刻的不同耳支架、不同皮肤的厚度、不同负压吸引力对耳支架破溃风险的预判，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
实施例2。
以一临床雕刻耳支架模型的应用对本发明的方法做进一步说明。
本实施例的耳支架模型是针对一先天性男性7岁患儿，先天性右小耳残缺，残耳为小丘状，耳畸形分度类型为三度。针对其外耳修复已经针对性雕刻好了耳支架初体，如图1所示，但是不知道破溃风险。采用本发明的方法对耳支架初体进行优化改进。
具体过程如下：
S，对耳支架初体进行破溃风险分析，判断耳支架初体是否满足破溃风险要求。
具体的，步骤S中对预先雕刻的耳支架初体进行破溃风险分析，具体包括：
S1，将图1的雕刻好的耳支架初体放在无菌台上，周围贴好已消毒的定位目标点，用handscan700手持式三维扫描仪，以精度为0.03mm，测量速率为480,000次/秒进行扫描，获取耳支架初体的轮廓数据，如图2所示；
S2，将步骤S1中获取的耳支架初体的STL格式的实体模型，导入到geomagicFreeFrom&touch X软件中进行曲面修复，将曲面修复后的实体模型保存为STL格式，曲面修复后的实体模型如图3所示；
S3，将步骤S2曲面修复后的实体模型保存的STL格式导入Geomagic Wrap软件中，依次选择命令为：精确曲面—自动曲面化—构建轮廓线—构造曲面片—构造格栅—拟合曲面，最后生成Nurbs曲面，将生成的Nurbs曲面导出并以IGES格式保存；
S4，将步骤S3获得的IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件中进行有限元模型的建立，具体包括：
S4.1，打开Hypermesh软件，将步骤S3的IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件；
S4.2，进行实体网格划分；具体包括：
A1：将已在Geomagic Wrap软件中构造轮廓线后创建好的Nurbs曲面进行面网格划分；具体是：进入Geom-2D面板中，选择automesh子命令，再选择要生成的surfs，设定element size和mesh type，点击mesh，再将不符合的2D网格进行调整；
B1：点击TOOL-check elems选择2-d命令，检查步骤A画好的2D网格；
C1:点击3D-elemoffset和solid map生成四面体和六面体实体网格，如图4所示；
D1：按照术中采集缝合方法在模型缝合位置使用RIGID进行连接；具体是：点击1D—rigids，independent—calculate node,dependent—nodes,elem-types选择KINCOUP,按照术中缝合方式选择节点，最后create，如图5所示；
E1：通过TOOL-faces命令，框选之前rigids好的实体网格，点击执行find faces命令，以肋骨表面网格偏置出皮肤厚度模拟人体皮肤，再点击3D-elemoffset生成不同皮肤厚度的实体网格，如图6所示，可具体生成0.5mm、1mm、2mm皮肤厚度的实体网格；
S5，将步骤S4得到的包含软骨及不同皮肤厚度的三维有限元耳模型导入有限元专业分析软件Abaqus中进行有限元分析；具体包括：
A2，创建两个section分别为皮肤和软骨，type类型为：Soild，Homogeneous；Material分别选择皮肤和肋软骨；分别赋予皮肤和肋软骨属性时，先创建一个Displaygroups将皮肤网格保存，再选择Remove Selecte将之前创建的皮肤网格移除，剩下软骨后，对软骨和皮肤赋予不同的材料属性；
本实施例中，材料属性设置如下表一所示。
表一
| 肋软骨 | 皮肤 | |
| 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 1.5 | 1.0 |
| 弹性模量(Mpa) | 14.1 | 0.86 |
| 泊松比 | 0.4 | 0.4 |
| 极限抗拉强度 | 6.2 | 5.17 |
B2，选择模块Module--assembly进入create-instance，点击part-ok；
C2，选择模块Module—STEP，再选择静力学、单因素分析；
D2，选择模块Module--interaction，选择Create interaction property，创建Contact，设定tangential behavior为frictionless、normal behavior为Hard contact和penalty；
E2，选择模块Module—Load；
E21、创建边界条件：设定边界条件依据人体耳软骨与皮肤固定处模拟，令U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3；如图7所示；
E22、给予重力-9800mm/s-2；
E23、给予Pressure负压吸引力0.02Mpa；
F2，选择模块Module—Mesh，确定C3D8R:An 8-node linear brick,reducedintegration,hourglass control；
