CN109977590A - 一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法 - Google Patents

一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法。其步骤为：S1.股骨种植体几何建模；S2.初始年龄段有限元模型的建立；S3.多年龄段股骨种植体有限元模型的建立；S4.评价指标及钛种植体的结构优化。本发明针就患者自身年龄的变化对于钛种植体应力分布的影响进行了研究，并针对钛种植体内部待优化区域提出了一种优化其内部结构的方法，完善了钛种植体的结构设计，提高了其在人体内的使用寿命，降低了钛种植体在承载过程中失效的风险，同时，避免了在针对钛种植体结构优化时非应力集中区域屈服应力过大的情况。

Description

一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法
技术领域
本发明涉及涉及下肢种植体的设计领域，尤其涉及一种钛种植体结构优化的方法。
背景技术
目前针对下肢钛种植体的研究主要涉及以下的几个方面：钛种植体与人体生物相容性的研究、钛种植体孔隙率的研究、钛种植体形状的设计、术后针对种植体的加载条件对于骨整合的影响、年龄因素对于骨整合的影响等。在研究年龄因素对于钛种植体的影响时，之前的研究仅仅局限在手术后的恢复阶段，如增龄变化对于种植体与骨组织的结合的影响，种植体周围新骨形成量及骨结合率随年龄变化的差异等，但是对于同一患者长期植入种植体的情况没有进行考虑。由于患者年龄的增长会带来下肢骨组织、肌肉组织材料参数以及几何参数的变化，而这种变化也将使得种植体的受力状态发生变化，从而增加钛种植体局部失效的概率，且钛种植体的使用寿命也会有一定的缩减，若采用整体改变钛种植体孔隙率的方法，则会使得原本非应力集中区域的屈服应力增大，并加大局部的应力遮蔽效应，基于以上的问题，有必要针对长期年龄因素对于钛种植体的影响进行研究，并就年龄因素对于钛种植体的影响提出合理的的结构优化方案来提高其使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对长期年龄因素对于钛种植体应力分布的影响进行研究，并基于钛种植体局部应力的变化提出了一种局部更改钛种植体孔隙率的方法，以对钛种植体的结构进行优化。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法其特征在于：所述方法的具体实现包含以下步骤：
S1.股骨种植体几何建模；
S2.初始年龄段有限元模型的建立；
S3.多年龄段股骨种植体有限元模型的建立；
S4.评价指标及钛种植体的结构优化。
在所述S1中，股骨种植体几何建模的具体过程还包括以下步骤：
S101.股骨几何模型的建立：
将包含股骨的CT图像进行阈值分割、区域增长、蒙版编辑操作，从而将对应的股骨区域划分出来，之后利用已经分割好的股骨的蒙板建立对应的股骨的三维模型，接着对已经建立的模型进行平滑操作使得所建立的股骨几何模型更加的精确；
S102.股骨几何模型的优化：
虽然在S101中已经建立了股骨的几何模型，且对模型进行了优化处理以及三角面片数量的缩减，但是，股骨几何模型上仍存在尖点和孔洞等瑕疵，因此，需要针对已经建立的模型进行修补、平滑、提取轮廓线、构造栅格以及曲面拟合等处理以得到可以用于后续有限元建模的股骨几何模型；
S103.钛种植体几何模型的建立：
