[发明专利]一种基于拓扑优化技术的松质骨多孔结构建模方法

说明书

本发明涉及生物医疗技术领域，一种基于拓扑优化技术的松质骨多孔结构建模方法，包括以下步骤：(1)建立松质骨模型，(2)求解松质骨模型的体积分数，(3)求解松质骨模型的力学性能，(4)提出本方法的拓扑优化模型，(5)求解多孔结构，(6)还原CAD模型。本发明考虑到真实松质骨的性能，设计得到的模型更加符合真实松质骨结构的要求，并且大大减少了模型的数据量，满足加工和后处理的要求，为进一步的骨科临床手术应用奠定了基础。

技术领域

本发明涉及一种基于拓扑优化技术的松质骨多孔结构建模方法，属于生物医疗技术领域。

背景技术

股骨是人体最大的长管状骨，它起着支撑人体的重要作用。股骨头位于股骨的近端，它是股骨中一个十分重要的部位。近年来，股骨头坏死越来越多的出现在病人的生活中，通过股骨头自身的恢复机制很难使其复原，因此需要通过外部植入体替换的方法使其恢复正常。传统的植入体多是实心植入体，这种植入体虽然具有良好的刚度和强度，但是它的生物相容性差，主要原因是股骨头内部完全是松质骨结构，松质骨是由网状结构的骨板排列而成，具有多孔的特性，除了起到支撑的作用之外，同时也为营养物质的传送以及骨髓的流动提供一个固定的通道。

为了解决实心植入体存在的问题，研究人员提出了采用多孔结构植入体代替实心植入体。多孔结构植入体是由一系列周期性排列的多孔结构组成，它具有多孔的特性，有利于骨组织的内生长，且骨组织与多孔植入体的结合界面会更加牢固。与传统实心植入体相比，它不仅生物相容性更好，而且可以通过改变体积分数以及结构形式的方式对植入体的整体的性能进行调控。因此，多孔结构植入体在很长一段时间内受到了人们的广泛关注。

传统的多孔结构设计方法通常可以分为以下两种，分别是构造实体几何法和基于图像的建模方法。构造实体几何法是一种以CAD技术为基础的程序化建模方法。它是以简单体元为基础，利用现有的工程软件UG、CATIA、PRO-E、SolidWorks等，通过布尔运算得到复杂的曲面以及空间结构的方法。通常用到的体元有圆柱、圆锥、长方体、球体等，将其进行求交集或者并集等操作，可以得到复杂的空间结构。构造实体几何法进行多孔结构重建所得到的模型具有结构简单、便于加工以及后处理的特点，但是无法对结构的整体性能加以控制。基于图像的建模方法是以现有的医学图像CT以及MRI等为基础，直接利用图像进行模型建立的方法，这种方法最大的优势就是可以保证模型的真实性。图像建模方法得到的多孔结构模型具有真实结构的性能，应用于数值分析尚可，但是给加工以及后期处理带来困难。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种基于拓扑优化技术的松质骨多孔结构建模方法。该方法将松质骨的力学性能和体积分数应用于多孔结构的设计中，使得到的结果既能满足真实松质骨的力学性能要求，又能满足工业加工的要求。拓扑优化技术可以根据给定的目标函数和约束条件对特定性能的结构进行设计，结果具有模型数据量小，便于加工等特点，为进一步的骨科临床手术应用奠定了基础。

为了实现上述发明目的，解决己有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种基于拓扑优化技术的松质骨多孔结构建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立松质骨模型，为了保证松质骨模型的真实性，本发明基于医学图像建立松质骨模型，具体包括以下子步骤：

(a)根据设计要求选取股骨头并对其进行物理处理，利用Micro-CT仪器扫描得到松质骨结构的医学图像；

(b)利用Mimics软件对Micro-CT仪器扫描得到的医学图像进行处理，包括窗宽和窗位调整、阈值分割、区域增长，得到具有清晰骨小梁结构的松质骨图像，并建立松质骨结构模型；

步骤2、求解松质骨模型的体积分数，将在Mimics中建立得到的松质骨模型导出为STL格式，并将其导入到Magics软件中得到松质骨模型的体积信息，并基于此体积信息对松质骨模型的体积分数V_m/V进行求解，其中V_m是松质骨实心部分的体积，V是松质骨实心部分和空心部分的总体积；