CN109091273B - 一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法

技术领域

本发明属于假体设计制造领域，具体涉及将拓扑结构优化与多孔结构应用于盆骨假体设计的理念，提出一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法。

技术背景

盆骨肿瘤是盆骨损伤中比较常见的一种疾病。盆骨肿瘤发病隐匿且犯病早期比较难诊断，因此在患者发现时往往病变范围已经很大，手术往往需要进行较大面积的盆骨截除。为提高盆骨截除手术后患者的生活质量，盆骨缺损部位的重建成为恢复患者下肢功能的关键。

盆骨重建的主要手段有关节融合、异体骨重建、自体瘤骨灭活、人工假体重建。但是进行关节融合手术后的患者正常活动受到限制，自体骨和异体骨植入后则很难愈合，并且面临较大的感染风险。随着现在材料科学的不断发展，金属假体在在盆骨重建中的应用越来越广泛。钛合金具有良好的生物相容性并且可以稳定地传递载荷，因此是人工假体的首选材料。

目前的金属假体重建有着较好的近期效果，但也存在着一些不足，例如：

(1)假体与残留盆骨的固定非常困难，软组织向假体附着的技术尚未获得成功，金属材料和人骨永远不会成为一个整体，松动率较高，常因错位、疼痛而导致失败；

(2)人体盆骨结构形态特殊，人工假体设计很难达到要求，常造成安装困难及术后卡压坐骨神经；

(3)金属假体重量大，限制了术后肢体功能的恢复。

现有的常用金属人工假体主要有整体式和组配式两大类。两者既有优点，也有缺点。使用整体式假体时，盆骨的缺损区域由一个整体式的假体补充，可以减少患者术后假体移位的风险。但是当盆骨截除区域较大时，整体式的假体尺寸较大，制造假体所需的材料较多，因此成本较高。并且尺寸大的假体需要在手术中开的创口也较大，延长了患者的恢复期，加大感染风险。

组配式假体可以将较大的假体划分几个小的部分，在手术时进行安装，这样可以减少手术创口，减少了感染风险。但组配式假体在手术中难以正确调整各组装件的三维位置，加大了手术的难度。假体组件的增多也使术后假体松动、断裂、脱位的几率大大上升，并且假体生产制造价格也会有显著增加，加重了患者的经济负担。

基于以上讨论，整体式假体虽然存在一些不足，但是在盆骨缺损部位不是很大时，有着组配式假体无法比拟的优势。即使缺损部位较大，手术创口较大带来的感染风险也比较容易在术后的护理中得到有效控制，因此现有盆骨假体专利中，仍以整体式假体为主。因此，针对整体式金属假体存在的不足，如何设计出一种既能保持患者盆骨解剖形态，又能有利于骨长入和软组织贴附的轻量化盆骨假体是现在盆骨假体设计领域急需解决的问题。

发明内容

为了克服现有盆骨假体的上述缺点，本发明提供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，使用本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。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于拓扑结构优化的个性化盆骨内置假体设计方法，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。

优选的，在步骤2中，所述规则形状为长方体、圆柱体、棱柱、球体以及上述规则体的组合体，并且规则形状的实体结构应尽量取的大一些，能够将切除的盆骨区域完全包裹。

优选的，在步骤3中，根据CT图像的灰度值与骨密度和骨弹性模量之间的关系为盆骨-规则实体有限元模型赋予相应的密度和弹性模量。

优选的，在步骤4中，拓扑优化目标为多种形式的，包括假体上的最大应力或者假体的体积；并且在进行优化迭代中的有限元计算时，将一种载荷下的应力分布结果作为优化的输入，或考虑多种载荷的共同作用，计算多种载荷条件下的假体应力分布，并为其设定权重系数，作为优化的输入。

优选的，在步骤6中，根据盆骨的正常解剖形态设计的多孔结构不仅能够维持患者术后盆骨的正常解剖形态，还能够有利于软组织的贴附，由于该多孔结构不是假体的主要承力区域，因此多孔单元的尺寸和孔隙率大，而与骨接触区域的多孔结构主要是为了满足骨长入的需求，因此多孔单元的大小为1-3mm，孔径为300-500μm，孔隙率为70-90％，且应完全贯通；并且上述的维持解剖形态和与骨接触区域的两种多孔结构为均匀的多孔结构，或是功能梯度的多孔结构。