G2，选择模块Module--Job进入分析阶段，得到软骨、皮肤、软骨变形、皮肤变形的应力—应变分析结果，结果如图8、图9所示；从图中可以看出，应力集中部位均为皮肤与软骨缝合部位。根据应变结果图可以看出，模型变形发生的位置均在外耳轮廓破裂位置。对此现象进行分析，耳廓外耳轮上缘因结构本身存在支撑力度较弱，此处位置的皮肤和软骨之间位移最大，反复位移将出现局部疲劳劳损，导致皮肤破溃。
根据耳支架初体破溃风险分析结果，耳支架初体存在破溃风险，因此需对其进行优化，进入步骤T。
步骤T中，对耳支架初体进行优化调整，具体是：
T1，将获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析。具体是：在步骤F2之后，通过分析模块创建静力分析，然后通过OptiStruct软件开始优化。
T2，再在Optistruct软件中对耳支架初体进行形状优化；得到理想优化后的模型。
步骤T2，包括：
步骤T21，进行形状预变形定义，具体是：
对耳支架初体进行预变形定义并作为形状优化的设计变量；本次模拟只改变底座变形范围，外耳轮、对耳轮不进行改变。
步骤T22，创建优化响应，具体是：
将步骤T21设计好的形状导入设计变量中，设置下界变形范围，本实例里中下界变形参数设定为1.2。
T23，设置位移和质量分数：
选择模块Optimization—responses，创建位移(dis)、质量分数(mass)。
T24，设定约束条件，具体是：将下界设定为0.7。
T25，建立目标函数，具体是：
选择目标函数指令，将柔度设为最小，然后选择静力分析，进行Optistruct软件计算。
T26，OptiStruct软件的优化求解器计算耳植入体的最佳结构形状，得到理想的优化结果，如图10所示。
再对当前耳支架优化体作为耳支架初体，按照步骤S进行破溃风险分析。得到不同皮肤厚度(2mm、1mm和0.5mm)下软骨变形和皮肤变形的结果，如图11所示。并将皮肤与植入耳支架之间的位移结果进行对比，如图12所示，从图12中可以看出，优化后的耳支架与皮肤之间的位移量远远低于优化前的结果，说明优化后的耳支架的破溃风险更低。可以以优化后的耳支架作为最终的耳支架模型。
本发明的一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,通过对耳支架初体在形态结构上判断支架外露应力-应变模拟分析，判断耳支架破溃的风险，以便对耳支架优化提供参考方向进行优化。本发明的方法，除了能够实现在美观上进行改进之外，从生物力学方向帮助其在形态结构上进行分析。本发明建立了不同的皮肤厚度和负压吸引力，可以通过此方法用于不同医生雕刻的不同耳支架、不同皮肤的厚度、不同负压吸引力对耳支架破溃风险的预判，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
实施例3。
本实施例的耳支架模型是实施例2中的针对一先天性男性7岁患儿，先天性右小耳残缺，残耳为小丘状，耳畸形分度类型为三度。针对其外耳修复针对性选择Medpor模型。Medpor模型购买于成都勤天生物科技有限公司代理的Strker右侧耳部种植体,型号为8328和8330；采用64排128层CT扫描，确认耳种植体内部结构基本为实心，外部结构采用RexcanDS3蓝光全自动三维扫描仪对其进行扫描获得原始数据。采用本发明的方法对耳支架初体进行破溃风险分析，分辨是否需要进行优化改进。
具体过程如下：
S，对耳支架初体进行破溃风险分析，根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，得到耳支架优化体；
具体的，步骤S中对预先雕刻的耳支架初体进行破溃风险分析，具体包括：
S1，将Medpor耳支架初体放在无菌台上，周围贴好已消毒的定位目标点，用handscan700手持式三维扫描仪，以精度为0.03mm，测量速率为480,000次/秒进行扫描，获取耳支架初体的轮廓数据，如图13所示；
S2，将步骤S1中获取的耳支架初体的STL格式的实体模型，导入到geomagicFreeFrom&touch X软件中进行曲面修复，将曲面修复后的实体模型保存为STL格式，曲面修复后的实体模型如图14所示；
S3，将步骤S2曲面修复后的实体模型保存的STL格式导入Geomagic Wrap软件中，选择命令为：精确曲面—自动曲面化—构建轮廓线—构造曲面片—构造格栅—拟合曲面，最后生成Nurbs曲面，导出并保存为IGES格式；
S4，将步骤S3的IGES格式导入到HyperMesh14.0软件中进行有限元模型的建立，具体包括：
S4.1，打开Hypermesh软件，将步骤S3的IGES格式导入到HyperMesh14.0软件；
S4.2，进行实体网格划分；具体包括：
A1：将已在Geomagic Wrap软件中构造轮廓线后创建好的Nurbs曲面进行面网格划分；具体是：进入Geom-2D面板中，选择automesh子命令，再选择要生成的surfs，设定element size和mesh type，点击mesh，再将不符合的2D网格进行调整；
B1：点击TOOL-check elems选择2-d命令，检查步骤A画好的2D网格；
C1:点击3D-elemoffset和solid map生成四面体和六面体实体网格，如图15所示；
D1：按照术中采集缝合方法在模型缝合位置使用RIGID进行连接；具体是：点击1D—rigids，independent—calculate node,dependent—nodes,elem-types选择KINCOUP,按照术中缝合方式选择节点，最后create；
