面向个性化设计的接骨板优化方法与流程

本发明涉及一种数字化接骨板优化构建技术，具体面向个性化设计的接骨板优化方法，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术：

随着计算机辅助设计和数字化骨科技术的快速发展，计算机辅助骨科设计成为发展最为迅速的领域之一。利用相关的计算机辅助设计技术进行接骨板个性化设计及其优化等研究在国内外受到广泛重视。接骨板的个性化设计和优化设计是数字化接骨板设计的重要内容，因为人体骨骼复杂且具有差异性，接骨板的个性化设计成为数字化骨科研究的重要问题之一。常见的个性化设计与优化方法是：首先对各数据块进行配置拼接；再对其做接骨板的贴合面设计，最后按一定等厚度进行加厚，生产接骨板。其缺点主要包括：接骨板的贴合面是非规则的，等厚度的接骨板一定不是优化的；如何对个性化接骨板进行不等厚设计，通过有限元分析后，如何快速调整接骨板各处位置的厚度。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供面向个性化设计的接骨板优化方法，通过分析接骨板应力，使用二分法调整不同厚度参数值，使得材料最少，应力分布均匀。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在接骨板的多处位置对应设置厚度值不同的多个厚度参数，以厚度参数为自变量建立接骨板的内曲面函数、外曲面函数分别为s₁(x,y),s₂(x,y)；

步骤二：根据有限元分析接骨板的应力，在未满足条件应力要求处调整厚度参数；

步骤三：在内曲面不变条件下，建立厚度参数变化规则，经过迭代直至接骨板满足条件应力要求，接骨板设计达到最优。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，所述步骤一包括：

接骨板分为内曲面和外曲面，分别对应建立内曲面函数为s₁(x,y)，外曲面函数为s₂(x,y)；厚度参数设置在内曲面、外曲面间的关键位置上。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤2a：通过有限元分析，获取接骨板各位置处的应力；

步骤2b：根据步骤2a中有限元分析获取的应力，在未达条件应力处增加厚度参数的厚度值，超过条件应力处减少厚度参数的厚度值。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，所述步骤三包括：

厚度参数变化规则为：

当本次应力与上次应力中其中一个未达条件应力时，厚度参数的厚度值变化采用二分法原则，厚度参数为本次厚度参数的厚度值与上次厚度参数的厚度值求和平均；

当本次应力与上次应力都未达条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值增加厚度增量；

当本次应力与上次应力都超过条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值减去厚度增量；

直到各处位置应力都满足条件应力要求。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，步骤一中，所述内曲面是指接骨板向内的贴合面，外曲面是指接骨板向外方向的外侧面。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，步骤一中，所述接骨板包含非规则形状的接骨板。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，步骤三中，二分法原则是指两次厚度值求和平均。

前述的面向个性化设计的接骨板优化方法，其特征在于，步骤三中，所述接骨板设计达到最优是指接骨板满足条件应力时所用材料最少，接骨板所用材料的量为∫∫|s₂(x,y)-s₁(x,y)|dσ，即单位面积dσ与厚度|s₂(x,y)-s₁(x,y)|的积分之和。

本发明的有益之处在于：

本发明的面向个性化设计的接骨板优化方法，通过分析接骨板应力，使用二分法调整不同厚度参数值，使得材料最少，应力分布均匀。本发明应用于个性化接骨板的优化设计，通过有限元分析，快速调整接骨板各处位置的厚度，对接骨板设计快速达到最优具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中面向个性化设计的接骨板优化方法流程图；

图2是本发明中接骨板多处位置设置不同厚度参数示意图；

图3是本发明中接骨板优化前有限元分析应力示意图；

图4是本发明中根据应力分析调整厚度参数示意图；

图5是本发明中接骨板第一次优化后有限元分析应力示意图；

图6是本发明中接骨板根据厚度参数变化规则迭代优化后的有限元分析应力示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明面向个性化设计的接骨板优化方法，包括如下步骤：

步骤一：在接骨板的多处位置设置不等的厚度参数，接骨板的内、外曲面的函数分别为s₁(x,y),s₂(x,y)；

步骤二：根据有限元分析接骨板的应力，在未满足条件应力要求处调整厚度参数；

步骤三：在内曲面不变条件下，建立厚度参数变化规则，经过迭代直至接骨板满足条件应力要求，物体所用材料为∫∫|s₂(x,y)-s1(x,y)|dσ。

首先，在接骨板的多处位置设置不等的厚度参数，其中接骨板的内、外曲面的函数分别为s₁(x,y),s₂(x,y)，包括以下步骤：

步骤1a：接骨板分为内、外曲面，内曲面函数为s₁(x,y)，外曲面函数为s₂(x,y)，内曲面是指接骨板向内的贴合面，外曲面是指接骨板向外方向的外侧面；

步骤1b：在接骨板的多处设置不等的厚度参数，厚度参数位于内外曲面间的关键位置上，主要是选取贴合面曲率较大的位置和骨骼受损较严重的位置。接骨板的多处设置不等的厚度参数是指：接骨板的形状是非规则的，为优化接骨板的应力，需要设计不等的厚度。

