[发明专利]一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法

权利要求书

1.一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：所述方法的具体实现包含以下步骤：

S1.股骨种植体几何建模；

S2.初始年龄段有限元模型的建立；

S3.多年龄段股骨种植体有限元模型的建立；

S4.评价指标及钛种植体的结构优化。

2.一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S1中，还包含以下具体步骤：

S101.股骨几何模型的建立：

将包含股骨的CT图像进行阈值分割、区域增长、蒙版编辑操作，从而将对应的股骨区域划分出来，之后利用已经分割好的股骨的蒙板建立对应的股骨的三维模型，接着对已经建立的模型进行平滑操作使得所建立的股骨几何模型更加的精确；

S102.股骨几何模型的优化：

虽然在S101中已经建立了股骨的几何模型，且对模型进行了优化处理以及三角面片数量的缩减，但是，股骨几何模型上仍存在尖点和孔洞等瑕疵，因此，需要对已经建立的模型进行修补、平滑、提取轮廓线、构造栅格以及曲面拟合等处理以得到可以用于后续有限元建模的股骨几何模型；

S103.钛种植体几何模型的建立：

钛种植体主要由三部分组成：固定装置、基台、基台螺钉构成；首先建立初始的固定装置、基台、基台螺钉的三维模型，各零件的具体尺寸如下：固定装置整体长度为50mm，外螺纹用于与股骨进行连接，其整体长度为50mm，对应的大径为23.7mm，小径为22.8mm，螺纹牙距为2mm，固定装置的内螺纹用于和基台进行连接，其对应的长度为30mm，螺纹牙距为2mm，对应的大径为15.7mm，小径为14.8mm；基台长度为60mm，外螺纹的长度为28mm，基台螺钉的长度为15mm；接着对初始建立的固定装置三维模型进行修改，以建立固定装置内部的多孔结构，之后完成对于多孔固定装置、基台、基台螺钉的装配，建立初始的钛种植体几何模型；

S104.股骨种植体几何模型的装配与建立：

将优化后的股骨几何模型与多孔种植体模型进行装配以得到初始年龄段的股骨种植体几何模型，并将此模型应用于后续多年龄段股骨种植体模型的构建。

3.根据权利要求1所述的一种基于年龄因素的钛种植体结构优化方法，其特征在于：在所述步骤S2中，还包含以下具体步骤：

S201.将建立好的初始年龄段的股骨种植体几何模型进行网格划分操作，其中，钛种植体中的固定装置、基台、基台螺钉以及对应股骨中的皮质骨以及松质骨皆采用8节点4面体单元进行划分；

S202.材料参数的确定：

建立的初始年龄段股骨钛种植体有限元模型的年龄为26岁，初始的股骨模型中皮质骨的密度为2000kg/m3，杨氏模量为16.6GPa，对应的泊松比是0.3，极限应力是133.2MPa，极限应变为3.39％，股骨松质骨的密度861.5kg/m3，杨氏模量为1.01GPa，对应的泊松比为0.3，极限应力为13.6MPa；极限应变为13.4％；钛种植体的初始孔隙率为40％，对应弹性模量为38.2GPa；

S203.载荷的构建：

在添加载荷的过程中，主要考虑两种状态，一种状态为静态受力，假设人体是双脚站立的状态，给钛种植体下端施加约束，使其3个方向上的位移以及三个方向上的旋转皆为0，并在生理状态下对股骨沿垂直方向加载力F_a来模仿患者的站立状态，其大小为500N；另一种状态为动态受力，假设人体是匀速行走状态，在此种状态下钛种植体受到三个方向的力，它们分别是沿种植体长轴方向的力F_L，沿解剖学前后方向的力F_AP，以及沿内外侧方向的力F_ML，用F_R来表示三力的矢量和。力的施加通过定义行走状态下的幅值曲线来进行定义，并为股骨近端添加约束，使其位移为0。