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一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法

申请号 CN202410014934.4 申请日 2024-01-04 公开(公告)号 CN117910159A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 四川大学; 发明人 李向锋; 刘莆莘; 肖玉梅; 万其文; 黄飞扬; 雷渊茗; 方浩铭; 朱向东; 张兴栋;
摘要 本 发明 公开一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,属于 生物 医学工程领域。为了克服 现有技术 中存在的 缺陷 ,本发明旨在提供一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,包括以目标区域扫描CT数据重建骨缺损3D模型;对光滑处理后的模型使用 曲率 法分别构建上下表面及侧面;将修复体上下表面和侧面进行合并处理使其成为一个完整的封闭修复 体模 型,并对曲面片相交区域进行微调;对修复体模型进行微孔结构设计;打印修复体并进行 脱脂 、 烧结 工艺。本发明基于曲率法开发出了曲面合成法以设计具有高外观匹配度的修复体,对其进行模拟仿真和微调,设计出了外观与缺损高度匹配的多孔修复体。实现了美观性和 力 学性能的统一。
权利要求

1.一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,包括:
步骤1、以目标区域扫描CT数据重建骨缺损3D模型,并对模型进行光滑处理;
步骤2、对光滑处理后的模型使用曲率法分别构建修复体的上下表面及侧面;
步骤3、将修复体的上下表面和侧面进行合并处理使其成为一个完整的封闭修复体模型,并对曲面片相交区域进行微调,然后将模型导入有限元仿真中按照仿真结果进一步进行调整;
步骤4、对修复体模型进行微孔结构设计,将修复体模型与阵列后的微孔结构单元进行布尔交运算,得到外观与缺损匹配且具有贯通多孔的修复体;
步骤5、打印修复体并进行脱脂烧结工艺得到修复体。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤2的具体过程为:
在3‑Matic中导入处理过的颅骨模型,沿缺损上表面建立上表面轮廓线,然后使用创建曲面命令以上表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损上表面轮廓的修复体;沿缺损下表面建立下表面轮廓线,再使用创建曲面命令以下表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损下表面轮廓的修复体;
然后将两种修复体导入到三维建模软件中,提取基于缺损上表面轮廓的修复体的上表面和基于缺损下表面轮廓的修复体的下表面以及缺损的侧面。
3.根据权利要求1所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤3的具体过程为:
在三维建模软件中,导入步骤2中获得的三个曲面片,然后使用合并命令将三者合并为完整的封闭修复体模型;
在曲面片交界处进行微调,使用移动控制点的命令将曲面的边缘对齐;
将调整后的修复体带入到缺损颅骨环境中,按照缺损处及周围区域的常见负载情况为缺损颅骨模型和修复体模型添加负载和固定端;
按照缺损区域骨的材料属性和修复体的材料属性为模型分别赋予各项属性数值并进行仿真;
观察仿真结果中修复体的应分布情况,进一步进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤4的具体过程为:
将修复体导入到三维建模软件中,按照所需生物学性能和力学性能,选用具有不同孔径、孔隙率微孔结构单元体并将其进行阵列;
将修复体模型与阵列后的微孔结构单元体进行布尔交运算,得到带有贯通多孔结构的修复体。
