CN111368399A - 一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法 - Google Patents

Abstract

一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，利用拓扑优化方法，在锁定接骨板的结构方面对内固定刚度进行定向调控，获得满足刚度个性化需求的锁定接骨板。具体通过如下步骤进行：(1)骨骼断层数据扫描和三维重建；(2)骨骼模型实体化；(3)初始接骨板的设计与内固定装配；(4)初始接骨板内固定的有限元分析；(5)刚度个性化接骨板的拓扑优化设计；(6)接骨板方案的提取与重设计，得到刚度个性化的接骨板定型设计。本发明的锁定接骨板刚度个性化设计获取方法能够得到与个体适应刚度的锁定接骨板。

Description

一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法。

背景技术

随着对骨折愈合认识的加深，人们开始重视愈合过程中的生物学特性，学者们开始主张遵循生物学固定的原则来对骨折进行治疗。其理念中对于生物力学因素考虑，主要是通过弹性固定来增加骨折区域微动的水平，并转化为骨痂的应变刺激，从而促使骨痂组织的分化和生长，进而在后期以骨痂矿化塑形的形式重构骨组织的连续性。由于二期愈合后期骨痂的塑形和重建相比一期愈合具有更高的修复强度，除了关节内骨折以外，二期愈合被更多地认为是骨折愈合的最佳形式。为此，生物学固定原则从理论、技术方面为骨折的治疗带来了更多的选择，而锁定接骨板技术正是其应用的典型例子。

锁定接骨板是骨折治疗过程中使用的一个重要的医疗器械。随着锁定接骨板技术的普及应用，在骨折治疗的过程中存在的问题也逐步突显出来，植入物断裂失效、骨不连、螺钉切割等问题也同样出现在骨折的锁定接骨板的应用过程中。

锁定接骨板的刚度匹配实际使用情形，是对锁定接骨板提出的更高的要求。

为了达到理想的固定效果，不少学者针对锁定接骨板的固有特性进行了改良。在材料学方面，选用与人体骨骼弹性模量更为接近的医用材料来制造内固定植入物，可有效解决金属材料和骨骼材料之间的弹性模量不匹配的问题，从而降低骨折内固定的应力遮挡效应。然而，考虑到材料的制备性、力学特性和生物相容性等因素，符合应用需求的可选材料极其有限，目前为止尚无理想的解决方案。在接骨板的应用技术方面，不少学者提出了“长接骨板、少螺钉”的应用原则以降低锁定接骨板的结构刚度，这在一定程度上降低了植入物的断裂失效风险并促进了骨痂的微动刺激。然而这一技术在实际应用过程中难以进行实际操作，仅仅是指导理念，因此存在着一定的骨折固定失稳的风险。

因此，针对现有技术不足，提供一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法以克服现有技术不足甚为必要。

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锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，该锁定接骨板刚度个性化设计获取方法能够得到与个体适应刚度的锁定接骨板。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，利用拓扑优化方法，在锁定接骨板的结构方面对内固定刚度进行定向调控，获得满足刚度个性化需求的锁定接骨板。

优选的，上述的锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，通过如下步骤进行：

(1)骨骼断层数据扫描和三维重建

根据拟设计的接骨板对应的骨骼，采集相应部位骨骼的CT薄层扫描数据，以DICOM图像数据格式导出，在三维建模软件中对图像完成分割和三维重建，得到三维骨骼模型，保存为STL文件格式；

(2)骨骼模型实体化

将步骤(1)获得的STL文件格式的三维骨骼模型在逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造骨骼外轮廓的NURBS曲面片，最终把曲面模型拟合为实体模型；

(3)初始接骨板的设计与内固定装配

在计算机辅助设计软件中，导入三维骨骼的实体模型，采用布尔操作建立骨折缺损模型，进一步以此为参照，完成未优化接骨板的初步设计，作为优化设计的母版，同时根据骨科手术规范，添加相应数量的螺钉模型以完成骨折内固定仿真建模，得到内固定模型；

(4)初始接骨板内固定的有限元分析

将上述步骤(3)构建的内固定模型导入有限元分析软件中进行前处理，提交至有限元求解器求解，获得初始有限元分析结果，包括载荷条件F下特定节点的位移D₀，由此计算得到初始刚度R₀＝F/D₀；

(5)刚度个性化接骨板的拓扑优化设计：

根据步骤(4)的初始刚度R₀，定义个性化目标刚度R₁，换算得到位移限值D₁＝R₁*F；

在拓扑优化过程中，选择接骨板非钉孔范围内的单元集合作为设计区域，该区域体积为V，定义目标函数为最小化设计区域体积min(V)，以模型同样节点的位移限值D₁作为约束条件，通过变密度算法完成拓扑优化迭代运算过程，获得满足目标刚度的结构设计方案；

