CN109214067A - 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法 - Google Patents

一种基于静力分析的接骨板外形优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109214067A
CN109214067A CN201810929488.4A CN201810929488A CN109214067A CN 109214067 A CN109214067 A CN 109214067A CN 201810929488 A CN201810929488 A CN 201810929488A CN 109214067 A CN109214067 A CN 109214067A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bone plate
bone
parameter
model
binding face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810929488.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109214067B (zh
Inventor
陈小中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou Vocational Institute of Engineering
Original Assignee
Changzhou Vocational Institute of Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou Vocational Institute of Engineering filed Critical Changzhou Vocational Institute of Engineering
Priority to CN201810929488.4A priority Critical patent/CN109214067B/zh
Publication of CN109214067A publication Critical patent/CN109214067A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109214067B publication Critical patent/CN109214067B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其步骤为：1)导入个体骨折复位模型，创建个体骨骼近似曲面模型，获取贴合面曲面，拉伸生成接骨板实体模型；定义骨骼、接骨板和螺钉材质属性，建立边界条件，施加静力负荷，构建接骨板固定系统有限元分析模型；2)截取接骨板的贴合面轮廓，定义贴合面截面曲线外形参数；定义骨折部位接骨板厚度特征参数；建立贴合面外形参数约束和厚度参数约束，构建接骨板参数化模型；3)定义接骨板切向偏移和米塞斯应力优化目标函数，利用权重系数构建接骨板综合优化目标函数；计算目标函数初始值，采用移动渐近线(MMA)和梯度投影(GP)相结合策略求解最小目标函数值，优化接骨板外形参数。

Description

一种基于静力分析的接骨板外形优化方法
技术领域
本发明涉及一种接骨板优化方法，更具体地说，涉及一种基于静力分析的接骨板外形优化方法。
背景技术
随着接骨板在人体骨骼骨折手术固定领域广泛应用，骨科创伤临床治疗中感染、接骨板断裂、接骨板移除后二次骨折以及骨质疏松等问题时有发生。人体股骨所处生物力学环境原本非常复杂，当接骨板植入后，股骨原有正常负荷由股骨和接骨板共同承担，直接改变股骨局部骨折区域骨骼生长生物力学环境，极易诱发骨折块移位以及骨折固定失败等手术治疗问题。
生物力学性能作为接骨板产品优劣的重要评估指标，其特征外形设计已成为接骨板力学性能优化研究的一个重要问题。为使接骨板更能匹配患者骨骼和骨折特征，医生需要术前对所选接骨板产品进行二次编辑，该方法主要存在两点不足：一是冷编辑会破坏原有接骨板的力学结构；二是依赖医生个人经验的纯手工编辑变形，难以针对患者骨折信息全自动优化接骨板外形。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服上述的不足，提供了一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，采用本发明的技术方案，通过骨折固定模型静力负荷下接骨板应力和偏移最小化，实现个体接骨板厚度和宽度特征外形的自动化优化。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)、创建接骨板固定系统有限元分析模型：1-a)导入个体骨折预先复位模型，创建个体骨骼近似曲面模型，采用闭合轮廓截取方式，获取贴合面曲面，拉伸生成接骨板实体模型；1-b)定义骨骼、接骨板和螺钉材质属性，建立边界条件，施加静力负荷，创建接骨板固定系统有限元分析模型；
2)构建接骨板参数化模型：2-a)截取接骨板冠状面的贴合面轮廓曲线，采用圆弧拟合方式定义贴合面外形参数；2-b)定义个体骨折部位接骨板厚度特征参数；2-c)建立贴合面外形参数约束和厚度参数约束，构建接骨板参数化模型；
3)优化接骨板外形参数：3-a)基于接骨板参数定义切向偏移和米塞斯应力优化目标函数，定义权重系数，构建接骨板综合优化目标函数；3-b)计算目标函数初始值，采用移动渐近线(MMA)和梯度投影(GP)相结合策略求解最小目标函数值，优化接骨板外形参数。
