CN113326588B - 一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，具有内部连通多孔结构，宏观上满足植入部位力学需求，微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨弹性模量分布，设计方法包括步骤有：获得骨科植入物的宏观外形数据；使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现其参数化；建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库；使用结构刚度‑结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物的结构设计；开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型。

Description

一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法。
背景技术
近十年来，随着人类社会不断向老龄化发展，骨科医用器械的需求在迅速增加，我国在这一领域的研究也正在快速推进。而骨科植入物作为骨科器械中最重要的门类，也逐渐受到科研人员越来越多的关注：患者的骨缺损通常由于创伤、关节翻修或肿瘤切除引起，在不借助骨植入的情况下难以自我修复，而如何设计出临床治愈效果好而又无副作用的骨植入物成为了骨科临床常见和棘手的问题。
传统的骨植入物设计方法已经能够满足临床应用的一些要求，但仍存在一些不足。第一，传统骨植入物往往使用简单的实心或空心结构，这意味着骨植入物将表现出均一的、且一般高于原生物骨的弹性模量，这种设计虽然满足了植入部位宏观的力学要求，但由于植入物的弹性模量高于原生物骨，将会产生应力遮挡效应，植入后原本生物体中骨组织将因得不到足够的应力刺激而发生骨质疏松。传统骨植入物设计方法可以在一定程度上满足个性化定制的设计需求，但少有针对各种复杂外形和精度要求的统一的解决方案。
综上所述，如何实现在宏观上满足植入物个性化的外形需求以及植入位置的力学需求，同时在微观上利用多孔结构保证植入物的弹性模量分布符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，其特征在于，所述设计方法设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，同时具有内部连通的多孔结构，在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，所述设计方法包括以下步骤：
S1)通过待植入部位的医学影像获得可降解金属骨科植入物的宏观外形数据；
S2)使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现三重周期极小曲面结构的参数化；
S3)建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库；
S4)使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物的结构设计；
S5)开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；
S6)开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型。
优选的，实现三重周期极小曲面结构的参数化，具体为：包括微观单元边长a，每个单元的相对密度由形状参数c决定，则可由单元结构参数c(x,y,z)的空间矩阵表示单元相对密度ρ(x,y,z)空间分布，(x,y,z)∈Ω，Ω为植入物宏观外形定义的空间区域。
优选的，步骤S3中，建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库，具体为：基于 Gibson-Ashby的泡沫金属弹性模量与内部相对密度的模型，建立待用材料结构刚度Ex和孔隙单元实际刚度E的经验公式：E＝Ex*ρ(x,y,z)n；
通过有限元或实验的方法计算或测得待用材料和对应三重周期极小曲面结构的弹性模量 E随相对密度ρ变化的多个数据点，通过数据拟合的方式得出上述经验公式的n值；
结合单元结构参数c(x,y,z)与相对密度ρ(x,y,z)的映射关系，获得单元结构参数c(x,y,z)对应的实际刚度E(x,y,z)的对应方法，针对不同的结构刚度，按对应关系寻找到与之对应的结构参数，将相关数据汇总并建立成为一个数据库。
优选的，步骤S4中，使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物结构设计，具体为：根据生物骨中某一位置处的刚度，应用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库找到该刚度对应的结构参数，并将该结构参数的值设定为骨植入物中相应位置的结构参数。
优选的，步骤S4中，生物骨中某一位置处的刚度通过实验测定结合CT骨密度影像分析得到。
优选的，步骤S5中，开发结构单元间连接和过渡的设计方法，具体为：通过拼接的手段将相邻结构单元连接并组成一个整体，实现方法为：依次在空间的三个维度上进行拼接操作，首先将各个单元在第一维度上按空间先后顺序拼接，形成由若干单元组成的直线状结构，随后再将拼接好的各直线结构在第二维度上拼接为平面状结构，最终将拼接好的各面状结构在第三维度上拼接为三维植入物结构；
通过对结构单元参数进行线性插值的手段使单元间完成平滑过渡，实现方法为：将每个结构单元像素化分块为m3个微观单元，其中，m为单轴单元个数，寻找并获取与结构单元在空间上上下左右前后以及棱上和角上的共26个结构单元的相对密度ρ值，设定结构单元内部过渡区块层数k,其中，k<m/2-1，结合空间位置关系对结构单元的相对密度ρ0以及与之相邻结构单元的相对密度ρ之间进行k次线性插值，将所得插值的相对密度赋予结构单元靠外侧的k 层的相对密度ρ，并通过结构参数c实现。
优选的，步骤S6中，满足生物骨多样化外形需求的设计方法，具体为：根据植入物实际制造技术能实现的精度以及所得生物骨刚度分布的精度，设定骨植入物三维模型的微观单元边长a；使用步骤S3建立符合生物骨刚度分布的骨植入物结构，生成三维三角面片模型，并转化为实体模型；用待植入部位的宏观外形建立生物骨外形的三维三角面片模型，并转化为实体模型；对上述两实体模型取交集，最终得到在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨弹性模量分布的骨植入物模型。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)根据本发明所涉及方法设计出的植入物能够在宏观上满足植入物个性化的外形需求以及植入位置的力学需求，同时在微观上利用以三重周期极小曲面为结构单元多孔结构保证植入物的弹性模量分布符合所植入部位原生骨的弹性模量分布；
2)本发明建立并使用了一套结构单元参数与结构刚度的对应方法及数据库；
3)本发明开发并使用了一种结构单元间连接和过渡的设计方法；
4)本发明开发并使用了一种满足生物骨多样化外形需求的设计方法。
附图说明
图1为本发明的优选实施例最终设计出的骨植入物三维模型示意图；
图2为本发明的优选实施例中TPMS的gyroid单元在空间中8个单元拼接后的三维模型示意图；
图3为本发明的优选实施例中内部单元过渡示意矩阵示意图；
图4为本发明的优选实施例中符合植入部位弹性模量分布的髌骨多孔骨植入物模型示意图；
图5为本发明的优选实施例中植入物宏观外形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例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。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，其特征在于，所述设计方法设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，同时具有内部连通的多孔结构，在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，所述设计方法包括以下步骤：
S1)通过待植入部位的医学影像获得可降解金属骨科植入物的宏观外形数据；
S2)使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现三重周期极小曲面结构的参数化；
S3)建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库；
S4)使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物的结构设计；
S5)开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；
S6)开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型。
优选的，实现三重周期极小曲面结构的参数化，具体为：包括微观单元边长a，每个单元的相对密度由形状参数c决定，则可由单元结构参数c(x,y,z)的空间矩阵表示单元相对密度ρ(x,y,z)空间分布，(x,y,z)∈Ω，Ω为植入物宏观外形定义的空间区域。
优选的，步骤S3中，建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库，具体为：基于 Gibson-Ashby的泡沫金属弹性模量与内部相对密度的模型，建立待用材料结构刚度Ex和孔隙单元实际刚度E的经验公式：E＝Ex*ρ(x,y,z)n；
通过有限元或实验的方法计算或测得待用材料和对应三重周期极小曲面结构的弹性模量 E随相对密度ρ变化的多个数据点，通过数据拟合的方式得出上述经验公式的n值；
结合单元结构参数c(x,y,z)与相对密度ρ(x,y,z)的映射关系，获得单元结构参数c(x,y,z)对应的实际刚度E(x,y,z)的对应方法，针对不同的结构刚度，按对应关系寻找到与之对应的结构参数，将相关数据汇总并建立成为一个数据库。
优选的，步骤S4中，使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物结构设计，具体为：根据生物骨中某一位置处的刚度，应用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库找到该刚度对应的结构参数，并将该结构参数的值设定为骨植入物中相应位置的结构参数。
优选的，步骤S4中，生物骨中某一位置处的刚度通过实验测定结合CT骨密度影像分析得到。
优选的，步骤S5中，开发结构单元间连接和过渡的设计方法，具体为：通过拼接的手段将相邻结构单元连接并组成一个整体，实现方法为：依次在空间的三个维度上进行拼接操作，首先将各个单元在第一维度上按空间先后顺序拼接，形成由若干单元组成的直线状结构，随后再将拼接好的各直线结构在第二维度上拼接为平面状结构，最终将拼接好的各面状结构在第三维度上拼接为三维植入物结构；
通过对结构单元参数进行线性插值的手段使单元间完成平滑过渡，实现方法为：将每个结构单元像素化分块为m3个微观单元，其中，m为单轴单元个数，寻找并获取与结构单元在空间上上下左右前后以及棱上和角上的共26个结构单元的相对密度ρ值，设定结构单元内部过渡区块层数k,其中，k<m/2-1，结合空间位置关系对结构单元的相对密度ρ0以及与之相邻结构单元的相对密度ρ之间进行k次线性插值，将所得插值的相对密度赋予结构单元靠外侧的k 层的相对密度ρ，并通过结构参数c实现。
优选的，步骤S6中，满足生物骨多样化外形需求的设计方法，具体为：根据植入物实际制造技术能实现的精度以及所得生物骨刚度分布的精度，设定骨植入物三维模型的微观单元边长a；使用步骤S3建立符合生物骨刚度分布的骨植入物结构，生成三维三角面片模型，并转化为实体模型；用待植入部位的宏观外形建立生物骨外形的三维三角面片模型，并转化为实体模型；对上述两实体模型取交集，最终得到在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨弹性模量分布的骨植入物模型。
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本优选实施例的原始数据如下：
通过对待植入部位的CT或MRI等医学影像手段获得的宏观外形数据见表1；
通过实验测定结合CT骨密度影像机器学习分析得到的生物骨某一位置处的刚度数据见表 2。
表1
Figure GDA0003861517480000061
表2
Figure GDA0003861517480000062
根据表1和表2中的数据，下面使用本发明一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法完成骨植入物设计。
本发明所述的内部微观的多孔结构使用三重周期极小曲面(Triply PeriodicMinimal Surface，TPMS)作为基本结构单元。在本实施例中选用TPMS中的Gyroid单元作为基本机构单元，在空间中2*2*2共8个单元拼接后的三维模型如图2所示。
本发明所述的TPMS单元能够实现结构的参数化，在本实施例中，使用数学表达式cos(kx)sin(ky)+cos(ky)sin(kz)+cos(kz)sin(kx)=c对Gyroid单元进行参数化，根据表1中数据的间隔大小选取，包括微观单元边长a＝3mm，即表达式中
Figure GDA0003861517480000071
每个单元的相对密度由形状参数c决定，则可由单元结构参数c(x,y,z)的空间矩阵表示单元相对密度ρ(x,y,z) 空间分布，(x,y,z)∈Ω，Ω为植入物宏观外形定义的空间区域，本实施例中宏观外形区域即是表1中外形数据确定的区域。
根据本发明所述的建立并使用了一套单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库，下一步骤为：
基于Gibson-Ashby的泡沫金属弹性模量与内部相对密度的模型，建立待用TC4钛合金材料结构刚度Ex和孔隙单元实际刚度E的经验公式：E＝Ex*ρ(x,y,z)n；
其中Ex＝120GPa为TC4弹性模量通过有限元或实验的方法计算或测得待用材料和对应TPMS 结构的弹性模量E随相对密度ρ变化的多个数据点，通过数据拟合的方式得出上述经验公式的 n值，针对本实施例中的Gyroid单元，得到的经验公式n值为0.53；
结合本发明所述的单元结构参数c(x,y,z)与相对密度ρ(x,y,z)的映射关系，获得单元结构参数c(x,y,z)对应的结构刚度E(x,y,z)的对应方法，针对不同的结构刚度，按对应关系寻找到与之对应的结构参数，将相关数据汇总并建立成为一个数据库，针对本实施例得出的数据库如表3所示。
根据本发明所述的使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物结构设计，下一步骤为：
根据生物骨中某一位置处的刚度，应用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库找到该刚度对应的结构参数，并将该结构参数的值设定为骨植入物中相应位置的结构参数；在本实施例中应用matlab等数据处理软件完成将空间某一位置该结构参数的值设定为骨植入物中相应位置的结构参数这一步骤，处理结果如表4所示。
表3
Figure GDA0003861517480000081
表4
Figure GDA0003861517480000082
根据本发明所述的开发并使用了一种结构单元间连接和过渡的设计方法，下一步骤为：
通过拼接的手段将相邻结构单元连接并组成一个整体，实现方法为：依次在空间的三个维度上进行拼接操作，首先将各个单元在第一维度上按空间先后顺序拼接，形成由若干单元组成的直线状结构，随后再将上一步骤拼接好的各直线结构在第二维度上拼接为平面状结构，最终将上一步骤拼接好的各面状结构在第三维度上拼接为三维植入物结构。
