一種骨骼植入體內(nèi)填充多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種植入體多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(xué)影像技術(shù)(CT掃描)獲得缺損人體骨骼三維實(shí)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(duì)截取的人工骨模型進(jìn)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(xué)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(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)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(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)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(fù)和替代人體的硬組織，因此，它們必須具有高的強(qiáng)度和疲勞壽命(也即疲勞強(qiáng)度)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)植入體與骨骼之間應(yīng)力的均勻傳遞，它們還應(yīng)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(shí)應(yīng)選用無毒性的合金元素，同時(shí)還應(yīng)考慮金屬過敏的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)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(rèn)為是安全的生物醫(yī)用合金元素。
[0003]不過這種全實(shí)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(duì)其他生物金屬材料而言具有最低的實(shí)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(shí)際應(yīng)用過程中主要存在一個(gè)應(yīng)力遮擋的問題，即當(dāng)不同彈性模量的成分并聯(lián)承擔(dān)載荷時(shí)，較高彈性模量的成分承擔(dān)較多的載荷，即對(duì)低彈性模量成分起到應(yīng)力、應(yīng)變遮擋作用。根據(jù)wolff定律，當(dāng)金屬植入體的硬度比骨更硬時(shí)，負(fù)載將會(huì)落在植入體上，從而減小了其周圍骨骼上的負(fù)載造成“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象一因?yàn)閴毫p小而弱化骨骼的現(xiàn)象。這會(huì)造成植入體的松弛，更甚者，導(dǎo)致移植失敗。另者，植入體還有可能擠壓和預(yù)壓效應(yīng)對(duì)骨骼產(chǎn)生更大的壓力，從而導(dǎo)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(duì)照的是，截肢的骨殘端幾乎沒有反應(yīng)。應(yīng)力遮擋效應(yīng)是影響骨折愈合的最重要的負(fù)面因素之一。應(yīng)力遮擋效應(yīng)的大小不但取決于固定材料的應(yīng)力分流，更主要地取決于骨折斷端間的應(yīng)力傳導(dǎo)。在同樣固定條件下，骨折斷端所受到的應(yīng)力刺激隨肢體功能狀態(tài)而改變。保護(hù)下的負(fù)重鍛煉有助于增加骨折斷端間的應(yīng)力傳導(dǎo)，從而減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)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(shì)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(xué)性能(主要是強(qiáng)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(zhǎng)入以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送。
[0006]基于幾何造型的多孔植入體設(shè)計(jì)方法，通過相應(yīng)的布爾運(yùn)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(jì)方法簡(jiǎn)單，且目前大多數(shù)商業(yè)化造型軟件都支持布爾運(yùn)算，是目前多孔植入體設(shè)計(jì)常常采用的方法。然而該方法的缺陷同樣明顯，在布爾運(yùn)算后，在幾何形態(tài)的外輪廓往往會(huì)出現(xiàn)階梯現(xiàn)象導(dǎo)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(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]醫(yī)用骨骼的個(gè)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(shì)。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(shí)，也保留了其力學(xué)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(jì)方法，其特征在于，通過醫(yī)學(xué)影像技術(shù)(CT掃描)獲得缺損人體骨骼三維實(shí)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(duì)截取的人工骨模型進(jìn)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(jì)方案為:
[0011]步驟一:利用醫(yī)學(xué)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(dǎo)入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個(gè)體匹配性的骨骼實(shí)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(dǎo)入Magics中，通過比對(duì)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(dǎo)入Magics中，利用軟件的標(biāo)記功能，選中并標(biāo)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(gè)中空的骨內(nèi)腔模型，點(diǎn)擊修復(fù)工具頁的補(bǔ)洞功能，得到一個(gè)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(dǎo)入Magics軟件中，利用修復(fù)工具，對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行修復(fù)。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對(duì)骨模型填充59%?71%體積分?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對(duì)骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分?jǐn)?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(gè)填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對(duì)二者進(jìn)行布爾并運(yùn)算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)并存儲(chǔ)，將模型導(dǎo)入3D打印機(jī)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(gè)形貌相同但排列方向各異的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)組合而成，每個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵守拓?fù)滠浖?yōu)化后的密度云圖結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化過程可簡(jiǎn)化為一個(gè)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(gè)的集中載荷力，左下角(0,0,0)為固定端，輸入實(shí)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?jǐn)?shù)。網(wǎng)格劃分20層(20為建議值，太大影響計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，太小影響精確度)，設(shè)定拓?fù)鋬?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(gè)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(gè)剖面，將每個(gè)剖面的中密度超過0.8的圖像通過畫圖軟件進(jìn)行定位記錄，最后將記錄的多個(gè)剖面形狀進(jìn)行串聯(lián)至整個(gè)結(jié)構(gòu)建模完成。