E1：通过TOOL-faces命令，框选之前rigids好的实体网格，点击执行find faces命令，以肋骨表面网格偏置出皮肤厚度模拟人体皮肤，再点击3D-elemoffset生成不同皮肤厚度的实体网格，可具体生成0.5mm、1mm、2mm皮肤厚度的实体网格；
S5，将步骤S4得到的包含软骨及不同皮肤厚度的三维有限元耳模型导入有限元专业分析软件Abaqus中进行有限元分析；具体包括：
A2，创建两个section分别为皮肤和软骨，type类型为：Soild，Homogeneous；Material分别选择皮肤和肋软骨；分别赋予皮肤和肋软骨属性时，先创建一个Displaygroups将皮肤网格保存，再选择Remove Selecte将之前创建的皮肤网格移除，剩下软骨后，对软骨和皮肤赋予不同的材料属性；
本实施例中，材料属性设置如下表二所示。
表二
| Medpor | 皮肤 | |
| 密度(g/cm<sup>3</sup>) | 0.565 | 1.0 |
| 弹性模量(Mpa) | 72.0 | 0.87 |
| 泊松比 | 0.4 | 0.4 |
| 极限抗拉强度 | 4.4 | 5.18 |
B2，选择模块Module--assembly进入create-instance，点击part-ok；
C2，选择模块Module—STEP，再选择静力学、单因素分析；
D2，选择模块Module--interaction，选择Create interaction property，创建Contact，设定tangential behavior为frictionless、normal behavior为Hard contact和penalty；
E2，选择模块Module—Load；
E21、创建边界条件：设定边界条件依据人体耳软骨与皮肤固定处模拟，令U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3；
E22、给予重力-9800mm/s-2；
E23、给予Pressure负压吸引力0.02Mpa；
F2，选择模块Module—Mesh，确定C3D8R:An 8-node linear brick,reducedintegration,hourglass control；
G2，选择模块Module--Job进入分析阶段，得到软骨、皮肤、软骨变形、皮肤变形的应力—应变分析结果，结果如图16、图17所示；从图中可以看出，应力集中部位均为皮肤与软骨缝合部位。根据应变结果图可以看出，模型变形发生的位置均在外耳轮廓破裂位置。对此现象进行分析，耳廓外耳轮上缘因结构本身存在支撑力度较弱，此处位置的皮肤和软骨之间位移最大，反复位移将出现局部疲劳劳损，导致皮肤破溃；
S6，根据有限元应力结果判断耳支架初体的破溃风险；根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，相应对容易破溃的部位进行调整，得到耳支架优化体。
本发明的一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,通过对耳支架初体在形态结构上判断支架外露应力-应变模拟分析，判断耳支架破溃的风险，以便对耳支架优化提供参考方向。本发明的方法，除了能够实现在美观上进行改进之外，从生物力学方向帮助其在形态结构上进行分析。本发明建立了不同的皮肤厚度和负压吸引力，可以通过此方法用于不同医生雕刻的不同耳支架、不同皮肤的厚度、不同负压吸引力对耳支架破溃风险的预判，进行优化调整，以获得破溃几率小的成品耳支架。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.一种基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,其特征在于，包括如下步骤：
S，对耳支架初体进行破溃风险分析，判断耳支架初体是否满足破溃风险要求，如果满足，则进入步骤V；否则进入步骤T；
步骤S中对耳支架初体进行破溃风险分析，具体包括：
S1，对耳支架初体进行扫描，获得耳支架初体的轮廓数据；
S2，将步骤S1中获取的耳支架初体的STL格式的实体模型，导入到geomagic FreeFrom&touch X软件中进行曲面修复，将曲面修复后的实体模型保存为STL格式；
S3，将步骤S2曲面修复后的实体模型保存的STL格式导入Geomagic Wrap软件中，选择命令依次为：精确曲面—自动曲面化—构建轮廓线—构造曲面片—构造格栅—拟合曲面，最后生成Nurbs曲面，将生成的Nurbs曲面导出并以IGES格式保存；
S4，将步骤S3获得的IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件中进行有限元模型的建立，具体包括：
S4.1，打开Hypermesh软件，将步骤S3 IGES格式的Nurbs曲面导入到HyperMesh14.0软件；
S4.2，进行实体网格划分；
S5，将步骤S4得到的包含软骨及不同皮肤厚度的三维有限元耳模型导入有限元专业分析软件Abaqus中进行有限元分析；
步骤S5具体包括：
A2，创建皮肤部分和软骨部分，皮肤部分和软骨部分的类型均为：实体、同类；皮肤部分和软骨部分的材料分别选择皮肤和肋软骨；
分别赋予皮肤和软骨属性时，先创建一个皮肤组将皮肤网格保存，再选择除去皮肤组命令将之前创建的皮肤网格移除，剩下软骨后，对软骨和皮肤赋予不同的材料属性；