5.根据权利要求4所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述微孔结构的孔径和孔隙率按照力学环境和生物学环境进行调整,其孔径可以从200μm~1000μm到变化,孔隙率可以从20%~70%到变化。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述微孔结构选择随机堆积结构、直孔结构、方孔结构中的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤5中的打印方式采用选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理
3D打印技术中的任意一种或多种,以实现微孔结构的高精度成型。
8.根据权利要求1所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤5中将步骤4中的修复体模型导入到切片软件中进行切片得到打印文件;将打印文件导入打印机中进行打印即得到修复体胚体;依照打印方式不同对其进行脱脂、烧结工艺即得到修复体。
9.根据权利要求1或8所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤5中打印修复的具体过程为:
将打印文件导入光固化打印机中,并按照所使用的引发剂不同设置不同的光源波长,常用波长为405nm;按照固化厚度设置固化功率和固化时间,保证固化厚度为切片厚度的两倍左右;
采用配制好的磷酸陶瓷浆料开始打印,打印完成后将模型胚体从成形台上取下并加入无乙醇在超声清洗机中以90%功率进行3次十分钟的清洗;
超声3次后取出胚体放入40℃‑70℃烘箱中烘干至表面无湿润感;
将烘干的坯体放入弗炉中,在250℃脱湿2h,在550℃脱脂2h,在1100℃烧结2h,除脱脂步骤升温速率1℃/min外其余步骤升温速率都为5℃/min,最后随炉降温得到磷酸钙陶瓷修复体。
10.根据权利要求9所述的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,其特征在于,所述步骤5中所使用的磷酸钙为羟基磷酸钙、磷酸三钙、双相磷酸钙中的一种。

说明书全文

一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,属于生物医学工程技术。

背景技术

[0002] 磷酸陶瓷、镁等生物活性修复体具有良好的生物相容性以及优良的骨诱导性,而多孔结构又赋予修复体良好的骨传导性能,故在临床骨缺损修复中多孔生物活性修复体有大量的应用。多孔修复体的性能除与材料本身相关外与修复体的外形也有着密切关系。
[0003] 修复体的外观与缺损轮廓的匹配度会影响修复体的应分布情况。当修复体的外形与缺损的轮廓匹配度较低时可能会出现较严重的应力集中,可能会导致修复体碎裂从而危害到患者的生命健康。同时,修复体与缺损外形不匹配还可能导致修复体出现脱落等问题,也会为患者带来危险。传统的模型设计方法例如镜像法等难以实现修复体外形与缺损轮廓的高精度匹配,而曲率法则能够构建出单独某一面具有较高匹配度而另一面匹配度较低的修复体模型。如何规避传统方法的缺点,利用它们的优点则成为值得思考的问题。
[0004] 如何验证设计出的多孔修复体是否能够满足缺损环境的需求并加以改进也是需要解决的问题。传统方案中材料的力学性能常使用万能力学测试机进行标准件的抗压强度、抗弯强度测试。但是这种方法对于异形的骨修复体的测试并不太适用,同时以这种方法测试后也难以对修复体进行针对性的改进。而有限元分析是一种计算机模拟计算方法,其固体力学的模可以有效地模拟各种情况力学情况下物体的应力分布和屈服情况,为材料性能测试和调整提供了参照。
[0005] 因此,本发明基于曲率法开发出了曲面合成法以设计具有高外观匹配度的修复体,并基于有限元分析的方法,对其进行模拟仿真和进一步的微调,设计出了外观与缺损高度匹配的多孔修复体。实现了美观性和力学性能的统一。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术中存在的缺陷,本发明旨在提供一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法;本发明设计修复体轮廓,加强修复体的外观匹配度,增强其美观性并减少应力集中,进行有限元模拟仿真并对修复体进行微调,使修复体应力分布更均匀,以满足多修复体在骨修复中的力学和生物学需求。
