面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法

本发明涉及一种数字骨科植入物设计技术，尤其是指一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术：

1、近年来，由于众多原因，比如老龄化、运动创伤、疾病等，腰椎问题日益增加，成为临床医学领域的一个重要挑战。尤其是椎间盘退变和腰椎骨折等情况的发生频率明显提高，严重影响了患者的生活质量，并对医疗系统和经济造成了重大负担。人工植入体融合器的置换植入手术已成为治疗这类疾病的一种重要方法。

2、目前传统融合器的设计过程通常依赖现有商业cad软件，然而，这种方法存在一些局限性。首先，cad软件设计操作流程复杂，需要消耗大量时间和资源。其次，这些传统融合器内部晶胞的设计难以满足患者个性化需求，由于患者的病情多种多样，标准化的设计无法有效适应这种差异性。因此，这种传统融合器设计方式在满足个性化需求方面存在挑战。除此之外，这些传统融合器在耐久性方面存在不足，长期的使用可能导致结构稳定性下降或性能衰退，影响植入物的功能。面对这些限制，迫切需要一种更为灵活和高效的设计方法，能够更好地满足患者个性化需求，提供更精确、更贴合的治疗方案。

3、考虑到个性化融合器的设计，本发明提出了一种针对融合器内部晶胞结构设计并扩展的想法。本发明将晶胞参数化及分类型的扩展方法融入到融合器的设计中，通过参数化，能够快速调整晶胞尺寸和结构，满足不同的临床需求，实现个性化设计，提供更准确贴合的融合器。同时，根据不同晶胞结构采用不同类型的扩展方式，可灵活适应不同晶胞形状，针对性地选择最优的扩展方式，确保周期性扩展的精确性和稳定性。总体而言，本发明不仅为个性化融合器设计提供了有效的途径，促进了植入物设计的精准适配和形态多样性，同时提高了设计效率和灵活性，为个性化融合器设计提供了更广阔的空间，有望为患者提供更优质的治疗方案和更好的临床效果。

技术实现思路

1、本发明提出了一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，为解决现有融合器个性化定制和灵活修改等问题提供一定的理论基础，从而缩短融合器设计周期，提高设计效率。为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

2、一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，包括如下步骤：

3、步骤一：构建晶胞中包含的基本图元，基于这些基本图元构成完整晶胞；

4、步骤二：晶胞及扩展后实体的参数化建立，对步骤一中构成晶胞的相关参数以及扩展后实体的相关参数进行设置，构建多层参数及其约束关系，以便于后期的快速编辑修改，实现多样化设计；

5、步骤三：针对不同形状的晶胞单元，采用不同的扩展方式，实现周期性扩展，再将堆叠晶胞单元与设计好的融合器进行布尔操作，得到符合要求的植入物，满足使用者的个性化需求。

6、优选地，上述步骤一包括：

7、步骤1a：通过将晶胞分解为基本图元，即一个晶胞中的最小单元，从而使得融合器模型的构建更加可控和精确；

8、步骤1b：对步骤1a中的基本图元，可以采用长方体或者圆柱体进行绘制，基本图元的构建便于后期晶胞多层参数和参数间约束关系的建立。

9、优选地，上述步骤二包括：

10、步骤2a：对构成晶胞的关键参数进行设置，这些参数包括基本图元的特征参数、晶胞的特征参数和扩展后实体的特征参数；

11、步骤2b：基于多层参数的方法对步骤2a中设定的关键参数进行细致划分，分为三层参数，分别修改细节特征、局部特征和全局特征，便于后期的快速编辑和修改，实现更灵活的设计。

12、优选地，上述步骤三包括：

13、步骤3a：对多孔结构中晶胞单元的形状进行识别和分类，例如：立方体孔结构、六边形孔结构、圆形孔结构、三角形孔结构、凹角形孔结构。本发明以上述几种晶胞单元为例，研究对应扩展方法；

