[发明专利]融合器的结构拓扑优化方法

说明书

本发明提出一种融合器的结构拓扑优化方法，包括以下步骤：构建一融合器主体、上压块及下压块，上压块和下压块分别设置在融合器主体的上侧和下侧；根据待模拟的测试工况，设置针对融合器主体、和/或针对上压块和下压块并作用在融合器主体上的相互作用关系，设置优化目标；网格化融合器主体，得到若干空间体网格单元，对各个单元进行标识；对融合器主体赋予钛合金材料属性，对上压块和下压块赋予刚体属性；模拟测试工况，在相互作用关系及材料属性的基础上，对测试工况下的各个空间体网格单元进行应力计算；对全部空间体网格单元按应力大小进行排序，根据优化目标删除若干空间体网格单元，得到优化后的融合器主体结构。能够优化融合器结构的应力分布等。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及的是一种融合器的结构拓扑优化方法。

背景技术

融合器用来进行脊柱椎间融合，常用于骨科/脊柱外科手术/脊柱融合术中。融合器需要进入体内，甚至需要长期植入在体内中，由于人体的各种运动，需要融合器在各个方向上能够承受不同程度的挤压、扭曲等力的作用。

融合器各个部位所承受的力的大小会较大的差异，融合器结构的最大应力出现在融合器前后的角落处，融合器的前后角处容易发生破坏，但是，融合器侧边的大片区域不承力或承受较小力。而目前，还未有对融合器进行根据应力分布优化结构的方法，因而融合器上通常会形成应力水平两极分化的情况，容易在受力较大的部位发生破坏，缩短融合器的使用寿命，导致可能需要频繁进行手术更换，不仅成本上升，也影响病人的身体情况；同时承力较小的大片区域，则存在着冗余的情况，在手术过程中，这些冗余结构会造成一定的阻碍，妨碍其余结构的容置或操作。

中国专利局公开的申请号为201610440183.8的专利申请文件中，公开了一种柔性铰链的拓扑优化设计方法，包含相对密度、输入和输出端、虚拟弹簧、中点位移、目标函数、灵敏度等多个参数和变量，计算公式复杂不易懂。还需要多次对灵敏度、约束条件和目标函数进行计算，计算繁琐。且其是对二维的柔性铰链进行的优化，非对三维融合器在复合工况下的受力情况进行结构优化。

中国专利局公开的申请号为201410827006.6的专利申请文件中，公开了一种基于拓扑优化及骨重建仿真的个性化椎间融合器设计方法，提到了对融合器进行优化。但其采用变密度法进行优化，是人为引进了一种假想的密度可变的材料，其相对密度和弹性模量之间的关系也是假定的，这会导致由于假定关系的不准确或错误，引起最后结果的一系列错误结论。此外，其采用的优化准则是一种间接的优化方法，它不直接优化目标函数，而是基于Kuhn-Tucker条件，通过构造Lagrange函数来形成设计变量的更新方案，通过迭代完成优化模型的求解。优化模型的求解完成后，将xi接近0的单元移除，实现融合器的优化设计。这种方法不是直接对结果应力或结构进行优化，中间的Kuhn-Tucker条件及Lagrange函数中的各个参数，无法准确控制最后的应力水平，因此需要多次尝试及迭代，从而增加计算成本和计算量。再者，该方法对xi的密度进行变化，其提到密度与弹性模量是个假定的关系，意味着密度变化了，弹性模量也发生变化，这不符合实际情况。在给定材料的条件下，不论材料的多少，其材料属性都是固定的，意味着弹性模量也是固定的。对密度进行变化会带来材料属性(包括弹性模量、断裂属性、塑性端属性)的变化，即把原有材料更换为新的材料，使得最终结果因材料属性发生变化而与实际情况不符。

退一步说，即便更改密度不会带来材料属性的变化，使得优化满足约束条件，然而在计算目标函数的时候，也涉及到了密度，在得到最小的应变能时，是因为某部分单元密度小，导致总体的应变能最小，但未考虑应力的影响。实际计算应变时公式为ε＝σ/E，包含了应力σ与杨氏模量E。根据其专利描述，E与密度相关，但未提及应力的变化关系。使得有可能最后优化结构的最大应力高于材料的许用应力或极限应力，使得优化后结构发生破坏。