钛种植体主要由三部分组成：固定装置、基台、基台螺钉构成。首先建立初始的固定装置、基台、基台螺钉的三维模型，各零件的具体尺寸如下：固定装置整体长度为50mm，外螺纹用于与股骨进行连接，其整体长度为50mm，对应的大径为23.7mm，小径为22.8mm，螺纹牙距为2mm，固定装置的内螺纹用于和基台进行连接，其对应的长度为30mm，螺纹牙距为2mm，对应的大径为15.7mm，小径为14.8mm；基台长度为60mm，外螺纹的长度为28mm，基台螺钉的长度为15mm；接着对初始建立的固定装置三维模型进行修改，以建立固定装置内部的多孔结构，之后完成对于多孔固定装置、基台、基台螺钉的装配，建立初始的钛种植体几何模型。
S104.模型的装配：
将优化后的股骨几何模型与多孔种植体模型进行装配以得到初始年龄段的股骨种植体几何模型，并将此模型应用于后续多年龄段股骨种植体模型的构建。
在所述S2中，初始年龄段股骨种植体有限元模型建立的具体过程还包括以下步骤：
S201.初始年龄段股骨种植体模型的网格划分：
将建立好的初始年龄段的股骨种植体几何模型进行网格划分，其中，钛种植体中的固定装置、基台、基台螺钉以及对应股骨中的皮质骨以及松质骨皆采用8节点4面体单元进行划分。
S202.材料参数的确定：
建立的初始年龄段股骨钛种植体有限元模型的年龄为26岁，初始的股骨模型中皮质骨的密度为2000kg/m3，杨氏模量为16.6GPa，对应的泊松比是0.3，极限应力是133.2MPa，极限应变为3.39％，股骨松质骨的密度861.5kg/m3，杨氏模量为1.01GPa，对应的泊松比为0.3，极限应力为13.6MPa。极限应变为13.4％。钛种植体的初始孔隙率为40％，对应弹性模量为38.2GPa。
S203.载荷的构建：
在添加载荷的过程中，主要考虑两种状态，一种状态为静态受力，假设人体是双脚站立的状态，给钛种植体下端施加约束，使其3个方向上的位移以及三个方向上的旋转皆为0，并在生理状态下对股骨沿垂直方向加载力Fa来模仿患者的站立状态，其大小为500N；另一种状态为动态受力，假设人体是匀速行走状态，在此种状态下钛种植体受到三个方向的力，它们分别是沿种植体长轴方向的力FL，沿解剖学前后方向的力FAP，以及沿内外侧方向的力FML，用FR来表示三力的矢量和。力的施加通过定义行走状态下的幅值曲线来进行定义，并为股骨近端添加约束，使其位移为0。
在所述S3中，多年龄段股骨种植体有限元模型建立的具体过程为还包括以下步骤：
S301.多年龄段股骨种植体有限元模型的构建：
在构建多年龄段股骨种植体有限元模型的过程中，主要考虑的是股骨随年龄的变化。在患者年龄增长的过程中，患者年龄的变化对股骨的影响主要反映在两个方面，第一个方面是：对应股骨的材料参数中的极限应力以及极限应变皆会随着时间发生变化；第二个方面是：骨髓腔的面积随着时间会发生变化；
在第一个方面中，股骨皮质骨极限应力随年龄变化的关系式为：
Y＝130.8-0.52x (1)
其中，Y代表股骨皮质骨的极限应力，x代表患者的年龄。
股骨皮质骨极限应变随年龄变化的关系式为：
y＝4.23-0.033x (2)
其中，y代表股骨皮质骨的极限应变，x代表患者的年龄。
股骨松质骨极限应力随年龄变化的关系式为：
Y＝11.086+0.1612x-0.00248x2 (3)
在第二个方面中，股骨骨髓腔面积的变化主要是由三个参数的变化引起，它们分别是：股骨干截面总面积TA，髓腔面积MA，皮质骨面积CA。其中骨干截面总面积的计算公式为：
其中，Dp为股骨外骨膜直径，TA为股骨干截面总面积；
髓腔面积MA的计算公式为：
其中，DM为股骨内骨膜直径，MA为股骨髓腔面积；
皮质骨面积CA的计算公式为：
CA＝TA-MA (6)
随着年龄变化，男性的骨干截面总面积TA每10年增加1.8％，髓腔面积MA每10年增加8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低1.6％；男性的骨干截面总面积TA每10年增加1.1％，髓腔面积MA每10年增加10.8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低5.9％。
