CN112075989A - 一种正多面体多孔填充结构跟骨假体及其优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正多面体多孔填充结构跟骨假体设计方法，具体包括以下步骤：步骤S1，建立由跟骨、软组织、地面组成的系统模型；步骤S2，对跟骨模型进行多孔结构建模，获得含正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；步骤S3，分别制定不同正多面体半径r以及阵列间距d的组合，获得多个正多面体多孔填充结构跟骨假体模型；步骤S4，将分别由跟骨假体与软组织、地面组成的多个模型在ABAQUS中进行有限元分析，获得这些跟骨假体的应变能、应力、位移等数据；步骤S5，对比不同孔隙率的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移等数据，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构。本发明还提供了一种正多面体多孔填充结构跟骨假体。
Description
技术领域
本发明涉及一种优化设计方法，具体涉及一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法。
背景技术
跟骨是足部中最大的承载性跗骨，因此也极易受到损伤。常见的跟骨损伤形式包括跟骨骨折，而目前对于跟骨骨折的治疗主要有两种方式，即手术治疗和非手术治疗。其中手术治疗主要包括：切开复位内固定手术、基于增材制造技术的跟骨假体置换手术。对于跟骨假体置换手术，目前很难通过实验的方法去获得跟骨假体在足部运动过程中的相关力学性能并完成跟骨假体的设计。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是通过有限元数值模拟的方法来模拟跟骨假体在足部运动过程中的相关力学性能，并通过对跟骨假体正多面体多孔填充结构挖孔的方法优化设计跟骨假体结构。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,包括：
步骤S1，创建由跟骨、软组织、地面组成的多个跟骨假体模型；
步骤S2，对多个跟骨模型进行多孔结构建模，在跟骨区分别建立多种不同正多面体多孔结构模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；
步骤S3，分别对多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型设置不同的假体材料属性，以获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型；
步骤S4，将所述多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型在ABAQUS中进行有限元分析，获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的应变能、应力和位移；
步骤S5，对比多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构。
在一较佳实施例中：所述步骤S1具体包括：
步骤S11：利用CT扫描技术，获得足部的CT扫描数据；
步骤S12：将足部CT扫描数据导入医学软件MIMICS中，通过相应地蒙板提取、阈值分割、区域增长、蒙板编辑、3D计算操作，建立起粗糙的跟骨实体模型；
步骤S13：在Geomagic Studio中通过多边形处理、构造曲面、细化曲面、光顺处理的操作，建立光顺的跟骨模型；
步骤S14：将跟骨模型导入UG中，并在UG中建立软组织、地面模型，最后将三者装配在一起。
在一较佳实施例中：所述步骤S2具体包括：
步骤S21：在UG中设定跟骨区域；
步骤S22：选定跟骨区域作为多孔结构填充区域，并在此区域建立多种不同正多面体阵列多孔填充模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；
所述正多面体阵列多孔填充模型的建立规则是以边长为a的球体模型，并将其以间距d进行阵列，多种不同正多面体阵列多孔填充模型的正多面体的边长数。
在一较佳实施例中：所述步骤S3具体包括：
步骤S31：分别制定多组正多面体边长a与阵列间距d的组合；
步骤S32：重复执行步骤2，使得每一种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型分别具有一组不同孔隙率、相同孔状类型的正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型。
在一较佳实施例中：所述步骤S4具体包括：
步骤S41：将多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型导入到ABAQUS中，在ABAQUS中进行材料属性赋予、网格划分及接触设置；
步骤S42：设置跟骨假体模型的边界条件与载荷施加，模拟足部着地过程，并进行动力学分析；
步骤S43：分析完成后，导出跟骨假体模型的应变能、应力及位移数据。
在一较佳实施例中：所述步骤S5具体包括：
步骤S51：获得各个骨假体模型的最大应变能、最大应力及最大位移数据；
步骤S52：分别将多个不同孔隙率的球体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移进行对比，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构。
本发明还提供了一种正多面体多孔填充结构跟骨假体，包括跟骨假体和填充在跟骨假体中的空心正多面体阵列。
在一较佳实施例中：所述正多面体阵列的孔隙率为0.4％，所述正多面体为正八面体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)含多孔结构的跟骨假体能够有效降低跟骨假体的应力遮挡效应；
2)含不同孔隙率正多面体多孔填充结构的跟骨假体结构，并利用ABAQUS进行了动力学分析，获得了跟骨假体的最大应变能、最大应力、最大位移。
3)通过对比多个不同孔隙率及空间分布的正多面体多孔填充结构跟骨假体的最大应变能、最大应力、最大位移，获得了最优的跟骨假体优化结构。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为最优多孔结构跟骨假体模型图；
图3为本发明优选实施例中跟骨、软组织、地面组成的跟骨假体模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1-图3，一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法，包括：
步骤S1，创建由跟骨、软组织、地面组成的多个系统模型，具体包括：
步骤S11：利用CT扫描技术，获得足部的CT扫描数据；
具体的，本发明中的CT扫描数据取自一名志愿者，男性，体重58kg；
步骤S12：将足部CT扫描数据导入医学软件MIMICS中，通过相应地蒙板提取、阈值分割、区域增长、蒙板编辑、3D计算等操作，建立起粗糙的跟骨实体模型；
步骤S13：在Geomagic Studio中采用多边形处理、构造曲面、细化曲面、光顺处理等操作，建立光顺的跟骨模型；
步骤S14：将跟骨模型导入UG中，并在UG中建立软组织、地面模型，最后将三者装配在一起。
步骤S2，对多个跟骨模型进行多孔结构建模，在跟骨区分别建立多种不同正多面体多孔结构模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；具体包括：
