一种按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法

摘要

本发明公开了一种按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法。包括了CT数据提取；逆向建模；有限元力学模拟；根据应力分布云图将待修复部位分为若干应力区域，并获得每个应力区域对应的区域平均最大应力值，以作为多孔结构的孔隙率设计的依据；进行压缩实验拟合得出该多孔结构形状与医用金属植入物材料下的Gibson‑Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式；以区域平均最大应力值为导向，用Gibson‑Ashby公式逆向计算出所选的多孔结构形态和材料下不同应力区域对应的多孔结构孔隙率值。该方法不仅适用于下颌骨假体不同缺损部位，也适用于其他部位金属假体多孔结构的孔隙率参数的确定。

说明书

技术领域

本发明涉及医用假体领域，尤其涉及一种按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法。

背景技术

随着科学医疗技术的发展，下颌骨缺损、缺失修复这类复杂的手术也逐渐进步。目前下颌骨修复使用较多的是截取人自体骨(如腓骨)在预制钛板和钛钉的固定下与两端健康颌骨部分进行连接的方法。此种方法虽不易排异且能实现良好的骨结合，但骨资源有限，对取骨部位会造成损害，外部形态不易恢复。

近年来，学者们发现一些多孔金属材料如多孔钛、多孔镍钛等是人体骨的理想替代，多孔结构能有效地促进骨长入和骨结合，随着增材制造技术的发展，涌现出了一些关于多孔下颌骨假体的设计。

这些设计存在的特点之一是不具有系统的设计思想和指导方法，不能提供广泛的借鉴性。此外，现有设计往往采用均一孔径、孔隙率分布的多孔结构，受力较小的部分拥有和受力较大部分一样密集的多孔结构，从而导致了这些部位材料的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法，包括如下步骤：

步骤一：CT数据提取；将患者某肢体CT扫描数据导入mimics10.0软件，进行该肢体的待修复部位(如下颌骨)模型的提取；

步骤二：逆向建模；将待修复部位的三角面片模型导入geomagic studio软件进行逆向建模，得到IGS格式的待修复部位实体模型；

步骤三：有限元力学模拟；将IGS格式的待修复部位模型导入ABAQUS软件进行有限元力学模拟以获得应力分布云图；

步骤四：根据应力分布云图将待修复部位分为若干应力区域，并获得每个应力区域对应的区域平均最大应力值，以作为多孔结构的孔隙率设计的依据；

步骤五：任意选定一种多孔结构形状与医用金属植入物材料，进行压缩实验拟合得出该多孔结构形状与医用金属植入物材料下的Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式；

步骤六：以区域平均最大应力值为导向，用Gibson-Ashby公式逆向计算出所选的多孔结构形态和材料下不同应力区域对应的多孔结构孔隙率值。

上述步骤二所述逆向建模具体是，将经过mimics10.0软件提取的待修复部位三角面片模型导入geomagic studio软件，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片操作进行逆向建模，得到IGS格式的待修复部位实体模型。

上述步骤三所述待修复部位是指下颌骨模型；所述有限元力学模拟是将IGS格式的下颌骨模型导入ABAQUS软件进行有限元力学模拟，模拟下颌骨模型在正中咬合状态下的受力情况，获得应力分布云图。

上述步骤五所述多孔结构形状与医用金属植入物材料可选择钛合金简单八面体。

上述步骤五所述多孔结构形状与医用金属植入物材料，是采用SLM方法成型孔隙率为60％、70％、80％、90％的四组选定多孔结构，并使其孔径满足300～1000μm，对其进行压缩实验以拟合得出该结构和材料下的Gibson-Ashby多孔金属材料压缩屈服应力公式；

Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式为

σ_c＝Aσ_s(1-f)²

其中，A为多孔材料的强度系数，σs为基体材料的屈服强度，f为多孔结构的孔隙率；

用压缩实验获得的数据对Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式进行曲线拟合，可得到该结构与材料下的Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力强度系数A；

