基于材料性能多目标优化的股骨假体优选方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103530466103530466A(43)申请公布日2014.01.22(21)申请号201310493071.5(22)申请日2013.10.21(71)申请人哈尔滨理工大学地址150080黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号(72)发明人王沫楠(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所23109代理人杨立超(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权权利要求书4页利要求书4页说明书12页说明书12页附图5页附图5页(54)发明名称基于材料性能多目标优化的股骨假体优选方法(57)摘要基于材料性能多目标优化的股骨假体优选方法，涉及股骨假体设计领域。本发明利用有限元分析方法对股骨假体多目标优化，以实现个体化股骨假体结构的优选。技术要点：股骨内外轮廓线的提取、股骨假体柄结构设计、球头结构设计、股骨模型与假体模型的装配、股骨假体材料的选择、有限元模型的建立、确定材料参数的设置和材料匹配方式、载荷的构建、评价指标及多目标优化。球头和假体柄的材料匹配方案是在针对个体股骨力学环境下股骨假体承载能力、股骨假体寿命、股骨假体应力遮挡和股骨假体变形四项指标优化的前提下得到的最优方案；首次应用模糊物元理论解决人工假体的优选问题，该方法的引入实现了股骨假体的多目标优化设计。CN103530466ACN103546ACN103530466A权利要求书1/4页1.一种基于材料性能多目标优化的股骨假体优选方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：步骤一、股骨假体结构建模：首先通过骨的CT图片提取股骨的轮廓线，然后将提取的轮廓线导入CAD软件中进行实体建模；模型建好后，将股骨三维实体模型导入UG中，在UG中对股骨模型进行处理；步骤二、股骨假体材料的选择：股骨假体柄、球头分别选取锆铌合金材料、氧化锆陶瓷材料、碳纤维增强的聚醚酮复合材料三种材料，通过三种材料的组合利用多目标优化手段优选出材料设计模型；步骤三、有限元模型的建立：步骤四、评价指标及多目标优化过程：步骤四（一）确定评价指标：指标1：股骨假体额定载荷，人体在运动过程中，作用在股骨假体上的应力应小于股骨假体的强度，股骨假体在不发生破损下的最大载荷可以评价假体的承载性能：σi(F)<Nσbi；式中，σi(F)为作用在股骨假体上的最大载荷应力值；σbi为股骨假体屈服强度；N为安全系数；指标2：股骨假体疲劳寿命，变幅应力下寿命计算公式：式中，λ为零件可以承受的载荷循环总周期数；ω值为0.68；ni为零件每次运行中的某一种循环的次数；Ni为该循环的疲劳极限；其极限值由古德曼曲线及循环载荷确定；指标3：股骨假体应力遮挡率，在股骨的某一点的应力遮挡程度通常用应力遮挡率η表示，计算某一点应力遮挡率公式：η=(1-σ/σ0)×100%；式中，σ0为假体未置换前股骨所承受的正常应力；σ为假体置换后同一点股骨所承受的应力；指标4：股骨假体最大变形量，股骨模型设置为弹性模型，由广义胡克定律形式的弹性变形方程计算股骨假体变形量；步骤四（二）、股骨假体优选：采用模糊物元分析法对步骤四（一）所述的四个评价指标分别计算对应9种材料匹配方案的指标幅值，利用幅值对四个特征进行赋值以后，通过评价指标值计算从优隶属度值并获得关联系数矩阵，利用各特征权重值建立评价指标权重矩阵，建立起9个材料匹配方案4种特征的股骨假体性能综合评价模型，依据对应于9种材料匹配方案的综合评价模型的最终计算结果数据确定最佳方案，实现股骨假体的多目标优化。2.根据权利要求1所述的一种基于材料性能多目标优化的股骨假体优选方法，其特征在于：在步骤一中，股骨假体结构建模的具体过程为：步骤一（一）、股骨内外轮廓线的提取：股骨的外轮廓线主要用于股骨三维实体建模，而内轮廓线是假体建模的主要依据；利用医学专用软件MIMICS导入多张DICOM格式的文件图像，共导入400-600张CT图像，通过阀值设定、面罩编辑、区域增长、3D计算、光顺处理和网格划分这些步骤，最终得到股骨的内外轮廓线；步骤一（二）、股骨假体柄结构设计：将MIMICS中提取完的轮廓线导入UG中，然后分别对假体柄和球头进行建模；对假体柄2CN103530466A权利要求书2/4页进行建模时采用中心线多截面混合法，其具体流程是：以股骨内轮廓线为基准建立中心轴线，中心轴线建立以后以其为基础应用混合扫描法通过对不同轮廓线形成的截面进行扫描最终得到假体模型，股骨假体柄模型在干骺端进行横条纹处理，在股骨干部分进行竖条纹处理；步骤一（三）、球头结构设计：通过建立三种不同形状的股骨头，从而优化股骨头和髋臼的匹配形式；球状人工股骨头的直径为26mm，根据球状股骨头的尺寸，椭球股骨头尺寸的长轴取为26mm，短轴为