基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的松質(zhì)骨多孔結(jié)構(gòu)建模研究.pdf

1、骨缺損、粉碎性骨折等骨科疾病嚴(yán)重影響了病人的正常生活，通過(guò)骨頭自身的恢復(fù)機(jī)制很難使其復(fù)原，因此需要進(jìn)行外部植入體替換來(lái)幫助病人恢復(fù)正常水平。為了消除傳統(tǒng)實(shí)心植入體帶來(lái)的弊端，一種常用的方法是將植入體設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)。真實(shí)松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有極大的隨機(jī)性，應(yīng)用于仿真分析尚可，但是實(shí)際加工十分困難。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)方法又無(wú)法控制多孔結(jié)構(gòu)的性能，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)特定性能的松質(zhì)骨模型重建具有重要的意義。本論文針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求人為地

2、給定目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)設(shè)定約束條件求解合理的模型的優(yōu)點(diǎn)，以豬的股骨為研究對(duì)象，以松質(zhì)骨的力學(xué)性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以松質(zhì)骨的體積分?jǐn)?shù)作為約束條件，研究拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)模型重建的問(wèn)題，主要內(nèi)容包括：
　　(1)基于Wolff定律，提出了松質(zhì)骨的體積分?jǐn)?shù)分布與其在股骨中所處位置具有相關(guān)性的假設(shè)。基于圖像的建模方法利用Mimics17.0軟件對(duì)松質(zhì)骨分塊重建，并對(duì)每個(gè)模型的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明松質(zhì)骨的體積分?jǐn)?shù)隨著位置的不同而

3、發(fā)生變化，越靠近壓力中心，體積分?jǐn)?shù)越大。
　　(2)將有限元法與代表體元法相結(jié)合借助ANSYS軟件對(duì)松質(zhì)骨模型的力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明松質(zhì)骨的力學(xué)性能呈各向異性，并且與體積分?jǐn)?shù)之間存在一定的關(guān)系，即主壓力方向的彈性模量隨著體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。
　　(3)以松質(zhì)骨的體積分?jǐn)?shù)作為約束條件，以松質(zhì)骨的各向異性力學(xué)性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)松質(zhì)骨模型進(jìn)行重建的方法?；谧兠芏确椒ㄒ胍詥卧芏茸鳛樵O(shè)計(jì)變量的插值函

4、數(shù)，利用均勻化方法對(duì)迭代過(guò)程中模型的等效性能進(jìn)行求解。然后利用閾值過(guò)濾的方法將優(yōu)化結(jié)果在ANSYS中顯示，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重建出多孔結(jié)構(gòu)的三維模型。經(jīng)過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析，模型基本滿足性能上的要求，并且應(yīng)力分布更加均勻，數(shù)據(jù)量大大減小，便于加工和后處理。
　　基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的方法，既解決了傳統(tǒng)建模方法的弊端，又結(jié)合了基于圖像建模方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于各向異性松質(zhì)骨多孔結(jié)構(gòu)的重建有重要的意義，為骨植入物應(yīng)用于臨床骨疾病治療及康