一种植入物的分析方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及生物工程的技术领域，特别是涉及一种植入物的分析方法、装置及设备。

背景技术

人类的自然牙齿可以由牙周纤维支撑在颌骨中，当施加压缩力时，诸如在咀嚼期间，牙周纤维起到减震器的作用。由于龋齿、意外伤害、解剖异常、年龄等，患者的自然牙齿可能被移除或缺失。结果，牙科植入物装置可以植入患者的骨结构中，以改善患者的外貌和/或牙齿功能。牙科治疗中广泛使用的牙科植入物是现成的产品。

现有技术中存在着在对植入物的建模分析过程中，无法实现有效地对植入物进行参数化以及分析，导致其存在患者骨愈合的稳定性不确定的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种植入物的分析方法，用于解决现有技术中存在着的在对植入物的建模分析过程中，无法实现有效地对植入物进行参数化以及分析，导致其存在患者骨愈合的稳定性不确定的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：

本发明的实施例提供了一种植入物的分析方法，所述分析方法包括：

获取患者手术部位骨骼的医学图像；

根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型和骨骼模型；

对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型；

对所述植入物的模型进行参数化处理，生成第二植入物模型；

对所述第二植入物模型进行有限元分析，生成分析结果；

判断所述分析结果是否满足预置条件，

当所述分析结果满足预置条件时，则确定分析结果为最终分析结果；

当所述分析结果不满足预置条件时，则对所述第二植入物的模型重复进行参数化处理、有限元分析和判断生成的分析结果是否满足所述预置条件，直至，分析结果满足所述预置条件。

进一步地，所述有限元分析包括静应力分析、疲劳分析和拓扑算例。

进一步地，所述参数化处理为对轮廓曲线、接骨板板厚、螺钉位置及其规格参数、有限元参数进行重新设置。

进一步地，所述根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型具体为：

根据所述医学图像，获取所述绘制接骨板轮廓的视角和绘制接骨板轮廓；

根据所述绘制接骨板轮廓的视角和绘制接骨板轮廓，生成与骨骼面相贴合的第一接骨板模型；

在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型。

进一步地，所述在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型具体包括：

所述在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成第二接骨板；

对所述第二接骨板的表面进行多孔处理，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型。

进一步地，所述重建第一仿真模型、网格划分、求解和可视化处理均在同一套几何模型。

进一步地，所述对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型具体为：

根据所述接骨板模型通过布尔运算，获取装配螺钉模型；

对所述接骨板模型、所述装配螺钉模型和所述骨骼模型进行装配，获取第一植入物模型。

进一步地，所述静应力分析具体包括：

对所述第二植入物模型的各部件分别赋予材料属性、对约束设置、载荷设置以及根据设置好网格密度生成网格并求解，生成分析结果。

进一步地，所述疲劳分析为基于材料特性S-N曲线对所述第二植入物模型疲劳寿命进行预测。

本发明的实施例还提供了一种植入物的分析装置，所述分析装置包括如下模块：

所述仿真装置包括如下模块：

获取模块，所述获取模块用于获取患者手术部位骨骼的医学图像；

生成模块，所述生成模块用于根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型和骨骼模型；

装配模块，所述装配模块用于对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型；

处理模块，处理模块用于对所述植入物的模型进行参数化处理，生成第二植入物模型；

分析模块，所述分析模块用于对所述第二植入物模型进行有限元分析，生成分析结果；

判断模块，所述判断模块用于判断所述分析结果是否满足预置条件，

当所述分析结果满足预置条件时，则确定分析结果为最终分析结果；

当所述分析结果不满足预置条件时，则对所述第二植入物的模型重复进行参数化处理、有限元分析和判断生成的分析结果是否满足所述预置条件，直至，分析结果满足所述预置条件。

本发明的实施例还提供了一种植入物的分析设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述的一种植入物的分析方法。