步骤S21：在UG中设定跟骨区域；
步骤S22：选定跟骨区域作为多孔结构填充区域，并在此区域建立多种不同正多面体阵列多孔填充模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；
所述正多面体阵列多孔填充模型的建立规则是以边长为a的球体模型，并将其以间距d进行阵列，多种不同正多面体阵列多孔填充模型的正多面体的边长数。本实施例中正多面体为三种，分别为正四面体、正六面体和正八面体。
步骤S3，分别对多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型设置不同的参数，以获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型；具体包括：
步骤S31：分别制定多组正多面体边长a与阵列间距d的组合；
步骤S32：重复执行步骤2，使得每一种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型分别具有一组不同孔隙率、相同孔状类型的正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型。
步骤S4，将所述多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型在ABAQUS中进行有限元分析，获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的应变能、应力和位移；具体包括：
步骤S41：将多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型导入到ABAQUS中，在ABAQUS中进行材料属性赋予、网格划分及接触设置；
具体的，对跟骨的密度设置为1500kg/m3，弹性模量设置为7300MPa，泊松比设置为0.3；对软组织的密度设置为937kg/m3，弹性模量设置为0.45MPa，泊松比设置为0.48；对地面的密度设置为2500kg/m3，弹性模量设置为17000MPa，泊松比设置为0.1。软组织与地面设置为面面接触，摩擦因数为0.6；跟骨假体与软组织为Tie接触。系统模型中的接触关系。
步骤S42：设置跟骨假体模型的边界条件与载荷施加，模拟足部着地过程，并进行动力学分析；
具体的，地面底部设置为固定约束；跟骨与软组织模拟足部运动过程，初速度设置为与地面接触之前x轴方向速度为1650mm/s，z轴方向速度为-230mm/s。创建距跟、跟骰、跖跟节点集用于施加载荷，且按时间变化x轴、y轴、z轴的载荷分布如下表。
步骤S43：分析完成后，导出跟骨假体模型的应变能、应力及位移数据。
步骤S5，对比不同孔隙率的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移等数据，获得最优的跟骨假体结构，具体包括：
步骤S51：获得各跟骨假体模型的最大应变能、最大应力及最大位移数据；
步骤S52：分别将不同孔隙率的正多面体多孔填充结构跟骨假体的最大应变能、最大应力、最大位移进行对比，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构，即当所述正多面体阵列的孔隙率为0.4％时的正八面体多孔填充结构跟骨假体。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于包括：
步骤S1，创建由跟骨、软组织、地面组成的多个跟骨假体模型；
步骤S2，对多个跟骨模型进行多孔结构建模，在跟骨区分别建立多种不同正多面体多孔结构模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；
步骤S3，分别对多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型设置不同的假体材料属性，以获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型；
步骤S4，将所述多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型在ABAQUS中进行有限元分析，获得多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的应变能、应力和位移；
步骤S5，对比多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构。
2.根据权利要求1所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于：所述步骤S1具体包括：
步骤S11：利用CT扫描技术，获得足部的CT扫描数据；
步骤S12：将足部CT扫描数据导入医学软件MIMICS中，通过相应地蒙板提取、阈值分割、区域增长、蒙板编辑、3D计算操作，建立跟骨实体模型；
步骤S13：在Geomagic Studio中通过多边形处理、构造曲面、细化曲面、光顺处理的操作，建立光顺的跟骨模型；
步骤S14：将跟骨模型导入UG中，并在UG中建立软组织、地面模型，最后将三者装配在一起。
3.根据权利要求1所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于：所述步骤S2具体包括：
步骤S21：在UG中设定跟骨区域；
步骤S22：选定跟骨区域作为多孔结构填充区域，并在此区域建立多种不同正多面体阵列多孔填充模型，获得多种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型；
所述正多面体阵列多孔填充模型的建立规则是以边长为a的球体模型，并将其以间距d进行阵列，多种不同正多面体阵列多孔填充模型的正多面体的边长数。
4.根据权利要求1所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于：所述步骤S3具体包括：
步骤S31：分别制定多组正多面体边长a与阵列间距d的组合；
步骤S32：重复执行步骤2，使得每一种正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型分别具有一组不同孔隙率、相同孔状类型的正多面体多孔填充结构的跟骨假体模型。
5.根据权利要求1所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于：所述步骤S4具体包括：
步骤S41：将多组不同孔隙率、相同孔类型的正多面体多孔填充结构跟骨假体模型导入到ABAQUS中，在ABAQUS中进行材料属性赋予、网格划分及接触设置；
步骤S42：设置跟骨假体模型的边界条件与载荷施加，模拟足部着地过程，并进行动力学分析；
步骤S43：分析完成后，导出跟骨假体模型的应变能、应力及位移数据。
6.根据权利要求1所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体优化设计方法,其特征在于：所述步骤S5具体包括：
步骤S51：获得各个骨假体模型的最大应变能、最大应力及最大位移数据；
步骤S52：分别将多个不同孔隙率的球体多孔填充结构跟骨假体模型的最大应变能、最大应力、最大位移进行对比，获得最优的正多面体多孔填充结构跟骨假体优化结构。
7.一种正多面体多孔填充结构跟骨假体，其特征在于包括跟骨假体和填充在跟骨假体中的空心正多面体阵列。
8.根据权利要求7所述的一种正多面体多孔填充结构跟骨假体，其特征在于：所述正多面体阵列的孔隙率为0.4％，所述正多面体为正八面体。
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