之后依据上面年龄对于各参数的影响调整对应的材料参数以及模型的尺寸参数即可以实现模拟多个年龄段下的股骨种植体模型进行后续的分析。由于随时间变化导致的骨整合的影响，此处假设固定装置与骨髓腔已进行完善的整合，即钛种植体的外螺纹区域与骨髓腔之间始终紧密连接，不随时间的变化产生间隙。
S302.载荷的构建：
在建立多个年龄段的股骨种植体有限元模型之后，对模型施加于初始年龄段相同的外部载荷进行分析，其中所受的外载荷与S203步骤中所定义的载荷完全相同。
在所述S4中，评价指标及钛种植体的结构优化还包括以下步骤：
S401.评价指标：
指标1：钛种植体的额定载荷，人在行走的过程中，作用在种植体上的应力应小于其自身的强度，在钛种植体不发生破损时的最大的载荷可以对其承载能力可以作为评价其承载性能的标注：σi(F)＜Nσbi；其中的σi(F)为作用在钛种植体上的应力值，N代表的是安全系数，而σbi为钛种植体的屈服强度。
指标2：股骨种植体的应力遮挡率。在判断股骨上某一点的应力遮蔽程度的时候，通常用应力遮蔽率来进行判断，具体的公式是：η＝(1-σ/σ0)×100％。其中σ0表示在未安装钛种植体假肢前时，股骨上某一点对应的应力。σ表示在将种植体安装后股骨上同一点对应的应力，η表示应力遮蔽率。
S402.钛种植体的结构优化：
在针对钛种植体的结构进行优化的时候，首先将经过有限元计算后所得钛种植体上的应力的最大值与钛种植体的对应屈服应力值进行对比，若对应的应力值σi(F)小于Nσbi，则种植体不需要进行优化，若对应区域的应力值σi(F)大于Nσbi，则依据所提出以下孔隙率与屈服应力公式，依据重新设定的屈服应力的值来有针对性的局部调整多孔种植体的孔隙率。其中，多孔钛种植体的孔隙率与其对应的屈服应力公式推导过程如下：
多孔钛的屈服应力与其密度之间的关系为：
其中σ为多孔钛的屈服应力，σs为纯钛的屈服应力，ρ为多孔钛的密度，ρs为纯钛的密度。
多孔钛的弹性模量与其密度之间的关系为：
其中，E为多孔钛的弹性模量，Es为纯钛的弹性模量，ρ为多孔钛的密度，ρs为纯钛的密度。
多孔钛的弹性模量与孔隙率之间的关系为：
E＝0.01077×K2-2.148K+106.9 (9)
其中E为多孔钛的弹性模量，K为孔隙率。
由(7)、(8)、(9)式可得多孔钛的屈服应力与对应孔隙率之间的关系为：
其中，σs为纯钛的屈服应力，其值为480MPa，Es为纯钛弹性模量，其值为110GPa，将(9)式以及σs和Es的数值带入(4)式当中，可以得到以下多孔钛的孔隙率与屈服应力的表达式：
当判断出σi(F)大于Nσbi时，可以根据所需要调整的屈服应力的数值σ来确定对应所要改变的孔隙率。在依据公式调整钛种植体的局部孔隙率的过程中，首先依据划定的待优化的应力区间搜索对应钛种植体内部符合条件的单元，在搜索出内部单元之后，删除对应单元内部的已建立的孔洞，之后读取单个待优化单元对应的体积，并依据公式(11)求解出来的孔隙率求解出对应单个单元内部孔隙的总体积，之后在待优化单元内部重新构建随机的孔洞，并计算孔洞的体积，保证孔洞的体积等于求解出来的用于优化局部应力的孔隙的体积，之后重新对于经过一次结构优化后的股骨种植体有限元模型进行计算，并重新分析钛种植体的应力分布情况，若钛种植体的局部应力仍不满足指标1的评价条件，则重新进入优化阶段继续进行优化。
本发明的有益效果是：