更进一步地，所述步骤1-a)中，个体骨骼近似曲面模型是指基于个体受损股骨解剖特征参数和统计模板约束生成的统计曲面模型，用以描述个体股骨整体解剖外形特征；闭合轮廓是指依据股骨骨折特征信息和手术要求在近似曲面模型外侧曲面绘制封闭曲线；接骨板拉伸是指将贴合面曲面向股骨外侧拉伸；所述步骤1-b)中，骨骼材质包括皮质骨和松质骨两部分，且均为均匀和同向性材质；边界条件是指接骨板与螺钉、螺钉与皮质骨、螺钉与松质骨、松质骨与皮质骨之间均为接触关系；静力负荷是指正常站立状态下股骨轴向压力，固定股骨髁部，阻止装配模型刚性体旋转。
更进一步地，所述步骤2-a)中，贴合面轮廓是指骨折位中心及其上下两端所对应的贴合面水平方向切割线；贴合面外形特征参数包括切割线拟合半径，以及冠状面前、后侧拟合角度；所述步骤2-b)中，接骨板厚度特征参数是指骨折位中心及其上下两端所对应的接骨板厚度；所述步骤2-c)中，贴合面外形参数约束是指截面轮廓前侧宽度大于后侧，厚度参数约束是指接骨板上端宽度小于下端宽度。
更进一步地，所述步骤3-a)中，切向偏移是指静力负荷下接骨板相对原有位置的偏移值；米塞斯应力是指接骨板对应骨折位应力值；权重系数为负荷目标函数中各目标函数系数，均为正值，系数和为1；所述步骤3-b)中，求解最小化目标函数优化方法是指采用向前有限差分法求解敏感导数、移动渐近线(MMA)法优化振荡，在此基础上采用梯度投影(GP)法递归优化直至收敛。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其系统运行效率高，通过患者接骨板参数化模型创建和静力有限元优化，直观快捷地构建满足患者个体和骨折特征信息的个体化接骨板优化模型，应用于医学骨科手术与医疗器材制造领域，能够直观、准确地生成个体接骨板模型，对指导医生进行股骨骨折手术治疗、提高骨折治疗成功率均具有重要指导意义。
附图说明
图1为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法的步骤示意图。
图2为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行步骤1-a)的示意图；
图3为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行步骤1-b)的示意图；
图4为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行步骤2-a)的示意图；
图5为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行步骤2-b)的示意图；
图6为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行步骤3)的示意图；
图7为本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法中执行优化算法后的示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
结合图1，本实施例的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，包括如下步骤：
1)、创建接骨板固定系统有限元分析模型：
1-a)导入个体骨折预先复位模型，创建个体骨骼近似曲面模型，采用闭合轮廓截取方式，获取贴合面曲面，拉伸生成接骨板实体模型；其中个体骨骼近似曲面模型是指基于个体受损股骨解剖特征参数和统计模板约束生成的统计曲面模型，用以描述个体股骨整体解剖外形特征；闭合轮廓是指依据股骨骨折特征信息和手术要求在近似曲面模型外侧曲面绘制封闭曲线；接骨板拉伸是指将贴合面曲面向股骨外侧拉伸；具体参见图2所示，根据个体骨折预先复位模型中骨折痕迹，绘制接骨板闭合轮廓，采用闭合轮廓截取个体骨骼近似曲面模型中贴合面曲面，获取的贴合面曲面先向外侧偏移3mm，再采用向股骨外侧拉伸4mm方式生成接骨板实体模型；
1-b)定义骨骼、接骨板和螺钉材质属性，建立边界条件，施加静力负荷，创建接骨板固定系统有限元分析模型；其中骨骼材质包括皮质骨和松质骨两部分，且均为均匀和同向性材质；边界条件是指接骨板与螺钉、螺钉与皮质骨、螺钉与松质骨、松质骨与皮质骨之间均为接触关系；静力负荷是指正常站立状态下股骨轴向压力，固定股骨髁部，阻止装配模型刚性体旋转；具体参见图3所示，定义接骨板和螺钉材质均为钛合金Ti-6A1-7Nb，设置对应杨氏模量(E＝123GPa)和泊松比(V＝0.31)，皮质骨和松质骨的杨氏模量分别定义为17Gpa和700MPa，所有骨质泊松比统一设置为0.3；定义所有相邻组件间约束关系，设定接骨板与螺钉、螺钉与皮质骨、螺钉与松质骨、松质骨与皮质骨之间均为接触约束；静力负荷定义患者双脚正常站立状态下股骨轴向压力；
2)构建接骨板参数化模型：
2-a)截取接骨板冠状面的贴合面轮廓曲线，采用圆弧拟合方式定义贴合面外形参数；其中贴合面轮廓是指骨折位中心及其上下两端所对应的贴合面水平方向切割线；贴合面外形特征参数包括切割线拟合半径，以及冠状面前、后侧拟合角度；具体参见图4所示，采用圆心(P)和拟合半径(r)将贴合面轮廓曲线拟合为圆弧，构建贴合面截面线参数化模型，主要包括冠状面前侧角度(α1)、后侧角度(α2)；
2-b)定义个体骨折部位接骨板厚度特征参数；其中接骨板厚度特征参数是指骨折位中心及其上下两端所对应的接骨板厚度；具体参见图5所示，定义接骨板截面轮廓厚度参数t，定义骨折位中心以及上下端所对应的接骨板轮廓参数d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10，d11，d12；