优选的，在步骤7中，在进行螺钉安装位的设计时，应该根据剩余骨的形态和手术的实际需求，尽量减少螺钉的安装以减少手术创伤；并且在螺钉的安装位置设计了实心加强区域，该区域的厚度为1-2mm，以保证螺钉安装的稳定性；并且考虑到拓扑实心结构部分为主要的承力结构，因此在设计螺钉安装位时应考虑用螺钉将其与骨直接固定。

优选的，在步骤8中，在进行假体强度校核时，应当使用最坏情况作为边界条件输入，并且考虑到盆骨假体在植入人体后会受到往复循环力的持续作用，因此假体上的最大应力不应超过材料的疲劳应力。

优选的，在步骤9中，假体是以钛合金、钴合金或者医用不锈钢金属粉末为材料，通过增材制造技术一体化成型制造的。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、使用拓扑结构优化设计的实心结构既可以保证假体强度又实现了假体的轻量化设计；

2、按照正常盆骨形貌设计的多孔结构既可以维持重建后盆骨的解剖形态又有利于软组织的贴附；

3、与骨接触区域的多孔结构设计有利于术后的骨长入，从而提高假体植入后的长期稳定性；

综上所述，使用本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。

附图说明

图1为本发明的优化设计和制造的方法流程图。

图2为Ⅰ型盆骨切除与优化部位替代示意图。

图2(a)为盆骨切割示意图。

图2(b)为规则实体替代切除部位。

图2(c)为规则实体替代切除部位后的盆骨模型示意图。

图3(a)为Ⅰ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构示意图。

图3(b)为Ⅰ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图。

图4为假体重建盆骨示意图。

图5为Ⅱ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图。

图6为Ⅰ+Ⅱ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图。

图7为Ⅱ+Ⅲ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细介绍，但是应当指出的是，此处所描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参照图1，以盆骨Ⅰ型切除假体的设计流程为例，实施办法如下：

步骤1：采集病人盆骨区域的CT数据，通过软件Mimics(Version 16.0,Materialise,比利时)建立病人盆骨的三维模型，然后按照手术要求对盆骨进行Ⅰ型切除，得到待重建的盆骨模型图(2(a))。

步骤2：对照健康侧，将切除的区域用规则实体进行替代，这里使用的是切除区域的外接正方体(图2(b))。然后将切除后的盆骨模型和该正方体导入到Solidworks(Version2014,Dasssault Systemes S.A,法国)软件中进行装配，得到规则实体替代切除部位后的盆骨模型图(2(c))。

步骤3：将步骤2装配完成的盆骨模型导入到有限元软件ABAQUS(6.12,Simulia,法国)中，对各个部件分别划分有限元网格，得到优化前的盆骨有限元模型。根据CT图像灰度值与骨密度和骨弹性模量之间的关系分别为有限元模型中的左右髂骨和骶骨赋予和灰度相关的精确的弹性模量分布，规则实体材料为钛合金(Ti-6Al-4V)，弹性模量为110GPa，泊松比为0.3。然后参照人体生理结构对盆骨有限元模型施加边界条件，将骶骨的上表面固定，从两个髋臼窝施加载荷，力的大小为日常步态(上下楼梯、行走、落座与起身，站立)下的最大关节力。提交算例，得到盆骨模型在日常步态下的应力分布结果。

步骤4：根据步骤3中得到的盆骨模型在日常步态下的应力分布结果，在ABAQUS软件中的Optimization模块对规则实体进行拓扑结构优化。首先，选中规则实体作为优化的区域。然后设置两个优化目标，即应变能最小与体积减小。综合步骤3所得到的多种步态作用下的规则实体上每个有限元单元的应变能，以决定单元的删减与保留。设定体积目标为最终优化后的体积为规则实体原始体积的5％，最后提交算例，软件会根据设定的两个优化目标进行自动迭代计算，直至满足条件，然后输出优化后的假体。

步骤5：将输出的假体文件导入到Geomagic(2012,Geomagic,美国)软件中，对其进行降噪、光顺与实体化处理，最终得到盆骨假体的拓扑实心结构部分，这一部分将作为假体的主要承力部分，并且为了满足假体植入后骨长入的需求，将该结构与骨接触的区域设计2mm厚的多孔结构，多孔结构的单元的大小为1-3mm，孔径为300-500μm，孔隙率为70-90％，且完全贯通。最终结果如图3(a)和图3(b)所示。