以往针对钛种植体的研究主要集中于钛种植体与人体生物相容性的研究、钛种植体孔隙率的研究、钛种植体形状的设计、术后针对种植体的加载条件对于骨整合的影响、年龄因素对于骨整合的影响等，在研究年龄因素对于钛种植体的影响时，之前的研究仅仅局限在手术后的恢复阶段，如增龄变化对于种植体与骨组织的结合的影响，种植体周围新骨形成量及骨结合率随年龄变化的差异等，但是对于患者长期植入种植体的情况没有进行考虑。由于患者年龄的增长会带来下肢骨组织、肌肉组织材料参数以及几何参数的变化，而这种变化也将使得种植体的受力状态发生变化，从而增加钛种植体局部失效的概率，且钛种植体的使用寿命也会有一定的缩减，因此有必要对于年龄因素对于钛种植体应力分布的影响进行研究，并且应对于此种影响提出相应的改进钛种植体的方法。
本发明通过构建多个年龄段条件下的股骨种植体模型来模拟一名患者在随年龄变化过程中，钛种植体局部应力分布的变化，并针对钛种植体应力较大区域提出了一种优化其内部结构的方法，完善了钛种植体的结构设计，提高了其使用寿命，降低了在承载过程中失效的风险，同时，避免了非应力集中区域屈服应力过大的情况，除此之外，此种针对年龄因素对于钛种植体应力影响提出的优化方法也可用于由其他因素引起的钛种植体局部应力过大或过小等情况。
与已有技术对比，本发明的具体优点表现在以下几个方面：
1.现有技术并未对年龄因素对于钛种植体的应力分布的影响进行研究。本专利通过有限元方法建立了多个年龄段的股骨种植体模型，并就不同年龄条件下钛种植体在人体内的应力分布条件进行了研究，弥补了年龄因素在研究种植体应力分布影响的空缺。
2.现有技术在研究种植体的过程中，并未将多个年龄段条件下股骨对应的不同的应力条件和极限应变条件纳入对于种植体设计的过程中来。本专利在研究种植体应力分布的过程中，将不同年龄段条件下股骨松质骨与皮质骨对应的应力应变作为参照标准，从而判断不同结构的种植体是否可以满足患者在不同年龄段时的应力要求，完善了种植体的设计，丰富了在研究种植体时的判断准则。
3.现有技术在针对种植体屈服应力进行优化的时候，往往是通过整体更改种植体孔隙率的方法来调控局部应力集中。本专利在对种植体的屈服应力进行优化的时候，以可调的应力范围作为标准对种植体的结构进行优化，满足设计过程的目的性，同时，在优化的过程中，通过有针对性的调整局部孔隙率的方式实现对于目标区域的优化，符合设计过程的灵活性。
4.现有技术在研究钛种植体屈服应力的时候，未提出详细的孔隙率与屈服应力之间的关系。本专利通过将弹性模量与孔隙率之间的关系以及弹性模量与屈服应力之间的关系，将弹性模量作为中间变量，得出孔隙率与屈服应力之间的关系。
5.在研究年龄因素对于钛种植体的影响的过程中，本专利将年龄对于股骨几何尺寸的影响考虑其中，并应用于建立完善的股骨有限元模型，模拟了在现实条件下年龄对于股骨种植体的影响。
附图说明
图1为研究年龄因素对于钛种植体影响的流程示意图(本发明方法实现的流程图)；
图2为经过加载之后满足进入结构优化标准的钛种植体结构优化流程示意图；
图3为与股骨相连接的固定装置的结构示意图；
图4为钛种植体基台与基台螺钉的结构示意图；
图5为股骨骨干截面简易模型；
图6为站立状态针对股骨施加的载荷方向；
图7为动态加载步态载荷的幅值曲线；
图8为行走状态下种植体的受力方向；
具体实施方式
如图1所示，本实施方式所述的基于年龄因素对于钛种植体影响的结构优化方法的具体实现包含以下步骤：
S1.股骨种植体几何建模；
S2.初始年龄段有限元模型的建立；
S3.多年龄段股骨种植体有限元模型的建立；
S4.评价指标及钛种植体的结构优化。
在所述S1中，股骨种植体几何建模的具体过程还包括以下步骤：
S101.股骨几何模型的建立：
将包含股骨的CT图像进行阈值分割、区域增长、蒙版编辑操作，从而将对应的股骨区域划分出来，之后利用已经分割好的股骨的蒙板建立对应的股骨的三维模型，接着对已经建立的模型进行平滑操作使得所建立的股骨几何模型更加的精确；
S102.股骨几何模型的优化：