(6)接骨板方案的提取与重设计：

在优化后处理中对上述步骤(5)中的优化结果进行输出，以STL文件格式导入计算机辅助设计软件中进行接骨板的重设计，得到刚度个性化的接骨板定型设计。

本发明的锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，利用拓扑优化方法，在锁定接骨板的结构方面对内固定刚度进行定向调控，获得满足刚度个性化需求的锁定接骨板。本技术基于连续体拓扑优化方法，提出了一种从内固定接骨板结构层面来实现的个体化刚度调控策略，具有以下优势：①结构刚度层面的调控并不受限于可选材料特性的限制，可在现有的生物力学特性各异的生物材料基础上进一步实现内固定刚度调控的精细化；②结构设计层面的刚度调控具有较强的定向性，可满足不同载荷方向和幅值等复杂工况条件下的刚度定向调控需求，有效克服了材料层面整体式调控的局限性；③连续体的拓扑优化可产生具有良好连续性的优化结果方案，有利于提高刚度调控的准确性，而优化过程所遵循的材料分布等强度原则可有效提高接骨板结构的疲劳强度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法的流程图；

附图2是桡骨远端骨折模型建模及接骨板螺钉装配示意图；

附图3是桡骨远端骨折-锁定接骨板有限元模型的载荷工况设置示意图；

附图4是局部坐标系和骨折远端外轮廓节点路径的定义示意图；

附图5是拓扑优化流程及参数设置示意图；

附图6是优化前后接骨板模型形态学对比效果图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，利用拓扑优化方法，在锁定接骨板的结构方面对内固定刚度进行定向调控，获得满足刚度个性化需求的锁定接骨板。

具体的，该锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，通过如下步骤进行：

(1)骨骼断层数据扫描和三维重建

根据拟设计的接骨板对应的骨骼，采集相应部位骨骼的CT薄层扫描数据，以DICOM图像数据格式导出，在三维建模软件中对图像完成分割和三维重建，得到三维骨骼模型，保存为STL文件格式；

(2)骨骼模型实体化

将步骤(1)获得的STL文件格式的三维骨骼模型在逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造骨骼外轮廓的NURBS曲面片，最终把曲面模型拟合为实体模型；

(3)初始接骨板的设计与内固定装配

在计算机辅助设计软件中，导入三维骨骼的实体模型，采用布尔操作建立骨折缺损模型，进一步以此为参照，完成未优化接骨板的初步设计，作为优化设计的母版，同时根据骨科手术规范，添加相应数量的螺钉模型以完成骨折内固定仿真建模，得到内固定模型；

(4)初始接骨板内固定的有限元分析：

将上述步骤(3)构建的内固定模型导入有限元分析软件中进行前处理，提交至有限元求解器求解，获得初始有限元分析结果，包括载荷条件F下特定节点的位移D₀，由此计算得到初始刚度R₀＝F/D₀；

(5)刚度个性化接骨板的拓扑优化设计：

根据步骤(4)的初始刚度R₀，定义个性化目标刚度R₁，换算得到位移限值D₁＝R₁*F；

在拓扑优化过程中，选择接骨板非钉孔范围内的单元集合作为设计区域，该区域体积为V，定义目标函数为最小化设计区域体积min(V)，以模型同样节点的位移限值D₁作为约束条件，通过变密度算法完成拓扑优化迭代运算过程，获得满足目标刚度的结构设计方案；

(6)接骨板方案的提取与重设计：

在优化后处理中对上述步骤(5)中的优化结果进行输出，以STL文件格式导入计算机辅助设计软件中进行接骨板的重设计，得到刚度个性化的接骨板定型设计。

本技术基于连续体拓扑优化方法，提出了一种从内固定接骨板结构层面来实现的个体化刚度调控策略，具有以下优势：①结构刚度层面的调控并不受限于可选材料特性的限制，可在现有的生物力学特性各异的生物材料基础上进一步实现内固定刚度调控的精细化；②结构设计层面的刚度调控具有较强的定向性，可满足不同载荷方向和幅值等复杂工况条件下的刚度定向调控需求，有效克服了材料层面整体式调控的局限性；③连续体的拓扑优化可产生具有良好连续性的优化结果方案，有利于提高刚度调控的准确性，而优化过程所遵循的材料分布等强度原则可有效提高接骨板结构的疲劳强度。

本发明通过拓扑优化技术智能化特性与有限元法相结合，使内固定接骨板的设计周期大大缩短。能够遵循生物力学个体化原则而定制设计得到适用于个性化的接骨板，所得到的接骨板刚度性能较佳。

实施例2。

本专利以桡骨远端骨折为例，对本发明的方法进行说明。本实施例采用拓扑优化方法中基于位移约束的刚度调控策略，以传统锁定钢板为优化原型，获得了满足特定刚度需求的改良设计，从而实现了刚度可控的个体化锁定接骨板。

图1是本实施例的流程图，具体过程如下：

(1)桡骨远端骨折模型三维重建及接骨板螺钉装配

采集人体上肢的CT薄层扫描数据，以DICOM格式导出至三维重建软件完成初步重建。对模型进行表面化处理后导入CAD软件中进行桡骨远端骨折造模，并通过调整接骨板和螺钉的方位，完成桡骨远端骨折-接骨板螺钉装配，如图2所示。