[0007] 本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是:一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,包括:
[0008] 步骤1、以目标区域扫描CT数据重建骨缺损3D模型,并对模型进行光滑处理;
[0009] 步骤2、对光滑处理后的模型使用曲率法分别构建修复体的上下表面及侧面;
[0010] 步骤3、将修复体的上下表面和侧面进行合并处理使其成为一个完整的封闭修复体模型,并对曲面片相交区域进行微调,然后将模型导入有限元仿真中按照仿真结果进一步进行调整;
[0011] 步骤4、对修复体模型进行微孔结构设计,将修复体模型与阵列后的微孔结构单元进行布尔交运算,得到外观与缺损匹配且具有贯通多孔的修复体;
[0012] 步骤5、打印修复体并进行脱脂烧结工艺得到修复体。
[0013] 优选的是,所述步骤2的具体过程为:
[0014] 在3‑Matic中导入处理过的颅骨模型,沿缺损上表面建立上表面轮廓线,然后使用创建曲面命令以上表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损上表面轮廓的修复体;沿缺损下表面建立下表面轮廓线,再使用创建曲面命令以下表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损下表面轮廓的修复体;
[0015] 然后将两种修复体导入到三维建模软件中,提取基于缺损上表面轮廓的修复体的上表面和基于缺损下表面轮廓的修复体的下表面以及缺损的侧面。
[0016] 优选的是,所述步骤3的具体过程为:
[0017] 在三维建模软件中,导入步骤2中获得的三个曲面片,然后使用合并命令将三者合并为完整的封闭修复体模型;
[0018] 在曲面片交界处进行微调,使用移动控制点的命令将曲面的边缘对齐;
[0019] 将调整后的修复体带入到缺损颅骨环境中,按照缺损处及周围区域的常见负载情况为缺损颅骨模型和修复体模型添加负载和固定端;
[0020] 按照缺损区域骨的材料属性和修复体的材料属性为模型分别赋予各项属性数值并进行仿真;
[0021] 观察仿真结果中修复体的应力分布情况,进一步进行调整。
[0022] 优选的是,所述步骤4的具体过程为:
[0023] 将修复体导入到三维建模软件中,按照所需生物学性能和力学性能,选用具有不同孔径、孔隙率微孔结构单元体并将其进行阵列;
[0024] 将修复体模型与阵列后的微孔结构单元体进行布尔交运算,得到带有贯通多孔结构的修复体。
[0025] 优选的是,所述微孔结构的孔径和孔隙率按照力学环境和生物学环境进行调整,其孔径可以从200μm~1000μm到变化,孔隙率可以从20%~70%到变化。
[0026] 优选的是,所述微孔结构选择随机堆积结构、直孔结构、方孔结构中的一种或多种组合。
[0027] 优选的是,所述步骤5中的打印方式采用选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理3D打印技术中的任意一种或多种,以实现微孔结构的高精度成型。
[0028] 优选的是,所述步骤5中将步骤4中的修复体模型导入到切片软件中进行切片得到打印文件;将打印文件导入打印机中进行打印即得到修复体胚体;依照打印方式不同对其进行脱脂、烧结工艺即得到修复体。
[0029] 优选的是,所述步骤5中打印修复的具体过程为:
[0030] 将打印文件导入光固化打印机中,并按照所使用的引发剂不同设置不同的光源波长,常用波长为405nm;按照固化厚度设置固化功率和固化时间,保证固化厚度为切片厚度的两倍左右;
[0031] 采用配制好的磷酸钙陶瓷浆料开始打印,打印完成后将模型胚体从成形台上取下并加入无乙醇在超声清洗机中以90%功率进行3次十分钟的清洗;
