CN115105268A - 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统 - Google Patents

一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115105268A
CN115105268A CN202210619145.4A CN202210619145A CN115105268A CN 115105268 A CN115105268 A CN 115105268A CN 202210619145 A CN202210619145 A CN 202210619145A CN 115105268 A CN115105268 A CN 115105268A
Authority
CN
China
Prior art keywords
radius
prosthesis
capitulum
cell
porous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210619145.4A
Other languages
English (en)
Inventor
叶豪
吴立军
邢廷洋
胡锦花
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wenzhou Medical University
Original Assignee
Wenzhou Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wenzhou Medical University filed Critical Wenzhou Medical University
Priority to CN202210619145.4A priority Critical patent/CN115105268A/zh
Publication of CN115105268A publication Critical patent/CN115105268A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A61F2/3804—Joints for elbows or knees for elbows
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H50/00—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics
    • G16H50/50—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for simulation or modelling of medical disorders
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/30767—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth
    • A61F2/30771—Special external or bone-contacting surface, e.g. coating for improving bone ingrowth applied in original prostheses, e.g. holes or grooves
    • A61F2002/30772—Apertures or holes, e.g. of circular cross section
    • A61F2002/30784—Plurality of holes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30943—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using mathematical models
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30955—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using finite-element analysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2002/30985—Designing or manufacturing processes using three dimensional printing [3DP]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees
    • A61F2/3804—Joints for elbows or knees for elbows
    • A61F2002/3818—Joints for elbows or knees for elbows for proximal radio-ulnar joints, i.e. PRU joints
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明提供一种多孔桡骨小头假体设计方法，包括获取桡骨小头假体的三维模型；基于桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正多孔桡骨小头假体的有限元模型；建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。实施本发明，能够在增加孔径和降低孔隙率时保证结构强度，有效降低材料等效弹性模量，提高减震性能。

