CN110840626A - 一种股骨柄假体的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种股骨柄假体的设计方法，涉及一种医疗器械技术领域，解决现有股骨柄假体采用高弹性模量的材料，导致与人体股骨弹性模量差距悬殊，造成不同程度的应力遮挡问题，同时制造工艺难以实现定制化及复杂内部结构的制造需求，不能实现个体化需求的高匹配性假体等问题，STL模型建立、模拟手术建立模型、有限元网格模型建立、模型材料属性的建立、边界条件建立、拓扑优化参数设定和将优化后的模型提取STL格式文件，在Inspire软件中进行光顺等去除棋盘格局的后处理。得到优化后的股骨柄模型。最终将优化后的假体由ti6al4v制成，采用电子束熔融技术，Arcam Q10 plus金属打印机完成制造。本发明的假体柄结构的设计方法，其一体成型，无需切割、拼接等加工，结构的生物相容性好。

Description

一种股骨柄假体的设计方法
技术领域
本发明涉及一种医疗器械技术领域，具体涉及一种股骨柄假体的设计方法。
背景技术
人工髋关节置换手术已成为治疗退行性关节炎、股骨头坏死等髋关节终末期疾病的成熟手段，目前临床上使用的人工髋关节假体包括骨水泥固定型假体和非骨水泥固定型假体。现有的髋关节股骨柄假体主要有：Ribbed解剖柄、CFP保留股骨颈短柄假体、S-ROM组配式假体柄、CORAIL柄、Synergy Porous柄等。目前股骨柄假体材料多为钛及钛合金、钴基合金、钽等金属及合金。尤其是钛合金，其具有密度低、比强度高、机械性能好、耐腐蚀和良好的生物相容性等特点，已经被广泛应用于医疗领域，其在人工植入物中也得到了一定的应用，髋关节置换术中股骨柄假体的设计尤为重要。各种类型假体都有根据患者情况选择不同的型号，以实现更好的匹配。目前，广泛应用于临床的各种假体大多采用金属传统制造工艺。具体存在以下几点问题：
1.股骨柄假体采用高弹性模量的金属或合金材料，与人体股骨弹性模量差距悬殊，这会造成不同程度的应力遮挡问题，以至于出现假体松动，假体周围骨折等一系列复杂的术后并发症，不得不选择术后翻修，为患者造成身心及经济的巨大损害。
2.传统的股骨柄假体为了骨长入采取了表面处理、深沟槽设计等方式增加骨长入的机会，缺乏生物力学依据。
3.传统的制造工艺难以实现定制化及复杂内部结构的制造需求，不能实现个体化需求的高匹配性假体。
4.传统的股骨柄假体缺少进行自身骨植入的空间。
发明内容
本发明为解决现有股骨柄假体采用高弹性模量的材料，导致与人体股骨弹性模量差距悬殊，造成不同程度的应力遮挡问题，同时制造工艺难以实现定制化及复杂内部结构的制造需求，不能实现个体化需求的高匹配性假体等问题，提供一种新型股骨柄假体的设计方法。
一种新型股骨柄假体的设计方法，该设计方法由以下步骤实现：
步骤一、采用UG软件建立Synergy porous假体的三维模型；选取真实的股骨的CT扫描数据，采用Mimics软件对所述股骨的CT扫描数据进行建模，获得股骨三维模型，并分别导出Synergy porous假体的三维模型及股骨三维模型的STL格式文件；
步骤二、对步骤一中股骨三维模型进行模拟手术，将股骨头切除，将步骤一中导出的STL格式的Synergy porous假体模型文件导入所述股骨三维模型的Mimics软件中，实现将股骨柄假体插入到股骨模型中，对股骨模型与假体模型进行布尔运算，即股骨模型减去假体模型，获得置换的股骨模型；
步骤三、建立有限元网格模型；将步骤一生成的假体模型与步骤二获得的置换的股骨模型分别传输至Hypermesh软件中，对股骨及假体进行网格划分，设置网格类型为四面体，假体与股骨网格尺寸为2mm；
步骤四、将步骤三中划分网格的股骨模型采用Mimics自带公式将股骨模型的灰度值与任意位置的密度和弹性模量分别对应，达到股骨模型非均质材料属性的建立，假体模型根据假体材料Ti6Al4V的属性进行赋值；