[0032] 超声3次后取出胚体放入40℃‑70℃烘箱中烘干至表面无湿润感;
[0033] 将烘干的坯体放入弗炉中,在250℃脱湿2h,在550℃脱脂2h,在1100℃烧结2h,除脱脂步骤升温速率1℃/min外其余步骤升温速率都为5℃/min,最后随炉降温得到磷酸钙陶瓷修复体。
[0034] 优选的是,所述步骤5中所使用的磷酸钙为羟基磷酸钙、磷酸三钙、双相磷酸钙中的一种。
[0035] 本发明具有以下有益效果:本发明设计和原理科学,制备流程简单。通过患者缺损部位CT数据重建获得患者颅骨模型。使用曲率法构建修复体上下表面,提取缺损侧面得到修复体侧面,将三者进行合成并进行仿真微调得到轮廓与患者缺损一致的修复体,使其具有更高的贴合度,从而减少应力集中问题,同时修复体曲率与缺损曲率一致,可以提高其美观性并降低修复体脱落的险。综上所述,本发明对骨缺损的临床治疗具有重要意义,并可能产生较大的经济价值。附图说明
[0036] 图1为几种设计方法所设计的修复体胚体与缺损的贴合程度展示;
[0037] 其中图1(A)~图1(D)分别为镜像法、基于上表面的曲率法、基于下表面的曲率法、本发明提出的全面合成法。
[0038] 图2为本发明所描述修复体偏移程度与传统方法所设计修复体偏移程度对比;
[0039] 其中图2(A)~图2(D)分别为镜像法、基于上表面的曲率法、基于下表面的曲率法、本发明提出的全面合成法。
[0040] 图3为在颅骨力学环境中按本发明所描述修复体致密胚体应力分布与传统方法所设计修复体致密胚体应力分布对比。

具体实施方式

[0041] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0042] 本发明的一种基于曲面合成的高外观匹配度个性化修复体设计方法,包括以下步骤:
[0043] 步骤1、以目标区域扫描CT数据重建骨缺损3D模型,并对模型进行光滑处理使其便于后续过程加工处理;
[0044] 步骤2、进行曲面构建;
[0045] 在3‑Matic中导入处理过的颅骨模型,沿缺损上表面建立上表面轮廓线,然后使用创建曲面命令以上表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损上表面轮廓的修复体;沿缺损下表面建立下表面轮廓线,再使用创建曲面命令以下表面轮廓线为基础通过曲率计算创建基于缺损下表面轮廓的修复体;然后将两种修复体导入到三维建模软件中,提取基于缺损上表面轮廓的修复体的上表面和基于缺损下表面轮廓的修复体的下表面以及缺损的侧面;
[0046] 优选地,交界处完全对齐,不出现交错的情况。
[0047] 其修复体的上下表面为曲率法构建的修复体的基准面,这二者分别与缺损轮廓的上下面具有相近的曲率,最后所得修复体与颅骨在外观上过渡更加自然;
[0048] 修复体的侧表面为直接提取的缺损的侧表面。修复体的侧表面与缺损的侧表面完全一致,可以使后续手术过程更加简单,同时可以减少修复体的应力集中;
[0049] 步骤3、进行曲面合成及模拟反馈微调,去除了曲面交错的部分,大大减少了应力集中的情况;
[0050] 在三维建模软件中,导入步骤2中获得的三种曲面片,然后使用合并命令将三者合并为完整的封闭修复体模型,在曲面片交界处进行微调,使用移动控制点的命令将曲面的边缘对齐,将调整后的修复体带入到缺损颅骨环境中,按照缺损处及周围区域的常见负载情况为缺损颅骨模型和修复体模型添加负载和固定端;按照缺损区域骨的材料属性和修复体的材料属性为模型分别赋予各项属性数值并进行仿真,观察仿真结果中修复体的应力分布情况,如出现应力集中则将修复体该区域的曲面进行微调以减少应力集中。
[0051] 步骤4、微孔结构设计;
[0052] 将前述修复体导入到三维建模软件中,按照所需生物学性能和力学性能,选用具有不同孔径、孔隙率的微孔结构单元体并将其进行阵列;将阵列后的微孔结构单元体与前述修复体模型进行布尔交运算,得到带有贯通多孔结构的修复体;
[0053] 其中所述微孔结构可以按照需求选用结构和孔隙率,优选地,孔结构选择随机堆积结构、方孔、直孔中的一种或多种组合,微孔结构的孔径可以从200μm~1000μm到变化,孔隙率从20%~70%到变化,可以满足不同缺损情况的需求;优选地,孔径为600μm,孔隙率为65%。