14、步骤3b：根据步骤3a中识别的晶胞单元形状，选择适当的扩展方式，不同的晶胞可能需要不同的扩展方法以确保最终生成的多孔结构植入物的稳定性；

15、步骤3c：通过自上而下式的设计方法，将生成的晶胞阵列与设计好的融合器模型进行布尔操作，得到符合需求的具有多孔结构的融合器模型；

16、步骤3d：包括晶胞结构周期性扩展效果的验证，对步骤3c中的多孔结构融合器模型进行有限元分析和仿真测试，以验证不同扩展方式的有效性。

17、优选地，上述步骤2b中，三层参数指的是：基本图元的特征参数设为细节参数、晶胞的特征参数设为局部参数以及扩展后实体的特征参数设为全局参数。细节参数包括构成基本图元的长方体的长度、宽度和高度或者圆柱体的高度和半径。局部参数包括定义晶胞时所需要的宽度、长度和角度等。全局参数包括扩展后实体的长宽高，与局部参数相互影响。

18、优选地，上述步骤3b中，基于模型坐标系统，立方体孔结构和圆形孔结构采用沿x、y、z轴方向的平移扩展方式；六边形孔结构和凹角形孔结构采用带有偏移量的扩展方式；三角形孔结构采用翻转和镜像的扩展方式。同时，三角形孔结构可以采用翻转和平移的扩展方式，凹角形孔结构可以采用以最大包围盒为扩展单元的平移扩展方式。

19、优选地，上述步骤3d中，验证时考虑的指标包括最大应力和应变、局部应力集中、疲劳分析以及晶胞结构的排列方式对细胞过滤性的潜在影响等。确定融合器在受力时的最大应力和应变，以评估其是否超出材料的承载能力；此外，明确融合器是否存在应力集中区域，可能导致疲劳破坏或材料失效；同时，要注意融合器在循环负载下的疲劳性能，以确保其长期使用过程中的耐久性；最后，融合器内部晶胞的设计应该考虑是否对细胞有良好的过滤性，晶胞结构的排列方式、形状和间距都可能会影响到细胞在植入物表面的黏附和生长。

20、本发明的有益之处在于：本发明的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展研究方法应用于医学骨科植入物设计制造领域，通过参数化设计，精准调整晶胞的尺寸、形状和排列方式，提高植入物与患者骨骼之间的贴合度和稳定性，减少术后并发症的风险，为植入物设计提供了更加智能、高效的方案，对融合器等植入物的个性化设计具有重要意义。

技术特征：

1.一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：

3.根据权利要求1所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：

4.根据权利要求1所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，所述步骤三包括：

5.根据权利要求3所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，步骤2b中，三层参数指的是：基本图元的特征参数设为细节参数、晶胞的特征参数设为局部参数以及扩展后实体的特征参数设为全局参数。

6.根据权利要求4所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，步骤3b中，基于模型坐标系统，立方体孔结构和圆形孔结构采用沿x、y、z轴方向的平移扩展方式；六边形孔结构和凹角形孔结构采用带有偏移量的扩展方式；三角形孔结构采用翻转和镜像的扩展方式，同时，三角形孔结构可以采用翻转和平移的扩展方式，凹角形孔结构可以采用以最大包围盒为扩展单元的平移扩展方式。

7.根据权利要求4所述的一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，步骤3d中，验证时考虑的指标包括最大应力和应变、局部应力集中、疲劳分析以及晶胞结构的排列方式对细胞过滤性的潜在影响。

技术总结
本发明公开了一种面向融合器的晶胞参数化及其扩展设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：构建晶胞中包含的基本图元，基于这些基本图元构成完整晶胞；步骤二：晶胞及扩展后实体的参数化建立，对步骤一中构成晶胞的相关参数以及扩展后实体的相关参数进行设置，构建多层参数及其约束关系，以便于后期的快速编辑修改，实现多样化设计；步骤三：针对不同形状的晶胞单元，采用不同的扩展方式，实现周期性扩展，再将堆叠晶胞单元与设计好的融合器模型进行布尔操作，得到符合要求的植入物，满足病人的个性化需求。本发明可以用于植入物的设计领域，实现定制化、多样化和精确化的植入物制造，在个性化医疗方面具有重要的应用前景。

技术研发人员：何坤金,徐玮,张聪,蒋俊锋,刘景,钱可涵,刘云龙
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24