[0017]進(jìn)一步，對(duì)于導(dǎo)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(jìn)行，需要進(jìn)行修復(fù)的項(xiàng)目為法向修復(fù)、合并殼體、縫合、移除干擾殼體、補(bǔ)洞；
[0018]步驟四所述的59%?71 %體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)測(cè)量所得)；
[0019]進(jìn)一步，骨骼模型和骨內(nèi)腔模型中心坐標(biāo)必須位置匹配(建議都處于默認(rèn)位置坐標(biāo)X: 10mm，y: 10mm，z:5mm)，再利用布爾并運(yùn)算，將兩個(gè)模型組合成一個(gè)多孔骨模型，獲得多孔植入體；
[0020]進(jìn)一步，步驟五所述的多孔網(wǎng)格植入體模型，導(dǎo)入3D打印機(jī)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(duì)人體缺損骨骼的修復(fù)，具有普遍適用性。
[0022]本發(fā)明具有的優(yōu)勢(shì):
[0023]1、與傳統(tǒng)的網(wǎng)格制造方法(如熔鑄法)等方法對(duì)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(duì)地降低多孔植入體等效彈性模量；
[0024]2、本發(fā)明通過測(cè)量不同體積分?jǐn)?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(shí)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(jì)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(jì)更具備實(shí)用價(jià)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(jì)方法，通過相應(yīng)的布爾運(yùn)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(xué)性能，為個(gè)性化植入體的將來的應(yīng)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(jì)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?jǐn)?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(shí)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(jì)流程如附圖1，具體的實(shí)施方式如下:
[0033]步驟一:利用醫(yī)學(xué)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(dǎo)入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個(gè)體匹配性的骨骼實(shí)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(dǎo)入Magics中，通過比對(duì)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(dǎo)入Magics中，利用軟件的標(biāo)記功能，選中并標(biāo)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(gè)中空的骨內(nèi)腔模型，點(diǎn)擊修復(fù)工具頁的補(bǔ)洞功能，得到一個(gè)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(dǎo)入Magics軟件中，利用修復(fù)工具，對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行修復(fù)。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對(duì)骨模型填充59%?71%體積分?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對(duì)骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分?jǐn)?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(gè)填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對(duì)二者進(jìn)行布爾并運(yùn)算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)并存儲(chǔ)，將模型導(dǎo)入3D打印機(jī)成型。
[0038]雖然這里結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很多其它的變化、改進(jìn)以及應(yīng)用將是很明顯的。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)受此處特定公開的限制，而應(yīng)由附加的權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(jì)方法，其特征在于，通過醫(yī)學(xué)影像技術(shù)獲得缺損人體骨骼三維實(shí)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(duì)截取的人工骨模型進(jìn)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(jì)方法，其特征在于，步驟如下: 步驟一:利用醫(yī)學(xué)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(dǎo)入三維重構(gòu)軟件mimics，獲得具有個(gè)體匹配性的骨骼實(shí)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(dǎo)入Magics中，通過比對(duì)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(dǎo)入Magics中，利用軟件的標(biāo)記功能，選中并標(biāo)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(gè)中空的骨內(nèi)腔模型，點(diǎn)擊修復(fù)工具頁的補(bǔ)洞功能，得到一個(gè)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(dǎo)入Magics軟件中，利用修復(fù)工具，對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行修復(fù)。利用工具欄的網(wǎng)格填充功能，對(duì)骨模型填充59%?71%體積分?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，填充網(wǎng)格的大小為6mm X 6mm X 6mm，對(duì)骨內(nèi)腔模型填充73 %?79 %體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的網(wǎng)格，其彈性模量為15?20GPa;所述73 %?79 %體積分?jǐn)?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(gè)填充好網(wǎng)格的骨模型和內(nèi)腔模型，對(duì)二者進(jìn)行布爾并運(yùn)算，得到植入骨網(wǎng)格填充模型，對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)并存儲(chǔ)，將模型導(dǎo)入3D打印機(jī)成型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)形貌相同但排列方向各異的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)組合而成，拓?fù)鋬?yōu)化過程簡(jiǎn)化為一個(gè)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(gè)的集中載荷力，左下角(0，0，0)為固定端，輸入實(shí)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?jǐn)?shù)。網(wǎng)格劃分20層，設(shè)定拓?fù)鋬?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(jì)方法，其特征在于:修復(fù)的項(xiàng)目為法向修復(fù)、合并殼體、縫合、移除干擾殼體、補(bǔ)洞。6.據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:骨骼模型和骨內(nèi)腔模型中心坐標(biāo)都處于默認(rèn)位置坐標(biāo)X: 10mm，y:1Omm,ζ:5_，再利用布爾并運(yùn)算，將兩個(gè)模型組合成一個(gè)多孔骨模型，獲得多孔植入體。
【文檔編號(hào)】A61F2/28GK105997306SQ201610264973
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】張冬云, 徐仰立, 曹玄揚(yáng), 馮喆
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)