CN117408111A - 外固定支架表面多孔结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一种外固定支架表面多孔结构设计方法，包括：S10建立外固定支架、钢钉及自体骨的有限元模型；S20模拟真实受力情况对所述有限元模型进行仿真分析；S30根据仿真分析的结果对外固定支架进行拓扑优化；S40根据拓扑优化结果对外固定支架进行表面多孔设计。上述外固定支架表面多孔结构设计方法，以力学有限元分析为理论基础，通过拓扑优化进行表面多孔结构的构建，从而保证外固定支架的体积最小，改善了外固定支架的透气性和轻便性，不仅能使患者在康复过程中的穿戴更加舒适，而且可以在保证支架结构强度的基础上最大可能的节省材料，降低成本。
Description
本申请是申请日为2019年12月18日、申请号为201911310444.4、专利名称为外固定支架表面多孔结构设计方法的分案申请。
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种外固定支架表面多孔结构设计方法。
背景技术
骨折是日常生活中常见的损伤，在骨折后，患者通常需要接受相应的固定措施，以保证受损骨骼的康复，常用的固定措施包括外固定支架。目前外固定支架上的透气孔构建技术无法结合患者的受力要求，以理论分析作为设计依据，因此不仅会导致患者穿戴不适，而且会降低外固定支架强度，减少支架使用寿命。
发明内容
基于此，有必要针对目前的外固定支架存在的穿戴不适、强度较低以及寿命较短的问题，提供一种能保证外固定支架穿戴舒适、强度较高及寿命较长的外固定支架表面多孔结构设计方法。
一种外固定支架表面多孔结构设计方法，包括：
S10建立外固定支架、钢钉及自体骨的有限元模型，其中所述有限元模型对应的固定支架、钢钉及自体骨的几何模型包括骨折近端、骨折远端、支架近端、支架远端以及多个钢钉，所述支架近端套设于所述骨折近端，所述支架远端套设于所述骨折远端，所述支架近端和所述支架远端固定连接，所述支架近端通过多个所述钢钉与所述骨折近端固定连接，所述支架远端通过其余的所述钢钉与所述骨折远端固定连接；
S20模拟真实受力情况对所述有限元模型进行仿真分析；
S30根据仿真分析的结果对外固定支架进行拓扑优化；
S40根据拓扑优化结果对外固定支架进行表面多孔设计。
在其中一个实施例中，在所述步骤S30中，拓扑优化的区域包括外固定支架；拓扑优化过程的响应包括：整体力学模型应变能SE、外固定支架的最大等效应力S1Max、钢针的最大等效应力S2Max以及外固定支架的体积V；拓扑优化过程的目标包括优化后整体力学模型的应变能SE最小；拓扑优化过程的约束包括：外固定支架的最大等效应力S1Max小于外固定支架的屈服强度，以及钢针的最大等效应力S2Max小于钢针的屈服强度；拓扑优化过程的几何约束包括对外固定支架的关键位置进行几何冻结。
在其中一个实施例中，在所述步骤S40中，外固定支架的主承重区域作为固位区域，外固定支架的其余区域作为优化区域，多孔设计的范围包括优化区域。
在其中一个实施例中，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加均布载荷，约束自体骨的底面。
在其中一个实施例中，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加400N-600N的均布载荷。
在其中一个实施例中，在所述步骤S20中，向自体骨的底面施加六自由度全约束。
在其中一个实施例中，所述步骤S10包括：S11建立外固定支架、钢钉及自体骨的几何模型；S12设置外固定支架及钢钉的材料属性；S13对所述几何模型进行有限元网格划分。
在其中一个实施例中，外固定支架的材质包括尼龙，钢钉的材质包括TC4医用钛合金。
在其中一个实施例中，设置尼龙材质的外固定支架的弹性模量介于1.5×109Pa-2.0×109Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于1.0×108Pa-1.2×108Pa；设置TC4医用钛合金材质的钢钉的弹性模量介于1.0×1011Pa-1.2×1011Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于8.0×108Pa-9.0×108Pa之间。
在其中一个实施例中，所述几何模型包括骨折近端、骨折远端、支架近端、支架远端以及多个钢钉，所述支架近端套设于所述骨折近端，所述支架远端套设于所述骨折远端，所述支架近端和所述骨折远端固定连接，所述支架近端通过多个所述钢钉与所述骨折近端固定连接，所述支架远端通过其余的所述钢钉与所述骨折远端固定连接。
在其中一个实施例中，所述步骤S40之后还包括：S50通过3D打印的方式加工多孔设计后的外固定支架。
上述外固定支架表面多孔结构设计方法，以力学有限元分析为理论基础，通过拓扑优化进行表面多孔结构的构建，从而保证外固定支架的体积最小，改善了外固定支架的透气性和轻便性，不仅能使患者在康复过程中的穿戴更加舒适，而且可以在保证支架结构强度的基础上最大可能的节省材料，降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的外固定支架表面多孔结构设计方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的有限元模型结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的有限元模型网格示意图；
图4为本发明一实施例提供的外固定支架的等效应力云图；
图5为本发明一实施例提供的钢针的等效应力云图；
图6为本发明一实施例提供的拓扑优化后外固定支架几何模型第一视角图；
图7为本发明一实施例提供的拓扑优化后外固定支架几何模型第二视角图；
图8为本发明一实施例提供的拓扑优化后外固定支架网格模型第一视角图；
图9为本发明一实施例提供的拓扑优化后外固定支架网格模型第二视角图；
图10为本发明一实施例提供的拓扑优化后外固定支架的等效应力云图；
图11为本发明一实施例提供的拓扑优化后钢针的等效应力云图。
其中，100-骨折近端、200-骨折远端、300-支架近端、400-支架远端、500-多个钢钉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
如图1-2所示，本发明一实施例提供一种外固定支架表面多孔结构设计方法，包括：
S10建立外固定支架、钢钉及自体骨的有限元模型；
S20模拟真实受力情况对所述有限元模型进行仿真分析；
S30根据仿真分析的结果对外固定支架进行拓扑优化；
S40根据拓扑优化结果对外固定支架进行表面多孔设计。
上述外固定支架表面多孔结构设计方法，以力学有限元分析为理论基础，通过拓扑优化进行表面多孔结构的构建，从而保证外固定支架的体积最小，改善了外固定支架的透气性和轻便性，不仅能使患者在康复过程中的穿戴更加舒适，而且可以在保证支架结构强度的基础上最大可能的节省材料，降低成本。
外固定支架的结构较为复杂，仅通过简单的理论近似计算难以准确计算外固定支架各部分的受力情况。有限元分析方法将被分析的结构划分为成千上万的网格，能够有效的计算出复杂结构在承受载荷时的应力分布。使用有限元分析方法计算外固定支架内部应力分布的前提是准确建立外固定支架的有限元模型。在本发明一实施例中，所述步骤S10包括：S11建立外固定支架、钢钉500及自体骨的几何模型；S12设置外固定支架及钢钉500的材料属性；S13对所述几何模型进行有限元网格划分。可选的，直接使用有限元分析软件对外固定支架、钢钉500以及自体骨进行模型建立、设置材料属性并网格划分，或者使用三维建模软件、网格划分软件、有限元分析软件，分别完成外固定支架、钢钉500以及自体骨的模型建立、网格划分、应力分析计算的过程。作为一种可实现的方式，直接使用有限元分析软件(比如Ansys、Abaqus等)对外固定支架、钢钉500以及自体骨进行模型建立、设置材料属性并网格划分。
可以理解的，本发明提供的外固定支架表面多孔结构设计方法既可以对通用类型的外固定支架进行优化设计，也可以对个性化定制的外固定支架进行优化分析。在本发明一实施例中，使用上述各实施例提供的外固定支架表面多孔结构设计方法对通用类型的外固定支架进行开孔优化设计。具体的，如图2所示，所述几何模型包括自体骨的骨折近端100和骨折远端200、外固定支架的支架近端300和支架远端400，以及多个钢钉500，所述支架近端300套设于所述骨折近端100，所述支架远端400套设于所述骨折远端200，所述支架近端300和所述支架远端400固定连接，所述支架近端300通过多个所述钢钉500与所述骨折近端100固定连接，所述支架远端400通过其余的所述钢钉500与所述骨折远端200固定连接。上述通用类型的外固定支架也被称为标准结构的外固定支架。
使用有限元分析方法分析计算外固定支架在受力状态下的应力分布，必不可少的前提时参考外固定支架的物理参数设置几何模型的物理参数。在本发明一实施例中，外固定支架的材质包括尼龙，钢钉500的材质包括TC4医用钛合金。上述外固定支架的材质和钢钉500的材质是通用类型外固定支架中常用的材质。进一步，设置尼龙材质的外固定支架的弹性模量介于1.5×109Pa-2.0×109Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于1.0×108Pa-1.2×108Pa；设置TC4医用钛合金材质的钢钉500的弹性模量介于1.0×1011Pa-1.2×1011Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于8.0×108Pa-9.0×108Pa之间。在本发明其他的实施例中，外固定支架和钢钉500选取其他类型合适的材质。
外固定骨架作为断裂骨头之间的连接结构，直接承载患者的部分体重。模拟外固定支架在患者使用过程中的受力情况能够进一步，保证本发明提供的外固定支架表面多孔结构设计方法在实际工况中的实用性。在本发明一实施例中，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加均布载荷，约束自体骨的底面。进一步，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加400N-600N的均布载荷，向自体骨的底面施加六自由度全约束。上述施加载荷的方式能够满足大部分通用类型外固定支架的使用要求。在本发明其他的实施例中，向自体骨的顶端施加400N-600N之间的变化载荷，向自体骨的底面施加六自由度全约束。
拓扑优化是本发明提供的外固定支架表面多孔结构设计方法中的重要步骤。在本发明一实施例中，在所述步骤S30中，拓扑优化的区域包括外固定支架；拓扑优化过程的响应包括：整体力学模型应变能SE、外固定支架的最大等效应力S1Max、钢针的最大等效应力S2Max以及外固定支架的体积V；拓扑优化过程的目标包括优化后整体力学模型的应变能SE最小；拓扑优化过程的约束包括：外固定支架的最大等效应力S1Max小于外固定支架的屈服强度，以及钢针的最大等效应力S2Max小于钢针的屈服强度；拓扑优化过程的几何约束包括对外固定支架的关键位置进行几何冻结。拓扑优化过程能够通过不断的迭代，最终得出体积较小、强度足够、寿命满足使用要求的外固定支架。
上述拓扑优化的过程能够到兼顾体积大小及应力分布的外固定支架整体结构。在本发明一实施例中，在所述步骤S40中，外固定支架的主承重区域作为固位区域，固位区域不进行多孔设计，以保证外固定支架的整体结构强度。外固定支架的其余区域作为优化区域，多孔设计的范围包括优化区域，也可以仅在优化区域进行多孔设计，从而保证外固定支架的面积最小，不仅能使患者在康复过程中的穿戴更加舒适，而且可以在保证支架结构强度的基础上最大可能的节省材料，降低成本。可以理解的，在优化区域开设的孔应当能够保证钢钉500与患者接触部位的消毒，同时兼顾患者患处的透气性。作为一种可实现的方式，多孔的大小允许棉签探入，在上述优化区域可以尽可能多的开设透气孔。
可以理解的，上述各个实施例中提供的外固定支架表面多孔结构设计方法对外固定支架进行优化设计后，应当使用适当的方式进行加工。在本发明一实施例中，所述步骤S40之后还包括：S50通过3D打印(快速成型技术)的方式加工多孔设计后的外固定支架。上述各个实施例中提供的外固定支架表面多孔结构设计方法能够到兼顾体积大小及应力分布的外固定支架整体结构，也为后续的3D打印过程节省了加工材料。在本发明其他的实施例中，使用上述各个实施例中提供的外固定支架表面多孔结构设计方法优化设计的外固定支架，也可选用传统的加工方式进行加工。
上述各个实施例提供的外固定支架表面多孔结构设计方法主要改善了3D打印个性化外固定支架的透气性和轻便性。通过建立外固定支架、钢针及自体骨力学有限元模型，模拟真实受力状况进行力学仿真分析及拓扑优化，并根据最终的优化结果对外固定支架模型进行透气孔构建，最终得到的多孔支架既能满足患者透气性的需求，同时能在满足支架足够强度的情况下具有最轻便的结构，使患者穿戴更为舒适，节省打印成本。
下述为本发明提供的一个具体的实施例：
如图2所示为通用类型的外固定支架的几何模型图，所述几何模型包括自体骨的骨折近端100和骨折远端200、外固定支架的支架近端300和支架远端400，以及四个钢钉500，所述支架近端300套设于所述骨折近端100，所述支架远端400套设于所述骨折远端200，所述支架近端300和所述支架远端400通过螺栓固定连接，所述支架近端300通过多个所述钢钉500与所述骨折近端100固定连接，所述支架远端400通过其余的所述钢钉500与所述骨折远端200固定连接。图3为根据图2中外固定支架的几何模型建立的、用于有限元分析的网格模型。其中，外固定支架材料设定为尼龙，其弹性模量为1.8×109Pa，泊松比为0.33，屈服强度为1.15×108Pa。钢钉500材料设定为TC4医用钛合金，其弹性模量为1.1×1011Pa，泊松比为0.34，屈服强度为8.6×108Pa。边界条件包括自体骨顶端施加500N均布载荷，底面施加六自由度全约束。图4及图5分别为外固定支架和钢钉500的应力分布云图，其中外固定支架上最大等效应力为4.91×107Pa，钢针上最大等效应力为3.17×108Pa。
如图6-9所示，使用拓扑优化的方式迭代进行31次后停止，得到优化后的外固定支架几何模型以及网格模型。如图10-11中所示的外固定支架和钢钉500使用拓扑优化的方式优化后的等效应力云图。优化后的外固定支架上最大等效应力为4.93×107Pa，优化后钢针上最大等效应力为3.16×108Pa。本实施例提出的设计方法对外固定支架进行拓扑优化后，系统整体的应变能减至最小，且外固定体积减少了50％，同时满足外固定支架上的最大等效应力小于尼龙的屈服强度，钢针上的最大等效应力小于TC4的屈服强度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，包括：
S10建立外固定支架、钢钉及自体骨的有限元模型，其中所述有限元模型对应的固定支架、钢钉及自体骨的几何模型包括骨折近端、骨折远端、支架近端、支架远端以及多个钢钉，所述支架近端套设于所述骨折近端，所述支架远端套设于所述骨折远端，所述支架近端和所述支架远端固定连接，所述支架近端通过多个所述钢钉与所述骨折近端固定连接，所述支架远端通过其余的所述钢钉与所述骨折远端固定连接；
S20模拟真实受力情况对所述有限元模型进行仿真分析；
S30根据仿真分析的结果对外固定支架进行拓扑优化；
S40根据拓扑优化结果对外固定支架进行表面多孔设计。
2.根据权利要求1所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S30中，拓扑优化的区域包括外固定支架；拓扑优化过程的响应包括：整体力学模型应变能SE、外固定支架的最大等效应力S1Max、钢针的最大等效应力S2Max以及外固定支架的体积V；拓扑优化过程的目标包括优化后整体力学模型的应变能SE最小；拓扑优化过程的约束包括：外固定支架的最大等效应力S1Max小于外固定支架的屈服强度，以及钢针的最大等效应力S2Max小于钢针的屈服强度；拓扑优化过程的几何约束包括对外固定支架的关键位置进行几何冻结。
3.根据权利要求1所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S40中，外固定支架的主承重区域作为固位区域，外固定支架的其余区域作为优化区域，多孔设计的范围包括优化区域。
4.根据权利要求1所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加均布载荷，约束自体骨的底面。
5.根据权利要求4所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S20中，向自体骨的底面施加六自由度全约束。
6.根据权利要求4所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S20中，向自体骨的顶端施加400N-600N的均布载荷。
7.根据权利要求1所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，所述步骤S10包括：S11建立外固定支架、钢钉及自体骨的几何模型；S12设置外固定支架及钢钉的材料属性；S13对所述几何模型进行有限元网格划分。
8.根据权利要求7所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，外固定支架的材质包括尼龙，钢钉的材质包括TC4医用钛合金。
9.根据权利要求8所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，设置尼龙材质的外固定支架的弹性模量介于1.5×109Pa-2.0×109Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于1.0×108Pa-1.2×108Pa；设置TC4医用钛合金材质的钢钉的弹性模量介于1.0×1011Pa-1.2×1011Pa之间，泊松比介于0.3-0.4之间，屈服强度介于8.0×108Pa-9.0×108Pa之间。
10.根据权利要求1-9任一项所述的外固定支架表面多孔结构设计方法，其特征在于，所述步骤S40之后还包括：S50通过3D打印的方式加工多孔设计后的外固定支架。
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