通过对结构单元参数进行线性插值的手段使单元间完成平滑过渡，实现方法为：将每个结构单元像素化分块为m3个微观单元，其中，m为单轴单元个数，寻找并获取与结构单元在空间上上下左右前后以及棱上和角上的共26个结构单元的相对密度ρ值，设定结构单元内部过渡区块层数k,其中，k<m/2-1，结合空间位置关系对结构单元的相对密度ρ0以及与之相邻结构单元的相对密度ρ之间进行k次线性插值，将所得插值的相对密度赋予结构单元靠外侧的k 层的相对密度ρ，并通过结构参数c实现。
在本实施例中，选用k＝1进行线性插值处理，完成拼接和插值后的三维骨植入物结构图如图4所示。
根据本发明所述的开发并使用了一种满足生物骨多样化外形需求的设计方法，下一步操作为：
根据植入物实际制造技术能实现的精度以及所得生物骨刚度分布的精度，设定骨植入物三维模型的结构单元边长a，本实施例中选用a＝3mm；用上述的设计方法建立符合生物骨刚度分布的骨植入物结构，生成三维三角面片模型，在本实施例中，该面片模型即为图4，并转化为实体模型；用上述待植入部位的宏观外形建立生物骨外形的三维三角面片模型，并转化为实体模型，该实体模型如图5所示；对上述两实体模型取交集，最终得到在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨的刚度分布骨植入物模型，本实施例最终设计出的骨植入物三维模型如图1所示。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，其特征在于，所述设计方法设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，同时具有内部连通的多孔结构，在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，所述设计方法包括以下步骤：
S1)通过待植入部位的医学影像获得可降解金属骨科植入物的宏观外形数据；
S2)使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现三重周期极小曲面结构的参数化，具体为：包括微观单元边长a，每个单元的相对密度由形状参数c决定，则可由单元结构参数c(x,y,z)的空间矩阵表示单元相对密度ρ(x,y,z)空间分布，(x, y, z)∈Ω，Ω为植入物宏观外形定义的空间区域；
S3）建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库，具体为：基于Gibson-Ashby的泡沫金属弹性模量与内部相对密度的模型，建立待用材料结构刚度Ex和孔隙单元实际刚度E的经验公式：E=Ex*ρ(x,y,z) n；
通过有限元或实验的方法计算或测得待用材料和对应三重周期极小曲面结构的弹性模量E随相对密度ρ变化的多个数据点，通过数据拟合的方式得出上述经验公式的n值；
结合单元结构参数c(x,y,z)与相对密度ρ(x,y,z)的映射关系，获得单元结构参数c(x,y,z)对应的实际刚度E(x,y,z)的对应方法，针对不同的结构刚度，按对应关系寻找到与之对应的结构参数，将相关数据汇总并建立成为一个数据库；
S4）根据生物骨中某一位置处的刚度，应用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库找到刚度对应的结构参数，并将结构参数的值设定为骨植入物中相应位置的结构参数完成骨植入物的结构设计；
S5)开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；
S6）开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型；
步骤S5中，开发结构单元间连接和过渡的设计方法，具体为：通过拼接的手段将相邻结构单元连接并组成一个整体，实现方法为：依次在空间的三个维度上进行拼接操作，首先将各个单元在第一维度上按空间先后顺序拼接，形成由若干单元组成的直线状结构，随后再将拼接好的各直线结构在第二维度上拼接为平面状结构，最终将拼接好的各面状结构在第三维度上拼接为三维植入物结构；
通过对结构单元参数进行线性插值的手段使单元间完成平滑过渡，实现方法为：将每个结构单元像素化分块为m3个微观单元，其中，m为单轴单元个数，寻找并获取与结构单元在空间上上下左右前后以及棱上和角上的共26个结构单元的相对密度ρ值，设定结构单元内部过渡区块层数k,其中，k<m/2-1，结合空间位置关系对结构单元的相对密度ρ0以及与之相邻结构单元的相对密度ρ之间进行k次线性插值，将所得插值的相对密度赋予结构单元靠外侧的k层的相对密度ρ，并通过结构参数c实现；
步骤S6中，满足生物骨多样化外形需求的设计方法，具体为：根据植入物实际制造技术能实现的精度以及所得生物骨刚度分布的精度，设定骨植入物三维模型的微观单元边长a；使用步骤S3建立符合生物骨刚度分布的骨植入物结构，生成三维三角面片模型，并转化为实体模型；用待植入部位的宏观外形建立生物骨外形的三维三角面片模型，并转化为实体模型；对上述两实体模型取交集，最终得到在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨弹性模量分布的骨植入物模型。
2.根据权利要求1所述的一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，其特征在于，步骤S4中，生物骨中某一位置处的刚度通过实验测定结合CT骨密度影像分析得到。
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