Description

一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统。
背景技术
桡骨小头骨折是肘关节部位常见的骨折类型，约占肘关节骨折的17％-19％，全身骨折的3％。对于复杂的MasonⅢ型、Ⅳ型桡骨小头粉碎性骨折，尤其是伴有内侧副韧带损伤的严重桡骨小头骨折，桡骨小头置换术是临床首选治疗方案。
多孔钛合金的微孔结构不但能为成骨细胞的增殖与迁移提供充分的空间，而且能增强间充质干细胞的成血管作用，影响成骨基因的表达和成骨细胞分化，是促进骨整合的重要因素，综合国内外研究均表明孔隙率为65％，孔径为600μm的钛合金假体更有利于骨整合。
目前，市面上常见的桡骨小头假体多为实体结构，置换术后会产生明显的应力遮挡、肱骨软骨应力集中、骨长入困难，远期易导致骨质疏松、肘部关节炎和内植物松动。
为了解决上述问题，尽管有部分器械公司在外表面设计带孔结构，但未对孔径大小及内部结构进行系统研究。因此，有必要对现有带孔的桡骨小头假体的孔径大小及内部结构进行改善。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统，能够在增加孔径和降低孔隙率时保证结构强度，有效降低材料等效弹性模量，提高减震性能，促进骨长入。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种多孔桡骨小头假体设计方法，所述方法包括以下步骤：
获取桡骨小头假体的三维模型；
基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
其中，在所述桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
其中，在所述多孔桡骨小头假体的有限元模型中，所述桡骨髓针头及所述连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外部三角形单元为共节点结构；其中，所述胞元采用四面体胞元。
其中，所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure BDA0003674429900000021
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure BDA0003674429900000022
Figure BDA0003674429900000023
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
其中，所述在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出的步骤具体包括：
在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上进行面网格三角形划分，将三角顶点建立集合1以及建立最外层胞元顶点集合2；
获取集合1和集合2坐标节点，建立循环命令，根据顶点坐标求解集合1与集合2距离，设置容差值，并在小于容差时，集合2顶点坐标赋予集合1最近点坐标值，直至循环命令结束之后，得到内外节点重合的多孔桡骨小头假体。
本发明实施例还提供了一种多孔桡骨小头假体设计系统，包括：
三维模型获取单元，用于获取桡骨小头假体的三维模型；
有限元模型修正单元，用于基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
假体设计结果输出单元，用于建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
其中，在所述桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
其中，在所述多孔桡骨小头假体的有限元模型中，所述桡骨髓针头及所述连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外部三角形单元为共节点结构；其中，所述胞元采用四面体胞元。
其中，所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure BDA0003674429900000031
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure BDA0003674429900000041
Figure BDA0003674429900000042
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的多孔桡骨小头假体具备内部孔径一致且可控，符合人体骨细胞生长所需的孔隙率和孔径，能增强间充质干细胞的成血管作用，影响成骨基因的表达和成骨细胞分化，促进骨整合；
2、本发明能在保证足够机械强度的前提下有效降低材料等效弹性模量，提高减震性能，避免明显的应力遮挡，降低植入开裂、长期植入后骨质疏松、肘部关节炎、二次骨折和内植物松动的可能性，有效提高术后恢复效果；
3、本发明所提供的内部新型胞元，相对其他胞元能够在增加孔径和降低孔隙率时保证结构强度，内部胞元节点无需调整位置自动连接，增加设计灵活度；
4、本发明所提供的多孔桡骨小头假体设计方法，基于有限元平台完成胞元结构改进，在外层胞元与表面节点处理中使用容差合并，为现有设计提供一种新思路，降低设计成本，缩短设计周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法的流程图
图2为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中多孔桡骨小头假体的内部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中新四面体胞元的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中ABAQUS虚拟力学测试台的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中桡骨髓针线性点阵结构处理过程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中实体化桡骨髓针过程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计方法中实体化桡骨小头过程示意图；
图8为本发明实施例提供的一种多孔桡骨小头假体设计系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种多孔桡骨小头假体设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、获取桡骨小头假体的三维模型；
具体过程为，首先，收集130个正常成人桡骨CT影像，对应格式为dicom，CT扫描层厚为0.5mm-1.0mm。纳入标准：健康成人体检志愿者，发育良好，身高、体重、体重指数(BMI)接近国人标准，无上肢畸形存在。排除标准：有外伤史(上肢任意部位骨折、骨折畸形愈合、关节错位或脱位等)；先天性尺桡骨融合、软骨发育不良、佝偻病、巨人症等先天性畸形。
其次，基于上述CT影像，构建出桡骨小头假体的三维模型；其中，该桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
步骤S2、基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
具体过程为，首先，采用有限元模型构建软件，对桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型。如图2所示，多孔桡骨小头假体中桡骨小头外表面为封闭面，具有较薄的厚度，厚度需经过有限元计算校核，内部为等直径胞元点阵结构；桡骨髓针除桡骨髓针颈、颈柄过度区为实体，桡骨髓针头及连接柄外表面为三角孔，内部依据人体骨细胞生长所需的孔隙率和孔径控制胞元大小进行阵列，形成等直径胞元点阵结构。即，该多孔桡骨小头假体的有限元模型中，桡骨髓针头及连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外部三角形单元为共节点结构；其中，胞元采用四面体胞元，如图3所示。
应当说明的是，基于有限元模型设计，可以不用去3d打印新研发的胞元结构直接知道胞元力学性能优劣，同时可以把控桡骨小头壳厚度尺寸。
步骤S3、建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
具体过程为，根据实验骨生长孔径大小及骨的孔隙率确定胞元尺寸与胞元半径，将胞元在内部进行阵列得到内部线性点阵结构。
以桡骨髓针完成多孔化建模为例，首先通过60°修正四面体，构建孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure BDA0003674429900000061
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure BDA0003674429900000062
Figure BDA0003674429900000071
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
然后，在修正后的桡骨髓针的有限元模型上进行面网格三角形划分，将三角顶点建立集合1以及建立最外层胞元顶点集合2；
其次，获取集合1和集合2坐标节点，建立循环命令，根据顶点坐标求解集合1与集合2距离，设置容差值，并在小于容差时，集合2顶点坐标赋予集合1最近点坐标值，直至循环命令结束之后，得到内外节点重合的桡骨髓针；
最后，对内外节点重合的桡骨髓针进行实体化处理之后，输出。例如，桡骨髓针头与连接柄根据计算的胞元半径实体化，实体化桡骨髓针过程如图6所示，而连接柄由于存在孔隙结构可在内部填充营养物如生长因子、I型胶原蛋白和壳聚糖，促进骨骼生长。
同理，桡骨小头采用相同方法完成多孔化建模及实体化处理，如图7所示，为保证接触受力均匀，其外表面为封闭体。
如图8所示，为本发明实施例中，提供的一种多孔桡骨小头假体设计系统，包括：
三维模型获取单元110，用于获取桡骨小头假体的三维模型；
有限元模型修正单元120，用于基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
假体设计结果输出单元130，用于建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
其中，在所述桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
其中，在所述多孔桡骨小头假体的有限元模型中，所述桡骨髓针头及所述连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外部三角形单元为共节点结构；其中，所述胞元采用四面体胞元。
其中，所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure BDA0003674429900000081
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure BDA0003674429900000082
Figure BDA0003674429900000083
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的多孔桡骨小头假体具备内部孔径一致且可控，符合人体骨细胞生长所需的孔隙率和孔径，能增强间充质干细胞的成血管作用，影响成骨基因的表达和成骨细胞分化，促进骨整合；
2、本发明能在保证足够机械强度的前提下有效降低材料等效弹性模量，提高减震性能，避免明显的应力遮挡，降低植入开裂、长期植入后骨质疏松、肘部关节炎、二次骨折和内植物松动的可能性，有效提高术后恢复效果；
3、本发明所提供的内部新型胞元，相对其他胞元能够在增加孔径和降低孔隙率时保证结构强度，内部胞元节点无需调整位置自动连接，增加设计灵活度；
4、本发明所提供的多孔桡骨小头假体设计方法，基于有限元平台完成胞元结构改进，在外层胞元与表面节点处理中使用容差合并，为现有设计提供一种新思路，降低设计成本，缩短设计周期。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种多孔桡骨小头假体设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取桡骨小头假体的三维模型；
基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
2.如权利要求1所述的多孔桡骨小头假体设计方法，其特征在于，在所述桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
3.如权利要求2所述的多孔桡骨小头假体设计方法，其特征在于，在所述多孔桡骨小头假体的有限元模型中，所述桡骨髓针头及所述连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外表面为三角孔且其三角形单元为共节点结构；其中，所述胞元采用四面体胞元。
4.如权利要求3所述的多孔桡骨小头假体设计方法，其特征在于，所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure FDA0003674429890000011
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure FDA0003674429890000012
Figure FDA0003674429890000021
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
5.如权利要求4所述的多孔桡骨小头假体设计方法，其特征在于，所述在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出的步骤具体包括：
在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上进行面网格三角形划分，将三角顶点建立集合1以及建立最外层胞元顶点集合2；
获取集合1和集合2坐标节点，建立循环命令，根据顶点坐标求解集合1与集合2距离，设置容差值，并在小于容差时，集合2顶点坐标赋予集合1最近点坐标值，直至循环命令结束之后，得到内外节点重合的多孔桡骨小头假体。
6.一种多孔桡骨小头假体设计系统，其特征在于，包括：
三维模型获取单元，用于获取桡骨小头假体的三维模型；
有限元模型修正单元，用于基于所述桡骨小头假体的三维模型，建立主流胞元结构，以得到多孔桡骨小头假体的有限元模型，并在ABAQUS建立虚拟力学测试台计算对比，以获取当前力学性能最优的新胞元，且进一步基于所获取的新胞元，修正所述多孔桡骨小头假体的有限元模型；
假体设计结果输出单元，用于建立孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，并基于所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系，在修正后的多孔桡骨小头假体的有限元模型上设置节点容差，以生成内外节点重合的多孔桡骨小头假体并实体化处理之后输出。
7.如权利要求6所述的多孔桡骨小头假体设计系统，其特征在于，在所述桡骨小头假体的三维模型中，桡骨小头假体包括均为实心结构的桡骨小头和桡骨髓针；所述桡骨髓针包括桡骨髓针头、桡骨髓针颈和连接柄。
8.如权利要求7所述的多孔桡骨小头假体设计系统，其特征在于，在所述多孔桡骨小头假体的有限元模型中，所述桡骨髓针头及所述连接柄的内部结构为胞元阵列的线性点阵结构，外部三角形单元为共节点结构；其中，所述胞元采用四面体胞元。
9.如权利要求8所述的多孔桡骨小头假体设计系统，其特征在于，所述孔径、孔隙率与胞元尺寸关系通过以下公式来实现；其中，
h＝a×tan 60°
Figure FDA0003674429890000031
Vcell＝3×a2×cos30°×h
Figure FDA0003674429890000032
Figure FDA0003674429890000033
式中，a为胞元边长；h为胞元高度；dhole为孔径；Vcell为胞元体积；ltotal为新胞元点阵结构长度；Vradial为假体体积，根据三维模型测量；v为孔隙率。
CN202210619145.4A 2022-06-01 2022-06-01 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统 Pending CN115105268A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210619145.4A CN115105268A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210619145.4A CN115105268A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115105268A true CN115105268A (zh) 2022-09-27

Family

ID=83326973

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210619145.4A Pending CN115105268A (zh) 2022-06-01 2022-06-01 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115105268A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Savio et al. When the total hip replacement fails: A review on the stress-shielding effect
Konan et al. Porous tantalum uncemented acetabular components in revision total hip arthroplasty: a minimum ten-year clinical, radiological and quality of life outcome study
CN105748177B (zh) 一种个性化具有仿生微孔的脊椎植入假体及其制造方法
Robertson et al. Design of custom hip stem prostheses using three-dimensional CT modeling
Kluess Finite element analysis in orthopaedic biomechanics
CN104207867B (zh) 一种低模量医用植入多孔支架结构
CN107185039A (zh) 一种多孔金属骨植入材料及其制备方法和应用
CN113326588A (zh) 一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法
CN106618809A (zh) 多孔钛椎间融合器的空隙结构部
CN202342236U (zh) 融合假体
Grosland et al. Techniques and applications of adaptive bone remodeling concepts
Asbai-Ghoudan et al. In silico assessment of the bone regeneration potential of complex porous scaffolds
Gamieldien et al. Filling the gap: A series of 3D-printed titanium truss cages for the management of large, lower limb bone defects in a developing country setting
CN112220588B (zh) 一种可控梯度骨组织工程支架生成方法及系统
CN115105268A (zh) 一种多孔桡骨小头假体设计方法及系统
Izzo Support for total hip replacement surgery: Structures modeling, Gait Data Analysis and Report system
CN111297524B (zh) 一种膝关节缺损垫块及其制造方法
CN113633442A (zh) 一种个体化钽金属颈椎椎间融合器及其设计方法
CN108618837A (zh) 个体化骨缺损填充用金属内固定器、其制备方法及用途
CN213406444U (zh) 一种融合器
CN211561236U (zh) 一种骨缺损修复支架
CN208942489U (zh) 一种3d打印个体化的一体成型金属骨盆翻修假体
Xu et al. Preliminary exploration of the biomechanical properties of three novel cervical porous fusion cages using a finite element study
Gkaintes et al. Computational modelling of human femur after total hip arthroplasty
Zhao et al. Application of novel design bone grafting for treatment of segmental acetabular rim defects during revision total hip arthroplasty

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination