一種骨骼植入體內(nèi)填充多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
【專利摘要】一種植入體多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，利用布爾操作區(qū)域性填充多孔網(wǎng)格陣列的植入體的方法。其特征在于，通過醫(yī)學影像技術(shù)(CT掃描)獲得缺損人體骨骼三維實體模型，并根據(jù)人體骨骼彈性模量分布，即密質(zhì)骨的彈性模量為12～23.3GPa，松質(zhì)骨的彈性模量為6～10GPa，對截取的人工骨模型進行區(qū)域性網(wǎng)格填充，填充材料為鈦或者醫(yī)用鈦合金。這種方法能夠有效地降低植入體等效彈性模量，從而保證了植入體在人體中具有優(yōu)良的力學性能。
【專利說明】
一種骨骼植入體內(nèi)填充多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明設(shè)計是一種用于降低骨骼植入體彈性模量的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的填充方法，屬于生物醫(yī)學領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]應用于植入體(如髖關(guān)節(jié)、牙齒根)的結(jié)構(gòu)鈦合金主要用于修復和替代人體的硬組織，因此，它們必須具有高的強度和疲勞壽命(也即疲勞強度)。同時，為實現(xiàn)植入體與骨骼之間應力的均勻傳遞，它們還應具有與人體皮質(zhì)骨接近的低彈性模量。制造生物醫(yī)用鈦合金時應選用無毒性的合金元素，同時還應考慮金屬過敏的風險，經(jīng)過大量的實驗表明，Nb、Ta、Zr和Sn等元素具有較好的生物相容性、較小的毒性，被認為是安全的生物醫(yī)用合金元素。
[0003]不過這種全實心的種植體并非十全十美，主要原因在于其彈性模量無法與人體骨骼相匹配。鈦相對其他生物金屬材料而言具有最低的實體彈性模量(IlOGPa)，但與人體骨質(zhì)彈性模量(<30GPa)仍是存在巨大差距。植入體在實際應用過程中主要存在一個應力遮擋的問題，即當不同彈性模量的成分并聯(lián)承擔載荷時，較高彈性模量的成分承擔較多的載荷，即對低彈性模量成分起到應力、應變遮擋作用。根據(jù)wolff定律，當金屬植入體的硬度比骨更硬時，負載將會落在植入體上，從而減小了其周圍骨骼上的負載造成“應力屏蔽”現(xiàn)象一因為壓力減小而弱化骨骼的現(xiàn)象。這會造成植入體的松弛，更甚者，導致移植失敗。另者，植入體還有可能擠壓和預壓效應對骨骼產(chǎn)生更大的壓力，從而導致骨壞死。
[0004]McKibbin等的研究注意到這樣一位患者，一側(cè)小腿骨折保守治療，另一側(cè)小腿創(chuàng)傷性截肢。6周后，保守治療的骨折端產(chǎn)生了豐富的骨痂，而形成鮮明對照的是，截肢的骨殘端幾乎沒有反應。應力遮擋效應是影響骨折愈合的最重要的負面因素之一。應力遮擋效應的大小不但取決于固定材料的應力分流，更主要地取決于骨折斷端間的應力傳導。在同樣固定條件下，骨折斷端所受到的應力刺激隨肢體功能狀態(tài)而改變。保護下的負重鍛煉有助于增加骨折斷端間的應力傳導，從而減少應力遮擋效應，促進骨折愈合。
[0005]在傳統(tǒng)的骨骼有限元模型構(gòu)建方法中，一般把骨的材料分為兩種:骨松質(zhì)和骨密質(zhì)。在仿真過程中，通常采用的是優(yōu)化的多孔結(jié)構(gòu)。多孔材料是一類具有周期性排列孔隙的材料，其優(yōu)勢在于可任意根據(jù)其孔隙率調(diào)節(jié)彈性特性(彈性模量和泊松比)，優(yōu)良的綜合力學性能(主要是強度和剛度)等等。這樣的多孔結(jié)構(gòu)有利于人體新骨組織的長入以及營養(yǎng)物質(zhì)的輸送。
[0006]基于幾何造型的多孔植入體設(shè)計方法，通過相應的布爾運算即可以獲得整體多孔植入體或者局部多孔的植入體。設(shè)計方法簡單，且目前大多數(shù)商業(yè)化造型軟件都支持布爾運算，是目前多孔植入體設(shè)計常常采用的方法。然而該方法的缺陷同樣明顯，在布爾運算后，在幾何形態(tài)的外輪廓往往會出現(xiàn)階梯現(xiàn)象導致幾何輪廓失真，且性能往往不穩(wěn)定。所以，如何構(gòu)建可制造的植入體多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是近年來研究的熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]醫(yī)用骨骼的個性化植入體的制造，在增材制造技術(shù)的發(fā)展下逐漸成為一種趨勢。根據(jù)以上的研究結(jié)果，本發(fā)明提供了一種將醫(yī)用鈦合金多孔網(wǎng)格區(qū)域化地填充到人體骨骼的方法。這種方法在大大降低材料本身的彈性模量的同時，也保留了其力學性能。根據(jù)人體骨骼彈性模量的分布，密質(zhì)骨的彈性模量為12?23.3GPa，松質(zhì)骨的彈性模量為O?lOGPa，可改善植入體材料的質(zhì)量和功能。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種骨骼植入體內(nèi)填充多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，通過醫(yī)學影像技術(shù)(CT掃描)獲得缺損人體骨骼三維實體模型，并根據(jù)人體骨骼彈性模量分布，即密質(zhì)骨的彈性模量為12?23.3GPa，松質(zhì)骨的彈性模量為O?lOGPa，對截取的人工骨模型進行區(qū)域性網(wǎng)格填充，使植入體材料的等效彈性模量降低；
[0010]具體的設(shè)計方案為:
[0011]步驟一:利用醫(yī)學影像技術(shù)，獲得患者骨骼缺損部位的斷層數(shù)據(jù)，通過圖像處理提取其輪廓數(shù)據(jù)，然后導入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個體匹配性的骨骼實體模型，其中包括完整的骨骼模型和缺損的骨骼模型，轉(zhuǎn)換模型文件格式為STL;
[0012]步驟二:打開三維模型處理軟件Magics，將骨骼的STL模型導入Magics中，通過比對完整骨骼和缺損骨骼，利用工具欄的切割工具，截取完整骨骼和缺損部位一樣大小的骨模型，并保存該模型；
[0013]步驟三:將步驟二截取并保存的骨骼模型導入Magics中，利用軟件的標記功能，選中并標記骨骼的上下底面及外表面，并且刪除選中骨骼模型的表面，得到一個中空的骨內(nèi)腔模型，點擊修復工具頁的補洞功能，得到一個填滿的骨內(nèi)腔模型，保存該模型；
[0014]步驟四:將步驟二的骨模型和步驟三的骨內(nèi)腔模型導入Magics軟件中，利用修復工具，對兩個模型進行修復。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對骨模型填充59%?71%體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為5mm X 5mm X 5mm;骨模型填充59 %?71 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格為符合人體松質(zhì)骨彈性模量范圍的網(wǎng)格，其彈性模量為6?1GPa;
[0015]步驟五:選中步驟四兩個填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對二者進行布爾并運算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對模型進行修復并存儲，將模型導入3D打印機成型。
[0016]另外，多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)材料的原始材料為鈦及醫(yī)用鈦合金或者鈷鉻合金等具有優(yōu)良的生物相容性材料。權(quán)利要求2所述的多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)其基本結(jié)構(gòu)單元由八個形貌相同但排列方向各異的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合而成，每個結(jié)構(gòu)的設(shè)計都嚴格遵守拓撲軟件優(yōu)化后的密度云圖結(jié)果。拓撲優(yōu)化過程可簡化為一個nXnXn(n為大于等于I的整數(shù))正方體，右上角(n，η，η)受到一個的集中載荷力，左下角(0,0,0)為固定端，輸入實心材料本身無孔隙情況下的彈性模量和泊松比及想要得到多孔結(jié)構(gòu)的體積分數(shù)。網(wǎng)格劃分20層(20為建議值，太大影響計算機運算速度，太小影響精確度)，設(shè)定拓撲優(yōu)化控制過程并求解得到最終的密度云圖，最后在密度云圖中控制輸出密度為0.8以上紅色部分。建模過程為了詳盡的獲取整個優(yōu)化結(jié)構(gòu)的信息，可通過密度云圖在X軸方向上劃分出多個剖面，將每個剖面的中密度超過0.8的圖像通過畫圖軟件進行定位記錄，最后將記錄的多個剖面形狀進行串聯(lián)至整個結(jié)構(gòu)建模完成。
[0017]進一步，對于導入Magics軟件的多孔植入體的STL文件，為了保證后續(xù)操作的順利進行，需要進行修復的項目為法向修復、合并殼體、縫合、移除干擾殼體、補洞；
[0018]步驟四所述的59%?71 %體積分數(shù)的網(wǎng)格為符合人體密質(zhì)骨彈性模量范圍的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格為符合人體松質(zhì)骨彈性模量范圍的網(wǎng)格，其彈性模量為6?10GPa(這里的彈性模量值為實驗測量所得)；