然后，根据有限元分析接骨板的应力，在未满足条件应力要求处调整厚度参数，包括以下步骤：

步骤2a：通过有限元分析，获取接骨板各位置处的应力；

步骤2b：根据步骤2a中有限元分析获取的应力，在未达条件应力处增加厚度参数的厚度值，超过条件应力处减少厚度参数的厚度值。

最后，在内曲面不变条件下，建立厚度参数变化规则，经过迭代直至接骨板满足条件应力要求，物体所用材料为∫∫|s₂(x,y)-s1(x,y)|dσ，包括以下步骤：

步骤3a：当本次应力与上次应力中一个超过条件应力，另一个未达条件应力时，厚度参数的厚度变化采用二分法原则，厚度参数为本次厚度参数的厚度值与上次厚度参数的厚度值求平均值，厚度参数的厚度变化采用二分法原则是指两次厚度求和平均，将二分法原理创新地应用于接骨板厚度求解上，速度快效率高；

步骤3b：当本次应力与上次应力都未达条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值增加一厚度增量；

步骤3c：当本次应力与上次应力都超过条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值减去一厚度增量；

步骤3d：直到各处位置应力都满足条件应力时，接骨板设计达到最优，所用材料的量为∫∫|s₂(x,y)-s₁(x,y)|dσ，接骨板设计达到最优是指接骨板满足条件应力时所用材料最少，所用材料的量为∫∫|s₂(x,y)-s₁(x,y)|dσ，即单位面积dσ与厚度|s₂(x,y)-s₁(x,y)|的积分之和。

厚度增量的取值通常基于接骨板的初始厚度参数选取，并考虑到最终结果的精确度要求，结果精确度要求越高，厚度增量的取值越小。

如图2所示，在接骨板的多处位置设置不等的厚度参数。以Y型接骨板为例，分别在接骨板曲面的关键位置定义厚度参数，HL为接骨板前端左侧顶部厚度，HL1为接骨板前端左侧中部厚度，HR为接骨板前端右侧顶部厚度，HR1为接骨板前端右侧中部厚度，HM为接骨板中部近前端位置厚度，HB1为接骨板中部近尾端位置厚度，HB为接骨板尾端厚度。

如图3所示，在接骨板各处设置厚度参数后，根据有限元分析接骨板应力。

如图4所示，根据有限元应力分析结果，调整接骨板的厚度参数，在未达条件应力处增加厚度参数的厚度值，超过条件应力处减少厚度参数的厚度值。减少接骨板前端左侧顶部厚度HL、前端右侧顶部厚度HR、中部近前端位置厚度HM和尾端厚度HB的值，增加接骨板前端左侧中部厚度HL1、前端右侧中部厚度HR1和中部近前端位置厚度HM的值。

如图5所示，在接骨板各处调整厚度参数后，根据有限分析优化后的接骨板应力。

如图6所示，当本次应力与上次应力中若有一个未达条件应力时，厚度参数的厚度变化采用二分法原则，厚度参数为本次厚度参数的厚度值与上次厚度参数的厚度值求和平均；当本次应力与上次应力都未达条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值增加厚度增量；当本次应力与上次应力都超过条件应力时，厚度参数的厚度值为本次厚度参数的厚度值减去厚度增量。经过多次迭代优化后得到接骨板各处均满足应力要求且所用材料最少的接骨板。

本发明未进一步说明的均为现有技术。

本发明给出了面向个性化设计的接骨板优化方法。首先，在接骨板的多处位置设置不等的厚度参数，其中接骨板的内、外曲面的函数分别为s₁(x,y),s₂(x,y)；然后，根据有限元分析接骨板的应力，在未满足条件应力要求处调整厚度参数；最后，在内曲面不变条件下，建立厚度参数变化规则，经过迭代直至接骨板满足条件应力要求，物体所用材料的量为∫∫|s₂(x,y)-s₁(x,y)|dσ。本发明通过分析接骨板应力，使用二分法调整不同厚度参数值，使得材料最少，应力分布均匀。本发明应用于个性化接骨板的优化设计，通过有限元分析，快速调整接骨板各处位置的厚度，对接骨板设计快速达到最优具有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。