B2，选择装配模块命令，将皮肤模型和软骨模型进行装配确定；
C2，选择步骤模块命令，再选择静力学、单因素分析命令；
D2，设定模型切向行为为无摩擦；
E2，再加载边界条件；
E21、创建边界条件：设定边界条件依据人体耳软骨与皮肤固定处模拟，令固定点处的空间六个自由度为零；
E22、给予重力-9800mm/s-2；
E23、给予Pressure负压吸引力0.02Mpa；
F2，确定网格划分为实体网格；
G2，进入分析工作阶段；
S6，得到软骨、皮肤、软骨变形、皮肤变形的应力—应变分析结果，根据有限元应力结果判断耳支架初体的破溃风险；
T,根据破溃风险分析结果对耳支架初体进行优化调整，得到耳支架优化体，进入步骤U；
步骤T中，对耳支架初体进行优化调整，具体是：
T1，将获得的耳支架初体导入HyperMesh14.0软件进行有限元分析，具体是：在步骤F2之后，通过分析模块创建静力分析，然后通过OptiStruct软件开始优化；
T2，再在Optistruct软件中对耳支架初体进行形状优化；得到理想优化后的模型，
步骤T2，包括：
T21，进行形状预变形定义，具体是：
对耳支架初体进行预变形定义并作为形状优化的设计变量；
T22，创建优化响应，具体是：
将步骤T21设计好的形状导入设计变量中，设置下界变形范围；
T23，设置位移和质量分数；
T24，设定约束条件，具体是：
将下界设定为0.7；
T25，建立目标函数，具体是：
选择目标函数指令，将柔度设为最小，然后选择静力分析，进行Optistruct软件计算；
T26，OptiStruct软件的优化求解器计算耳植入体的最佳结构形状，得到理想的优化结果；
U,以当前耳支架优化体作为耳支架初体，返回步骤S,
V,以当前的耳支架初体作为成品耳支架。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法,其特征在于，
步骤S1具体是，将雕刻好的耳支架初体放在无菌台上，在无菌台上、于耳支架初体的周围贴好已消毒的定位目标点，用handscan700手持式三维扫描仪，以精度为0.03mm，测量速率为480,000次/秒进行扫描，获取耳支架初体的轮廓数据。
3.根据权利要求1所述的基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法，其特征在于：步骤S4.2，进行实体网格划分，具体包括：
A1：将已在Geomagic Wrap软件中构造轮廓线后创建好的Nurbs曲面进行实体网格划分；具体是：将IGES格式的Nurbs曲面导入Hypermesh软件后，进入Geom-2D面板中，选择自动网格化子命令，再选择要生成的面，设定网格大小和网格类型，点击切分命令后进行切分，再将存在角度或者长宽比例不符合要求的2D网格进行调整以使得2D网格符合角度和长宽比例要求；
B1：点击查看网格质量工具，选择2-d命令，检查步骤A1的2D网格；
C1:生成四面体和六面体实体网格；
D1：按照术中采集缝合方法在模型缝合位置进行连接；
E1：通过面命令，框选之前缝合好的实体网格，点击执行寻找面命令，以软骨表面网格偏置出皮肤厚度模拟人体皮肤，再点击3D网格生成工具生成不同皮肤厚度的实体网格。
4.根据权利要求3所述的基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法，其特征在于，步骤E1中具体生成0.5mm、1mm、2mm皮肤厚度的实体网格。
5.根据权利要求1所述的基于有限元分析的再造耳支架拓扑结构优化方法，其特征在于：所述耳支架初体为以目标对象肋软骨雕刻的耳支架初体或者Medpor模型或者Nagata模型。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN105405167A (zh) * | 2015-11-05 | 2016-03-16 | 中国人民解放军第三军医大学第二附属医院 | 基于完整的人头颅进行有限元建模的方法 |
| CN105877875A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-08-24 | 华南理工大学 | 一种个性化甲状软骨假体及其制备方法 |
| CN107137167A (zh) * | 2017-05-05 | 2017-09-08 | 南方医科大学 | 预防外露的耳廓支架的建模方法、制造方法及耳廓支架 |
| CN107451321A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-12-08 | 中国人民解放军海军总医院 | 一种用于拦阻着舰过程的飞行员心肺***仿真建模方法 |
| CN107811729A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-03-20 | 赵德伟 | 一种制备髋臼补充材料的方法 |
Non-Patent Citations (1)
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| 钟静等." 3D打印技术辅助耳修复手术的研究进展".《中国医学物理学杂志》.2016, * |
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