[0019]進一步，骨骼模型和骨內(nèi)腔模型中心坐標必須位置匹配(建議都處于默認位置坐標X: 10mm，y: 10mm，z:5mm)，再利用布爾并運算，將兩個模型組合成一個多孔骨模型，獲得多孔植入體；
[0020]進一步，步驟五所述的多孔網(wǎng)格植入體模型，導入3D打印機中打印成型的方法，可為SLM(激光選區(qū)熔化技術(shù))、EBM(電子束選區(qū)熔化技術(shù))等其它的金屬成型方法。
[0021]所述的多孔網(wǎng)格植入體對人體缺損骨骼的修復，具有普遍適用性。
[0022]本發(fā)明具有的優(yōu)勢:
[0023]1、與傳統(tǒng)的網(wǎng)格制造方法(如熔鑄法)等方法對比，本發(fā)明能夠自由地在植入體材料中成型不同內(nèi)孔形狀和尺寸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)陣列，區(qū)域化地填充網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，能更有針對地降低多孔植入體等效彈性模量；
[0024]2、本發(fā)明通過測量不同體積分數(shù)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彈性模量，并且結(jié)合了人體骨骼實際的彈性模量分布情況，將二者作為多孔結(jié)構(gòu)陣列的設(shè)計根據(jù)，提高了多孔植入材料的生物匹配度，能讓多孔植入體的設(shè)計更具備實用價值；
[0025]3、本發(fā)明基于人體骨骼多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，通過相應的布爾運算獲得整體多孔植入體或者局部多孔的植入體，能夠?qū)崿F(xiàn)植入體的輕量化，得到良好的力學性能，為個性化植入體的將來的應用具有重要的意義。
【附圖說明】
[0026]附圖1是人體骨骼多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)植入體的設(shè)計流程圖
[0027]附圖2是CT掃描人體骨骼的STL模型；
[0028]附圖3是利用Magics軟件截取人體骨骼缺損部位的結(jié)果；
[0029]附圖4是構(gòu)建人體骨內(nèi)腔的三維模型；
[0030]附圖5是將不同體積分數(shù)網(wǎng)格填充到人體骨和內(nèi)腔的三維模型；
[0031]附圖6是人體骨骼多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)植入體的三維模型。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明的人體骨骼多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)植入體的設(shè)計流程如附圖1，具體的實施方式如下:
[0033]步驟一:利用醫(yī)學影像技術(shù)，獲得患者骨骼缺損部位的斷層數(shù)據(jù)，通過圖像處理提取其輪廓數(shù)據(jù)，然后導入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個體匹配性的骨骼實體模型，其中包括完整的骨骼模型和缺損的骨骼模型，轉(zhuǎn)換模型文件格式為STL;
[0034]步驟二:打開三維模型處理軟件Magics，將骨骼的STL模型導入Magics中，通過比對完整骨骼和缺損骨骼，利用工具欄的切割工具，截取完整骨骼和缺損部位一樣大小的骨模型，并保存該模型；
[0035]步驟三:將步驟二截取并保存的骨骼模型導入Magics中，利用軟件的標記功能，選中并標記骨骼的上下底面及外表面，并且刪除選中骨骼模型的表面，得到一個中空的骨內(nèi)腔模型，點擊修復工具頁的補洞功能，得到一個填滿的骨內(nèi)腔模型，保存該模型；
[0036]步驟四:將步驟二的骨模型和步驟三的骨內(nèi)腔模型導入Magics軟件中，利用修復工具，對兩個模型進行修復。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對骨模型填充59%?71%體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為5mm X 5mm X 5mm;骨模型填充59 %?71 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格為符合人體松質(zhì)骨彈性模量范圍的網(wǎng)格，其彈性模量為6?1GPa;
[0037]步驟五:選中步驟四兩個填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對二者進行布爾并運算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對模型進行修復并存儲，將模型導入3D打印機成型。