[0054] 步骤5、修复体打印及后处理;
[0055] 将步骤4中的修复体模型导入到切片软件中进行切片得到打印文件,将打印文件导入打印机中进行打印即得到修复体胚体;依照打印方式不同对其进行脱脂、烧结等工艺即得到修复体。
[0056] 本发明的部分实施方案中所述打印方式包括选择性激光烧结、立体光固化成型、数字光处理等3D打印技术中的任意一种或多种,以实现微孔结构的高精度成型。优选地,打印方法为数字光处理。
[0057] 在本发明实施例中所用的软件为:Magics、Mimics、3‑Matic、Matlab、Comsol。现有技术中的其他建模软件,如Rhino、VG Studio MAX、InVesalius、Python、Ansys等,也适用于本发明。
[0058] 实施例1
[0059] 本实施例中,设计应用于比格犬颅骨缺损修复的磷酸钙修复体,缺损位置为颅顶。所使用的磷酸钙粉体为双相磷酸钙(HA:β‑TCP=3:7),利用DLP打印技术实现陶瓷成形。其整体宽度为30mm,整体宽度为30mm,整体厚度为3mm。整体孔隙率为65%。该模型所使用微孔结构为球型孔,孔径为600μm。
[0060] 将上述打印文件导入光固化打印机中,并设置光源波长为405nm,光源功率为2
6.2mJ/cm ,曝光时间为2s,然后采用配制好的陶瓷浆料开始打印,打印完成后将模型胚体从成形台上取下。将得到的打印胚体放入装有无水乙醇的烧杯中,然后置于超声清洗机中超声15min。超声3次后取出胚体放入60℃烘箱中烘干8h。将烘干的坯体放入马弗炉中,空气气氛下,将炉子以2.5℃/min的升温速率下从室温升至300℃,保温2h;接着以1℃/min的升温速率下升温至550℃,保温2h;然后以5℃/min的升温速率下升温至1000℃,并保温2h,最后随炉降温得到磷酸钙陶瓷修复体。
[0061] 实施例2
[0062] 本实施例与实施例1相比,缺损位置位于前额,其余条件均相同,制得颅骨修复体。
[0063] 实施例3
[0064] 本实施例与实施例1相比,缺损位置位于后枕部,其余条件均相同,制得颅骨修复体。
[0065] 实施例4
[0066] 本实施例与实施例1相比,缺损宽度为40mm,厚度为2mm。其余制备条件均相同,制得颅骨修复体。
[0067] 实施例5
[0068] 本实施例与实施例1相比,使用微孔结构为随机堆积结构,孔径为300μm。其余制备条件均相同,制得颅骨修复体。
[0069] 实施例6
[0070] 本实施例与实施例1相比,使用微孔结构为直孔结构,孔径为1000μm。其余制备条件均相同,制得颅骨修复体。
[0071] 实施例7
[0072] 本实施例与实施例1相比,孔隙率为30%。其余制备条件均相同,制得颅骨修复体。
[0073] 对比例1
[0074] 本对比例与实施例1相比修复体设计方法为镜像法。其余设计方法均相同,得到颅骨修复体模型,将模型带入缺损环境进行仿真。
[0075] 对比例2
[0076] 本对比例与实施例1相比修复体设计方法为基于上表面的曲率法。其余设计方法均相同,得到颅骨修复体模型,将模型带入缺损环境进行仿真。
[0077] 对比例3
[0078] 本对比例与实施例1相比修复体设计方法为基于下表面的曲率法。其余设计方法均相同,得到颅骨修复体模型,将模型带入缺损环境进行仿真。
[0079] 表1不同修复体在不同颅骨负载条件下最大应力值实施例1对比例1对比例2对比例3
[0080] 前额负载 2.03MPa 2.78MPa 3.19MPa 3.28MPa
[0081] 缺损对侧负载4.46MPa 9.28MPa 5.71MPa 6.47MPa
[0082] 后枕部负载 4.76MPa 9.14MPa 8.54MPa 6.61MPa
[0083] 以上所述,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已通过上述实施例揭示,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。