2-c)建立贴合面外形参数约束和厚度参数约束，构建接骨板参数化模型；其中贴合面外形参数约束是指截面轮廓前侧宽度大于后侧，厚度参数约束是指接骨板上端宽度小于下端宽度；构建参数间约束关系c1，c2，c3，c4，c5，c6，c7，具体内容为：c1＝d10-d9≤0，c2＝d6-d5≤0，c3＝d2-d1≤0，c4＝d3-d7≤0，c5＝d7-d11≤0，c6＝d12-d8≤0，c7＝d8-d4≤0；
3)优化接骨板外形参数：
3-a)基于接骨板参数定义切向偏移和米塞斯应力优化目标函数，定义权重系数，构建接骨板综合优化目标函数；其中切向偏移是指静力负荷下接骨板相对原有位置的偏移值；米塞斯应力是指接骨板对应骨折位应力值；权重系数为负荷目标函数中各目标函数系数，均为正值，系数和为1；3-b)计算目标函数初始值，采用移动渐近线(MMA)和梯度投影(GP)相结合策略求解最小目标函数值，优化接骨板外形参数；其中求解最小化目标函数优化方法是指采用向前有限差分法求解敏感导数、移动渐近线(MMA)法优化振荡，在此基础上采用梯度投影(GP)法递归优化直至收敛；
具体参见图6所示，定义初始接骨板截面轮廓厚度参数均为3.5mm，优化过程为：首先，计算初始接骨板偏移、应力和综合目标函数；然后，采用向前有限差分法求解敏感导数，结合移动渐近线(MMA)法优化振荡；最后采用梯度投影(GP)法递归优化直至收敛；优化结果表明，接骨板厚度特征呈不同层次增加，截面面轮廓外形自动调整；执行优化算法后(参见图7所示)，接骨板应力最大值由144.8MPa降低为83.283MPa，头部偏移量由12.146mm降低为6.509mm，结果表明优化后接骨板具有良好的生物力学性能。
本方法未进一步说明的均为现有技术。
本发明的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，能够依据个体骨骼和骨折信息特征直观、准确地生成接骨板优化模型，对指导医生进行股骨骨折手术治疗、提高骨折治疗成功率均具有重要指导意义。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)、创建接骨板固定系统有限元分析模型：1-a)导入个体骨折预先复位模型，创建个体骨骼近似曲面模型，采用闭合轮廓截取方式，获取贴合面曲面，拉伸生成接骨板实体模型；1-b)定义骨骼、接骨板和螺钉材质属性，建立边界条件，施加静力负荷，创建接骨板固定系统有限元分析模型；
2)构建接骨板参数化模型：2-a)截取接骨板冠状面的贴合面轮廓曲线，采用圆弧拟合方式定义贴合面外形参数；2-b)定义个体骨折部位接骨板厚度特征参数；2-c)建立贴合面外形参数约束和厚度参数约束，构建接骨板参数化模型；
3)优化接骨板外形参数：3-a)基于接骨板参数定义切向偏移和米塞斯应力优化目标函数，定义权重系数，构建接骨板综合优化目标函数；3-b)计算目标函数初始值，采用移动渐近线(MMA)和梯度投影(GP)相结合策略求解最小目标函数值，优化接骨板外形参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其特征在于：所述步骤1-a)中，个体骨骼近似曲面模型是指基于个体受损股骨解剖特征参数和统计模板约束生成的统计曲面模型，用以描述个体股骨整体解剖外形特征；闭合轮廓是指依据股骨骨折特征信息和手术要求在近似曲面模型外侧曲面绘制封闭曲线；接骨板拉伸是指将贴合面曲面向股骨外侧拉伸；所述步骤1-b)中，骨骼材质包括皮质骨和松质骨两部分，且均为均匀和同向性材质；边界条件是指接骨板与螺钉、螺钉与皮质骨、螺钉与松质骨、松质骨与皮质骨之间均为接触关系；静力负荷是指正常站立状态下股骨轴向压力，固定股骨髁部，阻止装配模型刚性体旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其特征在于：所述步骤2-a)中，贴合面轮廓是指骨折位中心及其上下两端所对应的贴合面水平方向切割线；贴合面外形特征参数包括切割线拟合半径，以及冠状面前、后侧拟合角度；所述步骤2-b)中，接骨板厚度特征参数是指骨折位中心及其上下两端所对应的接骨板厚度；所述步骤2-c)中，贴合面外形参数约束是指截面轮廓前侧宽度大于后侧，厚度参数约束是指接骨板上端宽度小于下端宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于静力分析的接骨板外形优化方法，其特征在于：所述步骤3-a)中，切向偏移是指静力负荷下接骨板相对原有位置的偏移值；米塞斯应力是指接骨板对应骨折位应力值；权重系数为负荷目标函数中各目标函数系数，均为正值，系数和为1；所述步骤3-b)中，求解最小化目标函数优化方法是指采用向前有限差分法求解敏感导数、移动渐近线(MMA)法优化振荡，在此基础上采用梯度投影(GP)法递归优化直至收敛。
CN201810929488.4A 2018-08-15 2018-08-15 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法 Active CN109214067B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810929488.4A CN109214067B (zh) 2018-08-15 2018-08-15 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810929488.4A CN109214067B (zh) 2018-08-15 2018-08-15 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109214067A true CN109214067A (zh) 2019-01-15