虽然在S101中已经建立了股骨的几何模型，且对模型进行了优化处理以及三角面片数量的缩减，但是，股骨几何模型上仍存在尖点和孔洞等瑕疵，因此，需要将已经建立的模型进行修补、平滑、提取轮廓线、构造栅格以及曲面拟合等处理以得到可以用于后续有限元建模的股骨几何模型；
S103.钛种植体几何模型的建立：
钛种植体主要由三部分组成：固定装置、基台、基台螺钉构成。首先建立初始的固定装置、基台、基台螺钉的三维模型，各零件的具体尺寸如下：固定装置整体长度为50mm，外螺纹用于与股骨进行连接，其整体长度为50mm，对应的大径为23.7mm，小径为22.8mm，螺纹牙距为2mm，固定装置的内螺纹用于和基台进行连接，其对应的长度为30mm，螺纹牙距为2mm，对应的大径为15.7mm，小径为14.8mm；基台长度为60mm，外螺纹的长度为28mm，基台螺钉的长度为15mm；接着对初始建立的固定装置三维模型进行修改，以建立固定装置内部的多孔结构，之后完成对于多孔固定装置、基台、基台螺钉的装配，建立初始的钛种植体几何模型。
S104.模型的装配：
将优化后的股骨几何模型与多孔种植体模型进行装配以得到初始年龄段的股骨种植体几何模型，并将此模型应用于后续多年龄段股骨种植体模型的构建。
在所述S2中，初始年龄段股骨种植体有限元模型建立的具体过程还包括以下步骤：
S201.初始年龄段股骨种植体模型的网格划分：
将建立好的初始年龄段的股骨种植体几何模型进行网格划分，其中，钛种植体中的固定装置、基台、基台螺钉以及对应股骨中的皮质骨以及松质骨皆采用8节点4面体单元进行划分。
S202.材料参数的确定：
建立的初始年龄段股骨钛种植体有限元模型的年龄为26岁，初始的股骨模型中皮质骨的密度为2000kg/m3，杨氏模量为16.6GPa，对应的泊松比是0.3，极限应力是133.2MPa，极限应变为3.39％，股骨松质骨的密度861.5kg/m3，杨氏模量为1.01GPa，对应的泊松比为0.3，极限应力为13.6MPa。极限应变为13.4％。钛种植体的初始孔隙率为40％，对应弹性模量为38.2GPa。
S203.载荷的构建：
在添加载荷的过程中，主要考虑两种状态，一种状态为静态受力，假设人体是双脚站立的状态，给钛种植体下端施加约束，使其3个方向上的位移以及三个方向上的旋转皆为0，并在生理状态下对股骨沿垂直方向加载力Fa来模仿患者的站立状态，其大小为500N；另一种状态为动态受力，假设人体是匀速行走状态，在此种状态下钛种植体受到三个方向的力，它们分别是沿种植体长轴方向的力FL，沿解剖学前后方向的力FAP，以及沿内外侧方向的力FML，用FR来表示三力的矢量和。力的施加通过定义行走状态下的幅值曲线来进行定义，并为股骨近端添加约束，使其位移为0。
在所述S3中，多年龄段股骨种植体有限元模型建立的具体过程为还包括以下步骤：
S301.多年龄段股骨种植体有限元模型的构建：
通过改变两个方面的参数来模拟患者年龄的变化对股骨的影响，第一个方面是：对应股骨的材料参数中的极限应力以及极限应变皆会随着时间发生变化；第二个方面是：骨髓腔的面积随着时间会发生变化；通过公式(1)和(2)模拟股骨皮质骨材料参数随年龄的变化，通过公式(3)和(4)来模拟股骨松质骨材料参数随年龄的变化，通过公式(6)中TA、MA、CA的变化来模拟年龄对于股骨尺寸参数的影响。其中，男性的骨干截面总面积TA每10年增加1.8％，髓腔面积MA每10年增加8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低1.6％；女性的骨干截面总面积TA每10年增加1.1％，髓腔面积MA每10年增加10.8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低5.9％。依据上面年龄对于各参数的影响调整对应的材料参数以及模型的尺寸参数即可以实现模拟多个年龄段下的股骨种植体模型进行后续的分析。由于随时间变化导致的骨整合的影响，此处假设固定装置与骨髓腔已进行完善的整合，即钛种植体的外螺纹区域与骨髓腔之间始终紧密连接，不随时间的变化产生间隙。