[0038]雖然這里結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很多其它的變化、改進以及應用將是很明顯的。因此，本發(fā)明不應當受此處特定公開的限制，而應由附加的權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項】
1.一種骨骼植入體內(nèi)填充多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，通過醫(yī)學影像技術(shù)獲得缺損人體骨骼三維實體模型，并根據(jù)人體骨骼彈性模量分布，即密質(zhì)骨的彈性模量為12?23.3GPa，松質(zhì)骨的彈性模量為O?lOGPa，對截取的人工骨模型進行區(qū)域性網(wǎng)格填充。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，步驟如下: 步驟一:利用醫(yī)學影像技術(shù)，獲得患者骨骼缺損部位的斷層數(shù)據(jù)，通過圖像處理提取其輪廓數(shù)據(jù)，然后導入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個體匹配性的骨骼實體模型，其中包括完整的骨骼模型和缺損的骨骼模型，轉(zhuǎn)換模型文件格式為STL; 步驟二:打開三維模型處理軟件Magics，將骨骼的STL模型導入Magics中，通過比對完整骨骼和缺損骨骼，利用工具欄的切割工具，截取完整骨骼和缺損部位一樣大小的骨模型，并保存該模型； 步驟三:將步驟二截取并保存的骨骼模型導入Magics中，利用軟件的標記功能，選中并標記骨骼的上下底面及外表面，并且刪除選中骨骼模型的表面，得到一個中空的骨內(nèi)腔模型，點擊修復工具頁的補洞功能，得到一個填滿的骨內(nèi)腔模型，保存該模型； 步驟四:將步驟二的骨模型和步驟三的骨內(nèi)腔模型導入Magics軟件中，利用修復工具，對兩個模型進行修復。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對骨模型填充59%?71%體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為5mm X 5mm X 5mm;骨模型填充59 %?71 %體積分數(shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分數(shù)的網(wǎng)格為符合人體松質(zhì)骨彈性模量范圍的網(wǎng)格，其彈性模量為6?1GPa; 步驟五:選中步驟四兩個填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對二者進行布爾并運算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對模型進行修復并存儲，將模型導入3D打印機成型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于:原始材料為鈦及醫(yī)用鈦合金或者鈷鉻I=IO4.據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于:所述的多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)其基本結(jié)構(gòu)單元由八個形貌相同但排列方向各異的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合而成，拓撲優(yōu)化過程簡化為一個nXn Xη正方體，η為大于等于I的整數(shù)，右上角(η，η，η)受到一個的集中載荷力，左下角(0，0，0)為固定端，輸入實心材料本身無孔隙情況下的彈性模量和泊松比及想要得到多孔結(jié)構(gòu)的體積分數(shù)。網(wǎng)格劃分20層，設(shè)定拓撲優(yōu)化控制過程并求解得到最終的密度云圖，最后在密度云圖中控制輸出密度為0.8以上部分。5.據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于:修復的項目為法向修復、合并殼體、縫合、移除干擾殼體、補洞。6.據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于:骨骼模型和骨內(nèi)腔模型中心坐標都處于默認位置坐標X: 10mm，y:1Omm,ζ:5_，再利用布爾并運算，將兩個模型組合成一個多孔骨模型，獲得多孔植入體。
【文檔編號】A61F2/28GK105997306SQ201610264973
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】張冬云, 徐仰立, 曹玄揚, 馮喆
【申請人】北京工業(yè)大學