多孔结构孔隙率值f的值可表述如下

f＝1-(σ_c/Aσ_s)^1/2

以不同应力区域的最大平均应力值为导向，利用Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式反向计算得出不同应力区域对应的多孔结构孔隙率值f。

上述步骤六所述以若干区域的最大平均应力值为基础，根据拟合得出的该结构和材料下的Gibson-Ashby多孔金属材料压缩屈服应力公式，计算得出不同应力区域对应的多孔结构孔隙率值。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明提出的按应力分布确定多孔下颌骨假体孔隙率的方法，不仅适用于多孔下颌骨假体的多孔结构孔隙率参数的确立，也适用于人体其他部位的多孔假体孔隙率参数，是一个系统的多孔结构孔隙率选取方法。

同时，按应力分布确定多孔下颌骨假体孔隙率，使得受力较大部位采用密集的孔，受力较小部位采用稀疏的孔，更合理高效地实现金属材料的利用，整体上避免了浪费。

附图说明

图1为本发明按应力分布确定多孔假体孔隙率的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

取一例头部CT扫描数据，将其导入mimics10.0软件，单独提取出其下颌骨的部分数据，获得下颌骨三角面片模型。

将提取出的下颌骨三角面片模型导入geomagic studio软件，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片等逆向建模的操作获得IGS格式的下颌骨实体模型。

将IGS格式的下颌骨模型导入ABAQUS软件进行有限元力学模拟。

由于下颌骨假体的多孔结构部分主要是用作松质骨的替代，因此在ABAQUS软件里设置模型材料属性时应选用松质骨的弹性模量1370MPa作为该下颌骨模型的弹性模量。

又由于人体咀嚼时下颌骨的运动状态常为正中咬合状态，因此本发明主要模拟正中咬合状态时的生物力学状态，对咬肌，颞肌，翼内肌，翼外肌附着处的单元进行约束，对不同牙位进行一定数值的模拟咀嚼力的加载，得出下颌骨应力分布云图。

根据得出的下颌骨在正中咬合状态下的应力分布云图，将下颌骨进行应力值区域。

考虑到下颌骨可能存在的一些极端受力情况，为了保险起见可乘上安全系数2.8得到不同应力区域的最大平均应力值，作为多孔结构孔隙参数选取的依据。

对于多孔结构形状的选取，原则上可以任取一种多孔结构，通过对其孔径和孔隙率参数的调整获得适合不同应力区域的最大孔隙率结构。

本研究采用的多孔形状为简单八面体，选取的材料为医用钛合金，设计并使用SLM成型孔隙率百分数为60，70，80，90的一组钛合金简单八面体多孔结构。

对成型的一组多孔结构进行压缩实验。Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式为

σ_c＝Aσ_s(1-f)²

其中A为多孔材料的强度系数，σs为基体材料的屈服强度，f为多孔结构的孔隙率。

用压缩实验获得的数据对Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式进行曲线拟合，可以得到该结构与材料下的Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力强度系数A。

多孔结构孔隙率值f的值可表述如下

f＝1-(σ_c/Aσ_s)^1/2

以不同应力区域的最大平均应力值为导向，利用Gibson-Ashby多孔金属材料的压缩屈服应力公式反向计算得出不同应力区域对应的多孔结构孔隙率值f。

本发明不仅适用于下颌骨不同缺损部位，也适用于人体其他部位金属假体多孔结构的孔隙率参数的确定。本发明通过对下颌骨正中咬合状态下的力学模拟获得下颌骨的应力分布，并根据应力分布特点将下颌骨划分为若干个应力梯度区域，以每个区域的最大平均应力值为依据，采用对经典的Gibson-Ashby多孔结构压缩公式进行拟合的方法，最终计算得到屈服强度适合各个应力梯度区域的孔隙率，为下颌骨乃至其他部位多孔金属假体的设计提供科学合理的设计思路。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。