本發(fā)明涉及矯形器結構領域，尤其是涉及基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法。

背景技術：

1、脊柱側彎是脊柱在冠狀面上的一種異常側彎，并伴隨脊椎的軸向旋轉。脊柱側彎研究協(xié)會建議，當脊柱cobb角大于或等于10°且可識別軸向旋轉時，可以確診為脊柱側彎。輕度至中度患者需要矯形器作為標準治療方法，可以減少側彎發(fā)展到手術的可能。

2、依從性大于90％的患者的治療結果比依從性小于90％的患者高5倍。矯形器的依從性差與生活質量差有關，這可能是由于外觀不良、壓力分布不當、散熱不好、運動受限或情緒不適所致。因此，很多關注點被放在了如何優(yōu)化矯形器的設計、結構及穿戴習慣上。增材制造技術作為一種自上而下，層層堆積的工藝，可以制造出任意復雜形狀的產品。其結合計算機輔助設計，可以使脊柱側彎矯形器貼合人體、舒適美觀、輕便透氣，已經通過臨床試驗被證明可以有效提高了患者的依從性，從而提高了矯正效果。

3、然而，由于這種新型矯形器的透氣性是通過一些隨意分布的鏤空花紋實現(xiàn)的，鏤空區(qū)域的面積影響對矯形器力學性能產生影響。鏤空區(qū)域過小，會導致透氣性和輕量化程度不足；鏤空區(qū)域過大，會增加斷裂失效的風險和增材制造難度，兩者都會直接或間接增加制造成本，降低矯形器的舒適性，從而影響患者的依從性。因此，合適的鏤空設計可以在保證矯形器不失效的情況下，充分發(fā)揮了增材制造工藝的優(yōu)勢，提高患者穿戴的舒適度，并減輕患者家庭的經濟負擔。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，設置合適的鏤空設計，在保證矯形器不失效的情況下，充分發(fā)揮了增材制造工藝的優(yōu)勢，提高患者穿戴的舒適度，并減輕患者家庭的經濟負擔。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

3、一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、掃描獲取患者的ct數(shù)據(jù)和體表點云數(shù)據(jù)；

5、根據(jù)所述ct數(shù)據(jù)提取出骨骼的三維模型，并結合所述體表點云數(shù)據(jù)構建初步的脊柱側彎的矯形器模型；對所述骨骼的三維模型進行面網格劃分，然后與矯形器模型裝配，得到軀干-矯形器模型；對軀干-矯形器模型進行體網格劃分，導出為有限元模型；

6、將有限元模型導入有限元分析軟件中，進行有限元靜力學分析；

7、將所述矯形器模型輸入拓撲優(yōu)化軟件中，并將有限元靜力學分析結果映射到矯形器模型內表面，從而進行拓撲優(yōu)化；

8、將矯形器模型中被優(yōu)化的區(qū)域設置為鏤空結構，并進行整體結構優(yōu)化后，得到輕量化的矯形器。

9、進一步地，所述方法還包括：

10、對得到的輕量化的矯形器的模型數(shù)據(jù)輸入有限元分析軟件中，進行有限元靜力學分析，校驗力學性能；若符合預設的力學性能要求，則得到最終的輕量化的矯形器；否則重新采用拓撲優(yōu)化軟件重新進行拓撲優(yōu)化。

11、進一步地，所述ct數(shù)據(jù)通過計算機斷層成像設備掃描獲取，所述體表點云數(shù)據(jù)通過光學掃描儀掃描獲取，所述掃描范圍包括第一胸椎上緣5cm到股骨大轉子點下20cm的部分。

12、進一步地，所述骨骼的三維模型的提取過程具體為：

13、通過灰度測量、閾值分割、區(qū)域增長、多層提取和布爾運算操作，根據(jù)人體解剖結構和傳力關系，從ct數(shù)據(jù)中提取出各個椎體、肋骨、肋軟骨、肋軟骨、椎間盤、髖骨和股骨，從而得到骨骼的三維模型。

14、進一步地，所述矯形器模型的構建過程具體為：

15、基于獲取的體表點云數(shù)據(jù)，根據(jù)三點力原理，在脊柱側彎處、對側髖部和腋下設計壓力區(qū)，在側稍后方設計釋壓區(qū)，從而設計所述矯形器模型。

16、進一步地，所述軀干-矯形器模型的構建過程包括：

17、通過包裹、修復、自適應網格劃分和布爾運算操作，刪除骨骼的三維模型中各個部分在空間上重疊的輪廓，并對三維模型表面進行修復和優(yōu)化，將三維模型的各個部分和矯形器模型裝配為一個整體；