步骤五、建立边界条件，根据步态分析的结果，将动态的载荷简化为静态载荷，在步骤四所述的股骨模型中的股骨柄顶端及股骨大转子分别施加关节力与肌肉力，同时将股骨远端完全固定，设置活动度为0；
步骤六、设定拓扑优化参数，在Hypermesh软件中设置优化区域为股骨柄的中部，将股骨的远端及近端设置为冻结区域，创建体积约束，体分比为0.3，点击软件中的目标函数为刚度最大化，即应变能最小化；
将优化后的模型提取STL格式文件，在Inspire软件中进行光顺去除棋盘格局的后处理，获得优化后的股骨柄模型。
本发明的有益效果：本发明所述的设计方法是在Synergy Porous假体柄基础上，提供一种拓扑优化髋关节假体柄结构，旨在降低假体的应变能，减少应力屏蔽，延长假体寿命，同时拓扑优化后的假体柄为自身骨植入提供空间。
采用本发明方法设计的假体在制备过程中，可一体成型，无需切割、拼接等加工，结构的生物相容性好。
本发明通过对股骨柄假体的拓扑优化，通过约束假体的体积，优化目标为降低假体的应变能，通过迭代分析后，获得了体积及质量降低的，应变能最小的股骨柄假体。原本的实心假体优化为类似“桁架”结构的假体，即实现了减重，更好的生物力学分布。另外，本发明采用的多孔结构以支架结构组成，低弹性模量的多孔结构作为假体的表层结构，为骨细胞的再生提供了合适的微环境，其具有一定粗糙度的内外表面有利于细胞的黏附、增殖和分化，使植入体和骨组织能够形成机械绞锁加生物结合的稳固结构，最终融为一体，有效降低植入体的弹性模量的同时也能提供足够的强度，能够减轻或避免植入后与真骨组织界面产生的应力集中和应力遮蔽效应，提高了植入相容性。此外，多孔结构有很高的结构稳定性，各部位结构受力均匀，避免产生局部应力集中而造成长时间使用后的疲劳断裂，增加骨传导性与延长了植入体的寿命。
附图说明
图1为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法的流程图；
图2为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法中髋关节假体柄及股骨模型；
图3为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法中根据模拟手术进行股骨截骨及与假体的装配示意图；
图4为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法中股骨材料赋值的效果图；
图5为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法中建立髋关节假体柄边界条件的效果图；
图6为本发明所述的一种新型股骨柄假体的设计方法中髋关节假体柄假体优化及其后处理的效果图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，一种新型股骨柄假体的设计方法，具体为：
一、STL模型建立。结合图2，在Synergy Porous髋关节假体柄的结构基础上，利用UG软件对草图中的假体进行绘制后通过圆柱和圆锥的拉伸旋转等操作，完成初步的模型建立。对假体的棱体部位进行边倒圆操作，防止棱体对骨髓腔产生破坏，完成Synergy porous假体的三维模型。另选取一名身高178cm,体重70kg的志愿者进行股骨的CT扫描，根据CT数据，利用Mimics软件阈值分割(Thresholding)功能选择骨骼阈值设定(范围326-3071HU)及阈值生长分割(Region Growing)等功能将股骨建模。并分别导出STL格式的文件进行保存。
二、模拟手术建立模型。结合图3，在髋关节置换术中，医生需将股骨头切除使用球头替代股骨头，因此在股骨模型建立时要将股骨的股骨头切除。利用Cut功能将股骨头与股骨分离并删除，切线为大转子至小转子的环形，之后要模拟手术中股骨的扩髓及假体装入过程，对股骨与假体进行布尔运算处理得到匹配的置换模型。将STL格式的Synergy porous假体文件导入至已打开股骨模型的Mimics软件中，由于不同的软件建模坐标系不同，可通过移动及旋转功能进行股骨与假体的位置调整，假体近端高于大转子位置1-1.5mm。对股骨与假体模型进行布尔运算(Boolean)，即股骨模型减去假体模型得到置换的股骨模型。