S302.载荷的构建：
在建立多个年龄段的股骨种植体有限元模型之后，对模型施加于初始年龄段相同的外部载荷进行分析，其中所受的外载荷与S203中所定义的载荷完全相同。
在所述S4中，评价指标及钛种植体的结构优化还包括以下步骤：
S401.评价指标：
指标1：钛种植体的额定载荷，人在行走的过程中，作用在种植体上的应力应小于其自身的强度，在钛种植体不发生破损时的最大的载荷可以对其承载能力可以作为评价其承载性能的标注：σi(F)＜Nσbi；其中的σi(F)为作用在钛种植体上的应力值，N代表的是安全系数，而σbi为钛种植体的屈服强度。
指标2：股骨种植体的应力遮挡率。在判断股骨上某一点的应力遮蔽程度的时候，通常用应力遮蔽率来进行判断，具体的公式是：η＝(1-σ/σ0)×100％。其中σ0表示在未安装钛种植体假肢前时，股骨上某一点对应的应力。σ表示在将种植体安装后股骨上同一点对应的应力。
S402.钛种植体的结构优化：
在针对钛种植体的结构进行优化的时候，首先将经过有限元计算后所得钛种植体上的应力的最大值与钛种植体的对应屈服应力值进行对比，当判断出σi(F)大于Nσbi时，可以根据所需要调整的屈服应力的数值σ来确定对应所要改变的孔隙率。在依据公式调整钛种植体的局部孔隙率的过程中，首先依据划定的待优化的应力区间搜索对应钛种植体内部符合条件的单元，在搜索出内部单元之后，删除对应单元内部的已建立的孔洞，之后读取单个待优化单元对应的体积，并依据公式(11)求解出来的孔隙率求解出对应单个单元内部孔隙的总体积，之后在待优化单元内部重新构建随机的孔洞，并计算孔洞的体积，保证孔洞的体积等于求解出来的用于优化局部应力的孔隙的体积，之后重新对于经过一次结构优化后的股骨种植体有限元模型进行计算，并重新分析钛种植体的应力分布情况，若钛种植体的局部应力仍不满足指标1的评价条件，则重新进入优化阶段继续进行优化；
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来书，本申请可以有各种更改与变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：所述方法的具体实现包含以下步骤：
S1.股骨种植体几何建模；
S2.初始年龄段有限元模型的建立；
S3.多年龄段股骨种植体有限元模型的建立；
S4.评价指标及钛种植体的结构优化。
2.一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S1中，还包含以下具体步骤：
S101.股骨几何模型的建立：
将包含股骨的CT图像进行阈值分割、区域增长、蒙版编辑操作，从而将对应的股骨区域划分出来，之后利用已经分割好的股骨的蒙板建立对应的股骨的三维模型，接着对已经建立的模型进行平滑操作使得所建立的股骨几何模型更加的精确；
S102.股骨几何模型的优化：
虽然在S101中已经建立了股骨的几何模型，且对模型进行了优化处理以及三角面片数量的缩减，但是，股骨几何模型上仍存在尖点和孔洞等瑕疵，因此，需要对已经建立的模型进行修补、平滑、提取轮廓线、构造栅格以及曲面拟合等处理以得到可以用于后续有限元建模的股骨几何模型；
S103.钛种植体几何模型的建立：
钛种植体主要由三部分组成：固定装置、基台、基台螺钉构成；首先建立初始的固定装置、基台、基台螺钉的三维模型，各零件的具体尺寸如下：固定装置整体长度为50mm，外螺纹用于与股骨进行连接，其整体长度为50mm，对应的大径为23.7mm，小径为22.8mm，螺纹牙距为2mm，固定装置的内螺纹用于和基台进行连接，其对应的长度为30mm，螺纹牙距为2mm，对应的大径为15.7mm，小径为14.8mm；基台长度为60mm，外螺纹的长度为28mm，基台螺钉的长度为15mm；接着对初始建立的固定装置三维模型进行修改，以建立固定装置内部的多孔结构，之后完成对于多孔固定装置、基台、基台螺钉的装配，建立初始的钛种植体几何模型；
S104.股骨种植体几何模型的装配与建立：
将优化后的股骨几何模型与多孔种植体模型进行装配以得到初始年龄段的股骨种植体几何模型，并将此模型应用于后续多年龄段股骨种植体模型的构建。
3.根据权利要求1所述的一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S2中，还包含以下具体步骤：
S201.将建立好的初始年龄段的股骨种植体几何模型进行网格划分操作，其中，钛种植体中的固定装置、基台、基台螺钉以及对应股骨中的皮质骨以及松质骨皆采用8节点4面体单元进行划分；
S202.材料参数的确定：
建立的初始年龄段股骨钛种植体有限元模型的年龄为26岁，初始的股骨模型中皮质骨的密度为2000kg/m3，杨氏模量为16.6GPa，对应的泊松比是0.3，极限应力是133.2MPa，极限应变为3.39％，股骨松质骨的密度861.5kg/m3，杨氏模量为1.01GPa，对应的泊松比为0.3，极限应力为13.6MPa；极限应变为13.4％；钛种植体的初始孔隙率为40％，对应弹性模量为38.2GPa；
S203.载荷的构建：
在添加载荷的过程中，主要考虑两种状态，一种状态为静态受力，假设人体是双脚站立的状态，给钛种植体下端施加约束，使其3个方向上的位移以及三个方向上的旋转皆为0，并在生理状态下对股骨沿垂直方向加载力Fa来模仿患者的站立状态，其大小为500N；另一种状态为动态受力，假设人体是匀速行走状态，在此种状态下钛种植体受到三个方向的力，它们分别是沿种植体长轴方向的力FL，沿解剖学前后方向的力FAP，以及沿内外侧方向的力FML，用FR来表示三力的矢量和。力的施加通过定义行走状态下的幅值曲线来进行定义，并为股骨近端添加约束，使其位移为0。
4.根据权利要求1所述的一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S3中，还包含以下具体步骤：(不要说应用对象的创新)
S301.多年龄段股骨种植体有限元模型的构建：
在构建多年龄段股骨种植体有限元模型的过程中，主要考虑的是股骨随年龄的变化；在患者年龄增长的过程中，患者年龄的变化对股骨的影响主要反映在两个方面，第一个方面是：对应股骨的材料参数中的极限应力以及极限应变皆会随着时间发生变化；第二个方面是：骨髓腔的面积随着时间会发生变化；
在第一个方面中，股骨皮质骨极限应力随年龄变化的关系式为：
Y＝130.8-0.52x (1)
其中，Y代表股骨皮质骨的极限应力，x代表患者的年龄；
股骨皮质骨极限应变随年龄变化的关系式为：
y＝4.23-0.033x (2)
其中，y代表股骨皮质骨的极限应变，x代表患者的年龄；
股骨松质骨极限应力随年龄变化的关系式为：
Y＝11.086+0.1612x-0.00248x2 (3)
在第二个方面中，股骨骨髓腔面积的变化主要是由三个参数的变化引起，它们分别是：骨干截面总面积TA，髓腔面积MA，皮质骨面积CA；其中骨干截面总面积的计算公式为：
其中，Dp为股骨外骨膜直径，TA为骨干截面总面积；
髓腔面积MA的计算公式为：
其中DM为股骨内骨膜直径，MA为股骨髓腔面积；
皮质骨面积CA的计算公式为：
CA＝TA-MA (6)