步骤6：为了维持重建后盆骨的正常解剖形态，根据患者盆骨正常侧的形状，使用镜像方法为手术切除区域设计符合正常解剖形态的结构，然后将该结构进行孔隙化，参数为孔径5mm，孔隙率90％。最后将该多孔结构与步骤5中的拓扑实心结构部分合并为一个整体，得到最终的假体模型。

步骤7：将步骤6设计好的假体导入到Soildworks软件中，根据余骨的形态与手术的实际需要为假体设计合适的螺钉安装位，并且为了保证假体安装的稳定性，为螺钉设计了2mm厚的实心钉道作为加强。最终的假体重建效果如图4所示。

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。使用有限元软件，使用上楼梯步态作为边界条件输入，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钛合金的疲劳的强度，若满足则可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，增加拓扑优化中最终保留的体积，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，并以钛合金、钴合金或者医用不锈钢金属粉末为材料，通过增材制造技术一体化成型制造假体。

至于其他盆骨切除类型的假体设计，这里仅给出拓扑实心结构，具体设计流程与Ⅰ型盆骨切除假体的设计流程相似，因此不再过多介绍。其中图5为Ⅱ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图，图6为Ⅰ+Ⅱ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图，图7为Ⅱ+Ⅲ型盆骨切除假体拓扑优化实心结构三维示意图。

Claims (8)

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；

在步骤4中，在进行优化迭代中的有限元计算时，将一种载荷下的应力分布结果作为优化的输入，或考虑多种载荷的共同作用，计算多种载荷条件下的假体应力分布，并为其设定权重系数，作为优化的输入；

在步骤7中，在进行螺钉安装位的设计时，应该根据剩余骨的形态和手术的实际需求，尽量减少螺钉的安装以减少手术创伤；并且在螺钉的安装位置设计了实心加强区域，该区域的厚度为1-2mm，以保证螺钉安装的稳定性；并且考虑到拓扑实心结构部分为主要的承力结构，因此在设计螺钉安装位时应考虑用螺钉将其与骨直接固定。

2.根据权利要求1所述的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：该设计方法不仅适用于整个盆骨区域的缺损修复，也适用于人体其他部位假体的设计。

3.根据权利要求1所述的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：该假体主要包括两部分，即拓扑实心结构部分和维持解剖形态的多孔结构部分；

(1)拓扑实心结构部分是主要的承力部分，是通过对替代缺损区域的规则实体进行拓扑结构优化得到的，并且为桁架结构；

(2)多孔结构部分是按照正常盆骨的解剖结构进行设计的，不仅能够维持患者盆骨的正常解剖形态，还能促进骨和软组织的长入与贴附，能够提高假体的长期稳定性；

由于该假体使用了拓扑实心结构和多孔结构，实现了假体的轻量化设计。

4.根据权利要求1所述的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：在步骤2中，所述规则形状为长方体、圆柱体、棱柱、球体以及上述规则体的组合体，并且规则形状的实体结构应尽量取的大一些，能够将切除的盆骨区域完全包裹。

5.根据权利要求1所述的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：在步骤3中，根据CT图像的灰度值与骨密度和骨弹性模量之间的关系为盆骨-规则实体有限元模型赋予相应的密度和弹性模量。

6.根据权利要求1所述的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：在步骤6中，根据盆骨的正常解剖形态设计的多孔结构不仅能够维持患者术后盆骨的正常解剖形态，还能够有利于软组织的贴附，由于该多孔结构不是假体的主要承力区域，因此多孔单元的尺寸和孔隙率大，而与骨接触区域的多孔结构主要是为了满足骨长入的需求，因此多孔单元的大小为1-3mm，孔径为300-500μm，孔隙率为70-90％，且应完全贯通；并且上述的维持解剖形态和与骨接触区域的两种多孔结构为均匀的多孔结构，或是功能梯度的多孔结构。

7.根据权利要求1所述的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：在步骤8中，在进行假体强度校核时，应当使用最坏情况作为边界条件输入，并且考虑到盆骨假体在植入人体后会受到往复循环力的持续作用，因此假体上的最大应力不应超过材料的疲劳应力。

8.根据权利要求1所述的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：在步骤9中，假体是以钛合金、钴合金或者医用不锈钢金属粉末为材料，通过增材制造技术一体化成型制造的。

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