CN109214067B CN109214067B (zh) 2023-05-23

Family

ID=64988130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810929488.4A Active CN109214067B (zh) 2018-08-15 2018-08-15 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109214067B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105069181A (zh) * 2015-07-03 2015-11-18 河海大学常州校区 基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法
CN108246862A (zh) * 2017-12-30 2018-07-06 梅木精密工业(珠海)有限公司 一种接骨板快速成型方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105069181A (zh) * 2015-07-03 2015-11-18 河海大学常州校区 基于患者股骨参数的个性化远端解剖型接骨板设计方法
CN108246862A (zh) * 2017-12-30 2018-07-06 梅木精密工业(珠海)有限公司 一种接骨板快速成型方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈小中等: "参数化股骨曲面特征模型的构建", 《计算机辅助设计与图形学学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109214067B (zh) 2023-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104933263B (zh) 一种基于平均股骨模型的接骨板系列化设计方法
CN105342702B (zh) 一种基于3d打印的个性化下颌骨固定导板
CN108491659A (zh) 基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法
CN109961436A (zh) 一种基于人工神经网络模型的正中矢状平面构建方法
CN107647914B (zh) 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法
CN106557665A (zh) 一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法
Hirohi et al. Lower face reduction with full-thickness marginal ostectomy of mandibular corpus-angle followed by corticectomy
CN113317843B (zh) 一种个性化膝关节单髁置换胫骨精准截骨导板的制备方法
CN104622559A (zh) 一种参数化股骨模板的构建方法
CN204723164U (zh) 胫骨远端外侧锁定接骨板
CN104224407B (zh) 一种杆系孔隙结构及其骨科植入物
CN104939951A (zh) 一种人工颞下颌关节置换骨修整导板组件
CN107680163B (zh) 一种个性化3d优化结构内固定板的制作方法及内固定板
CN108056850A (zh) 小儿前臂个性化保护性支具的制作方法
CN107252364B (zh) 一种3d打印的肱骨模型及其制备方法
Zhang et al. Functional reconstruction of mandibular segment defects with individual preformed reconstruction plate and computed tomographic angiography-aided iliac crest flap
CN109214067A (zh) 一种基于静力分析的接骨板外形优化方法
CN108056800A (zh) 膝关节截骨工具及其制作系统与制作方法
CN108577967A (zh) 一种用于生成手术定位导向器的描述信息的方法
Wang et al. Analysis of the location and trajectory of the Kirschner wires in the fixation of extension-type supracondylar fracture of the humerus by 3D computational simulation
CN107280815A (zh) 股骨髁假体及人工膝关节
CN209404874U (zh) 一种微创扇形截骨器
Tai et al. Stress Distribution of a Modified Periacetabular Osteotomy for Treatment of Dysplastic Acetabulum
CN203468722U (zh) 一种万向锁定接骨板
CN209091781U (zh) 一种便于调节的颈椎矫形器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant