内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法.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CN112233801A(43)申请公布日2021.01.15(21)申请号202011490365.9G06F119/14(2020.01)(22)申请日2020.12.17(71)申请人季华实验室地址528200广东省佛山市南海区桂城街道环岛南路28号(72)发明人刘亚雄陈旭曲晓丽赵广宾伍言龙康建峰易荣李涤尘王玲连芩(74)专利代理机构北京开阳星知识产权代理有限公司11710代理人罗程凯(51)Int.Cl.G16H50/50(2018.01)G06F30/23(2020.01)G06F111/04(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图1页(54)发明名称内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法(57)摘要内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓扑优化设计方法，涉及骨科假体技术领域。内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，包括计算参考应变能、计算应变能总和、计算归一化应变能、建立内置假体的最大材料保留率、最大范式应力、计算所有单元平均材料保留率以及假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值、建立并令刚度匹配函数对归一化应变能的偏导数为零解得加权因子的取值并带入得到刚度匹配函数、建立拓扑优化数学模型。将健康骨作为假体设计的参照，利用加权因子和增减函数来可控调节假体刚度达到与参考应变能相近水平，利用增减函数的互相抵耗作用实现优化模型函数的极值调控，使得收敛稳定，以便于获得最优解，方便实际工程的运用。CN112233801ACN112233801A权利要求书1/2页1.一种内置假体拓扑优化数学模型的构建方法，其特征在于，计算与所设计的内置假体的初步模型与周围骨的有限元装配模型相同空间范围内健康骨的有限元单元的应变能总和，记为参考应变能；建立所设计的内置假体的最大材料保留率；建立所设计的内置假体允许的最大范式应力，最大范式应力为制造所述内置假体所用材料的屈服极限的0.05-0.8倍；计算所述内置假体包含空间范围内有限元单元的应变能总和；建立并计算归一化应变能；计算所有单元平均材料保留率；计算假体包含区域所有有限元单元的几何中心的应力的最大值；建立刚度匹配函数，；为加权因子，是关于在区间上的单调增函数，是关于在区间上的单调减函数，其中和为指数函数、幂函数、对数函数或上述不同类型函数的组合且和使得刚度匹配函数在区间上存在唯一极小值，即刚度匹配函数在加权因子处取得上述唯一极小值；令和偏导数，然后求解此时的取值，并令代入刚度匹配函数中得到，建立拓扑优化数学模型。2.一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集患者骨缺损处数据，并建立骨缺损处周围骨组织三维模型，设计在骨解剖形态下与骨缺损处匹配的内置假体的初步模型，然后执行步骤2；步骤2：对所述初步模型和周围骨进行有限元网格划分和材料力学属性赋值，并设置接触界面属性为绑定约束以模拟内置假体远期固定状态，设计所述初步模型与周围骨的有限元装配模型，然后执行步骤3；步骤3：将步骤1中设计的内置假体初步模型划分为设计区域和非设计区域，然后执行步骤4；步骤4：采用权利要求1所述的构建方法建立内置假体拓扑优化数学模型，然后执行步骤5；步骤5：根据步骤4所建立的拓扑优化数学模型，进行变密度结构拓扑优化迭代，直至迭代收敛为止，然后执行步骤6；2CN112233801A权利要求书2/2页步骤6：依据原有健康骨的最大位移建立假体允许的最大位移，评估应用步骤5中迭代收敛的模型制造的假体的最大位移是否满足假体允许的最大位移，若满足则输出变密度假体模型并执行步骤7；若不满足，则改变步骤4中定义的最大材料保留率的取值并执行步骤4；步骤7：将位于设计区域的相对密度值按照Gibson-Ashby模型理论投影生成梯度多孔结构，并与非设计区域进行布尔并运算，输出内置假体的最终模型。3.根据权利要求2所述的一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，所述的步骤4中的取值范围为。4.根据权利要求2所述的一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，所述的步骤4中最大材料保留率的取值范围为。5.根据权利要求4所述的一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，的初值的取值范围为10%-30%。6.根据权利要求2所述的一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤3中的设计区域包括结构拓扑优化设计中可变拓扑区域或可变弹性模量区域。7.根据权利要求2所述的一种基于刚度匹配的骨科内置假体拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤1中的患者骨缺损处数据包括CT数据和/或MRI数据。3CN112233801A说明书1/6页内置假体拓扑优化数学模型构建方法及拓