三、有限元网格模型建立。结合图4，将生成的假体模型与股骨模型文件分别传输至Hypermesh软件中，假体与股骨的曲面较多，且配合时接触部位网格较精细。为了更好突出这些细节，应设置较小的网格尺寸，一般取1-3mm，本文选取2mm尺寸大小以保证精度。
四、模型材料属性的建立。骨模型利用MIMICS自带公式将股骨三维模型的HU度值与任意位置的密度和弹性模量分别对应，达到股骨模型非均质材料属性的建立，假体模型为均质赋值。
五、边界条件建立。结合图5，本实施方式中，边界条件根据步态分析的结果，将动态的载荷简化为静态载荷，在股骨柄顶端及股骨大转子分别施加关节力与肌肉力，同时将股骨远端完全固定，设置活动度为0。
六、拓扑优化参数设定。在Hypermesh软件中设置优化区域为股骨柄的中部，将远端及近端设置为冻结区域，创建体积约束，体分比为upper bound＝0.3，点击Objective>目标函数为刚度最大化(应变能最小化)。
七、将优化后的模型提取STL格式文件，在Inspire软件中进行光顺等去除棋盘格局的后处理。得到优化后的股骨柄模型。结合图6，为实现原模型的结构完整性，将优化后去掉的结构通过布尔运算得到，并将其用低弹性模量多孔结构代替。
本实施方式中，还包括拓扑优化假体的制造。最终将优化后的假体由ti6al4v制成，采用电子束熔融技术，Arcam Q10 plus金属打印机完成制造。

Claims (3)

1.一种股骨柄假体的设计方法，其特征是：该设计方法由以下步骤实现：
步骤一、采用UG软件建立Synergy porous假体的三维模型；选取真实的股骨的CT扫描数据，采用Mimics软件对所述股骨的CT扫描数据进行建模，获得股骨三维模型，并分别导出Synergy porous假体的三维模型及股骨三维模型的STL格式文件；
步骤二、对步骤一中股骨三维模型进行模拟手术，将股骨头切除，将步骤一中导出的STL格式的Synergy porous假体模型文件导入所述股骨三维模型的Mimics软件中，实现将股骨柄假体插入到股骨模型中，对股骨模型与假体模型进行布尔运算，即股骨模型减去假体模型，获得置换的股骨模型；
步骤三、建立有限元网格模型；将步骤一生成的假体模型与步骤二获得的置换的股骨模型分别传输至Hypermesh软件中，对股骨及假体进行网格划分，设置网格类型为四面体，假体与股骨网格尺寸为2mm；
步骤四、将步骤三中划分网格的股骨模型采用Mimics自带公式将股骨模型的灰度值与任意位置的密度和弹性模量分别对应，达到股骨模型非均质材料属性的建立，假体模型根据假体材料Ti6Al4V的属性进行赋值；
步骤五、建立边界条件，根据步态分析的结果，将动态的载荷简化为静态载荷，在步骤四所述的股骨模型中的股骨柄顶端及股骨大转子分别施加关节力与肌肉力，同时将股骨远端完全固定，设置活动度为0；
步骤六、设定拓扑优化参数，在Hypermesh软件中设置优化区域为股骨柄的中部，将股骨的远端及近端设置为冻结区域，创建体积约束，体分比为0.3，点击软件中的目标函数为刚度最大化，即应变能最小化；
将优化后的模型提取STL格式文件，在Inspire软件中进行光顺去除棋盘格局的后处理，获得优化后的股骨柄模型。
2.根据权利要求1所述的一种新型股骨柄假体的设计方法，其特征在于：将优化后去掉的结构通过布尔运算获得，并将所述去掉的结构采用低弹性模量多孔结构代替。
3.根据权利要求1所述的一种新型股骨柄假体的设计方法，其特征在于：还包括拓扑优化假体的制造；将优化后的假体由Ti6Al4V制成，采用电子束熔融技术，Arcam Q10 plus金属打印机完成制造。
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