18、對裝配為一個整體的模型進行體網格劃分，并對存在接觸和韌帶附著的曲面進行標記，最后導出為有限元模型。

19、進一步地，所述有限元分析軟件設置有矯形器的邊界條件和材料屬性，并采用僅拉伸的彈簧或桿單元代替韌帶，從而進行有限元靜力學分析；

20、所述邊界條件包括：固定兩側股骨，在矯形器開口兩側施加一對方向相反、平行于冠狀軸、大小相等的預緊力，以模擬綁帶在矯形器上的作用力。

21、進一步地，所述方法采用子模型法，在拓撲優(yōu)化軟件中對矯形器模型進行拓撲優(yōu)化；

22、所述子模型法包括：將所述軀干-矯形器模型轉換為單獨的矯形器模型，并將軀干-矯形器模型中矯形器收到的載荷復制到該矯形器模型中。

23、進一步地，所述鏤空結構為在拓撲學上連通的任意形狀，將鏤空結構設置在矯形器模型中的過程包括：將拓撲優(yōu)化后的矯形器模型的曲面域上每個點的三維坐標轉換為對應的二維坐標，得到2d平面；將鏤空結構以2d圖像的方式通過排列、移動、旋轉和縮放鋪滿在所述2d平面的被優(yōu)化區(qū)域，然后將2d平面的點映射到3d曲面中，實現(xiàn)對矯形器模型中鏤空結構的設置；

24、所述鏤空結構的優(yōu)化軟件包括mimics、c4d、meshmixer或zbrush。

25、進一步地，所述矯形器模型的設計軟件包括mimics、rodin?4d或freeform；

26、所述有限元模型的導出格式為.cbd、.inp或.mphbin；

27、所述有限元分析軟件為ansys、abaqus、comsol或proe；

28、所述拓撲優(yōu)化軟件為tosca、optistruct、abaqus的atom模塊或者ansys的topology?optimization模塊。

29、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

30、(1)本發(fā)明通過將骨骼的三維模型與矯形器模型裝配后，導出為有限元模型，通過有限元分析軟件進行有限元靜力學分析，然后在拓撲優(yōu)化軟件中，根據(jù)矯形器模型和有限元靜力學分析結果實現(xiàn)拓撲優(yōu)化，對被優(yōu)化的區(qū)域設置為鏤空結構，該方案一方面基于有限元法實現(xiàn)了增材制造脊柱側彎矯形器的輕量化設計；另一方面通過有限元靜力學分析結果進行的拓撲優(yōu)化保證了輕量化矯形器可以保證患者在穿戴期間不會發(fā)生斷裂或失效的情況，整體結構成本降低、實行輕量化設計、穩(wěn)定可靠。

31、(2)本發(fā)明最大程度地實現(xiàn)了矯形器的輕量化，同時符合矯形器力學性能和增材制造要求，能夠極大地提高支具的舒適度和佩戴的依從性，從而使矯形效果達到最大化

32、(3)本發(fā)明能夠充分發(fā)揮增材制造工藝難度不受產品形狀影響的優(yōu)勢，同時減少生產加工時間，節(jié)約耗材，有助于減輕患者家庭的經濟負擔，大大提高了從設計到應用的時效性。

技術特征：

1.一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法還包括：

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述ct數(shù)據(jù)通過計算機斷層成像設備掃描獲取，所述體表點云數(shù)據(jù)通過光學掃描儀掃描獲取，所述掃描范圍包括第一胸椎上緣5cm到股骨大轉子點下20cm的部分。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述骨骼的三維模型的提取過程具體為：

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述矯形器模型的構建過程具體為：

6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述軀干-矯形器模型的構建過程包括：

7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述有限元分析軟件設置有矯形器的邊界條件和材料屬性，并采用僅拉伸的彈簧或桿單元代替韌帶，從而進行有限元靜力學分析；

8.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法采用子模型法，在拓撲優(yōu)化軟件中對矯形器模型進行拓撲優(yōu)化；

9.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述鏤空結構為在拓撲學上連通的任意形狀，將鏤空結構設置在矯形器模型中的過程包括：將拓撲優(yōu)化后的矯形器模型的曲面域上每個點的三維坐標轉換為對應的二維坐標，得到2d平面；將鏤空結構以2d圖像的方式通過排列、移動、旋轉和縮放鋪滿在所述2d平面的被優(yōu)化區(qū)域，然后將2d平面的點映射到3d曲面中，實現(xiàn)對矯形器模型中鏤空結構的設置；

10.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，其特征在于，所述矯形器模型的設計軟件包括mimics、rodin?4d或freeform；

技術總結
本發(fā)明涉及一種基于有限元分析的脊柱側彎矯形器輕量化結構優(yōu)化方法，包括：掃描獲取患者的CT數(shù)據(jù)和體表點云數(shù)據(jù)；根據(jù)CT數(shù)據(jù)提取出骨骼的三維模型，并結合體表點云數(shù)據(jù)構建初步的脊柱側彎矯形器模型；對骨骼的三維模型進行面網格劃分，與矯形器模型裝配，得到軀干?矯形器模型；對軀干?矯形器模型進行體網格劃分，導出為有限元模型，并通過有限元分析軟件，進行有限元靜力學分析；將矯形器模型輸入拓撲優(yōu)化軟件中，并將有限元靜力學分析結果映射到模型內表面，進行拓撲優(yōu)化；將被優(yōu)化的區(qū)域設置為鏤空結構，并進行整體結構優(yōu)化后，得到輕量化的矯形器。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有實現(xiàn)了輕量化設計、降低了結構成本且保證了結構強度等優(yōu)點。

技術研發(fā)人員：王金武,吳云成,吳淏,皇艷波,李婭,劉海濤,劉家齊,孔維澤,崔珈銘,馬振江,戴尅戎
受保護的技術使用者：上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/12