随着年龄变化，男性的骨干截面总面积TA每10年增加1.8％，髓腔面积MA每10年增加8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低1.6％；男性的骨干截面总面积TA每10年增加1.1％，髓腔面积MA每10年增加10.8％，而对应皮质骨面积CA每10年降低5.9％；
之后依据上面年龄对于各参数的影响调整对应的材料参数以及模型的尺寸参数即可以实现模拟多个年龄段下的股骨种植体模型进行后续的分析；由于随时间变化导致的骨整合的影响，此处假设固定装置与骨髓腔已进行完善的整合，即钛种植体的外螺纹区域与骨髓腔之间始终紧密连接，不随时间的变化产生间隙；
S302.载荷的构建：
在建立多个年龄段的股骨种植体有限元模型之后，对模型施加于初始年龄段相同的外部载荷进行分析，其中所受的外载荷与S203中所定义的载荷完全相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S4中，还包含以下具体步骤：
S401.评价指标：
指标1：钛种植体的额定载荷，人在行走的过程中，作用在种植体上的应力应小于其自身的强度，在钛种植体不发生破损时的最大的载荷可以对其承载能力可以作为评价其承载性能的标注：σi(F)＜Nσbi；其中的σi(F)为作用在钛种植体上的应力值，N代表的是安全系数，而σbi为钛种植体的屈服强度；
指标2：股骨种植体的应力遮挡率；在判断股骨上某一点的应力遮蔽程度的时候，通常用应力遮蔽率来进行判断，具体的公式是：η＝(1-σ/σ0)×100％；其中σ0表示在未安装钛种植体假肢前时，股骨上某一点对应的应力；σ表示在将种植体安装后股骨上同一点对应的应力，η为应力遮蔽率；
S402.钛种植体的结构优化：
在针对钛种植体的结构进行优化的时候，首先将经过有限元计算后所得钛种植体上的应力的最大值与钛种植体的对应屈服应力值进行对比，若对应的应力值σi(F)小于Nσbi，则种植体不需要进行优化，若对应区域的应力值σi(F)大于Nσbi，则依据所提出以下孔隙率与屈服应力公式，依据重新设定的屈服应力的值来有针对性的局部调整多孔种植体的孔隙率；其中，多孔钛种植体的孔隙率与其对应的屈服应力公式推导过程如下：
多孔钛的屈服应力与其密度之间的关系为：
其中σ为多孔钛的屈服应力，σs为纯钛的屈服应力，ρ为多孔钛的密度，ρs为纯钛的密度；
多孔钛的弹性模量与其密度之间的关系为：
其中，E为多孔钛的弹性模量，Es为纯钛的弹性模量，ρ为多孔钛的密度，ρs为纯钛的密度；
多孔钛弹性模量与孔隙率之间的关系为：
E＝0.01077×K2-2.148K+106.9 (9)
其中E为多孔钛的弹性模量，K为孔隙率；
由(7)、(8)、(9)式可得多孔钛的屈服应力与对应孔隙率之间的关系为：
其中，σs为纯钛的屈服应力，其值为480MPa，Es为纯钛弹性模量，其值为110GPa，将(9)式以及σs和Es的数值带入(4)式当中，可以得到以下多孔钛的孔隙率与屈服应力的表达式：
当判断出σi(F)大于Nσbi时，可以根据所需要调整的屈服应力的数值σ来确定对应所要改变的孔隙率；在依据公式调整钛种植体的局部孔隙率的过程中，首先依据划定的待优化的应力区间搜索对应钛种植体内部符合条件的单元，在搜索出内部单元之后，删除对应单元内部的已建立的孔洞，之后读取单个待优化单元对应的体积，并依据公式(11)求解出来的孔隙率求解出对应单个单元内部孔隙的总体积，之后在待优化单元内部重新构建随机的孔洞，并计算孔洞的体积，保证孔洞的体积等于求解出来的用于优化局部应力的孔隙的体积，之后重新对于经过一次结构优化后的股骨种植体有限元模型进行计算，并重新分析钛种植体的应力分布情况，若钛种植体的局部应力仍不满足指标1的评价条件，则重新进入优化阶段继续进行优化。
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