(2)有限元仿真前处理及初步分析

将(1)中桡骨远端骨折模型以及接骨板螺钉模型导入通用有限元分析软件中，进行材料属性赋值、网格划分、载荷工况设置。如图3所示，选取桡骨远端关节面沿力线施加相应的轴向载荷100N和扭转载荷1N/m，完全约束桡骨近端截骨面以远25mm范围内的单元节点6个自由度。完成有限元建模前处理后，提交求解器分析后，提取相应的初始分析结果。

(3)内固定模型局部坐标系和骨折远端外轮廓节点路径的定义

本实施例中，主要针对接骨板内固定作用下的轴向压缩刚度和扭转刚度进行调控，从而使得优化钢板可有针对性的控制骨痂区的轴向应变和切向应变。为此，构建了针对骨痂区的相应局部坐标系以便于在有限元分析后处理中对骨痂区节点的位移数据进行提取。如图4所示，沿力线和骨折区近侧截骨平面定义的局部坐标系，X轴向的节点位移对应轴向应变，而Y和Z轴向合位移则对应切向应变，选取骨折远端外轮廓路径节点位移定量评估不同钢板在2组工况条件下的骨痂区产生的应变。

(4)基于位移约束的刚度调控拓扑优化设置

参照初始化分析结果，定义刚度优化的目标为在轴向刚度下调幅度最大不超过33.33％，同时保留原有扭转刚度的90％以上。制定拓扑优化策略如图5所示：①优化区域：选择骨折区域对应的常规钢板颈部区域，位于远侧和近侧螺钉之间；②冻结区域：选取钢板钉孔附近2层单元作为非优化冻结区域；③目标函数：设计区域的体积最小化；④设计响应：优化区域体积VOLUME、轴向位移U和节点转动位移UR；⑤约束条件：轴向压缩工况下的载荷作用节点轴向位移U和扭转工况下的转动位移UR不超过既定的限值范围；⑥优化算法：变密度法。

(5)优化方案提取及CAD再设计

完成步骤(4)的设定后，提交模型至件进行优化迭代计算。最终，将优化结果导入CAD软件进行重设计，提取迭代优化下接骨板形态变化比较如图6所示。

既往骨折治疗过程中不同内固定方式的生物力学比较，多采用分别位于骨折远、近端节点的相对位移来定量描述骨折的稳定性，以此代表骨折区域的骨折间隙应变水平。然而，单一节点对的相对位移无法全面反映因复杂载荷作用下所产生的骨折间隙应变水平，更无法进行有效地分类定量。对此，本专利定义局部坐标系以界定骨折间隙应变在不同方向上的分量定量效果，从而通过位移约束优化接骨板刚度改良设计，间接性地实现对骨痂区域应变水平个体化精准调控。

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，可以对本发明的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 (2)

1.一种锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，其特征在于，利用拓扑优化方法，在锁定接骨板的结构方面对内固定刚度进行定向调控，获得满足刚度个性化需求的锁定接骨板。

2.根据权利要求1所述的锁定接骨板刚度个性化设计获取方法，其特征在于，通过如下步骤进行：

(1)骨骼断层数据扫描和三维重建

根据拟设计的接骨板对应的骨骼，采集相应部位骨骼的CT薄层扫描数据，以DICOM图像数据格式导出，在三维建模软件中对图像完成分割和三维重建，得到三维骨骼模型，保存为STL文件格式；

(2)骨骼模型实体化

将步骤(1)获得的STL文件格式的三维骨骼模型在逆向工程软件中进行模型表面修饰处理，并构造骨骼外轮廓的NURBS曲面片，最终把曲面模型拟合为实体模型；

(3)初始接骨板的设计与内固定装配

在计算机辅助设计软件中，导入三维骨骼的实体模型，采用布尔操作建立骨折缺损模型，进一步以此为参照，完成未优化接骨板的初步设计，作为优化设计的母版，同时根据骨科手术规范，添加相应数量的螺钉模型以完成骨折内固定仿真建模，得到内固定模型；

(4)初始接骨板内固定的有限元分析：

将上述步骤(3)构建的内固定模型导入有限元分析软件中进行前处理，提交至有限元求解器求解，获得初始有限元分析结果，包括载荷条件F下特定节点的位移D₀，由此计算得到初始刚度R₀＝F/D₀；

(5)刚度个性化接骨板的拓扑优化设计：

根据步骤(4)的初始刚度R₀，定义个性化目标刚度R₁，换算得到位移限值D₁＝R₁*F；

在拓扑优化过程中，选择接骨板非钉孔范围内的单元集合作为设计区域，该区域体积为V，定义目标函数为最小化设计区域体积min(V)，以模型同样节点的位移限值D₁作为约束条件，通过变密度算法完成拓扑优化迭代运算过程，获得满足目标刚度的结构设计方案；

(6)接骨板方案的提取与重设计：

在优化后处理中对上述步骤(5)中的优化结果进行输出，以STL文件格式导入计算机辅助设计软件中进行接骨板的重设计，得到刚度个性化的接骨板定型设计。

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