相比于现有技术，本发明的实施例的有益效果在于：

本发明的实施例提供了一种植入物的分析方法、装置及设备，所述分析方法包括：获取患者手术部位骨骼的医学图像；根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型和骨骼模型；对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型；对所述植入物的模型进行参数化处理，生成第二植入物模型；对所述第二植入物模型进行有限元分析，生成分析结果；判断所述分析结果是否满足预置条件，当所述分析结果满足预置条件时，则确定分析结果为最终分析结果；当所述分析结果不满足预置条件时，则对所述第二植入物的模型重复进行参数化处理、有限元分析和判断生成的分析结果是否满足所述预置条件，直至，分析结果满足所述预置条件。

所述植入物的分析方法，不仅实现了对缺植入物的快速建模和快速仿真，并在此基础上，完善了参数化处理；同时通过生成患者骨骼轮廓相贴合的接骨板，从而有效提高整体的稳定性和改善植入物系统的生物力学性能，从而有效地解决了现有技术中存在着在对植入物的建模分析过程中，无法实现有效地对植入物进行参数化以及分析，导致其存在患者骨愈合的稳定性不确定的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种植入物的分析方法的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种植入物的分析系统的框架图；

图3是本发明实施例提供的一种植入物的分析设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种植入物的分析方法，所述分析方法包括：

获取患者手术部位骨骼的医学图像；

其中，通过CT或者是其他的影像设备对患者进行检测扫描，获取患者手术部位骨骼的医学图像。

将扫描的DICOM格式的患者手术部位骨骼的医学图像导入minics处理后，再将处理所得到的有用图像以STL的文件格式输出，导入到SolidWorks进行实体转化，并转成SLDPRT的格式重新保存和命名。

根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型和骨骼模型；

具体地，根据所述医学图像，获取所述绘制接骨板轮廓的视角和绘制接骨板轮廓；

根据所述绘制接骨板轮廓的视角和绘制接骨板轮廓，生成与骨骼面相贴合的第一接骨板模型；

在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型。

其中，所述在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型具体包括：

所述在所述第一接骨板的表面拾取点并生成螺孔，生成第二接骨板；

对所述第二接骨板的表面进行多孔处理，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型。

进入到软件设计界面的建模模块，在个性化植入物建模方面，根据提示指令，借助SolidWorks操作界面选取绘制接骨板轮廓的视角和绘制接骨板轮廓，快速自动的生成与骨面相贴合的第一接骨板模型，在第一接骨板模型表面拾取点生成一定规格的螺孔，且调用SolidWorks布尔运算功能生成一定规格的螺钉；在对所述接骨板模型进行多孔结构建模方面，通过多孔结构参数的设置或者调用数据库中的多孔结构模型直接应用于所述接骨板模型上，实现接骨板模型对应位置的多孔结构处理；在调用零件库方面，将已设计的不同类型的解剖型接骨板事先储存于零件库，并通过界面对零件实现调用。

对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型；

具体地，所述对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型具体为：

根据所述接骨板模型通过布尔运算，获取装配螺钉模型；

对所述接骨板模型、所述装配螺钉模型和所述骨骼模型进行装配，获取第一植入物模型。

在植入物的装配模块中，通过调用SolidWorks插入零件功能，插入接骨板模型和相对应的螺钉零件，对骨骼模型进行自适应完成第一植入物模型的装配。

建模与装配模块主要分为单段植入物、多段植入物模式，以多段植入物模式为例，设计步骤依次为接骨板建模和骨骼模型处理、螺钉布尔生产、植入物系统的装配。

对所述植入物的模型进行参数化处理，生成第二植入物模型；

通过参数化处理对第一植入物模型的部分尺寸进行修改并更新模型。

其中，所述参数化处理为对轮廓曲线、接骨板板厚、螺钉位置及其规格参数、有限元参数进行重新设置。参数化处理主要对第一植入物模型参数进行修改，如轮廓曲线、接骨板板厚、螺钉位置及其规格等参数，对工程分析参数进行设置，如材料设、约束、载荷和网格等设置和修改。

对所述第二植入物模型进行有限元分析，生成分析结果；

其中，所述有限元分析包括静应力分析、疲劳分析和拓扑算例。

具体为，所述静应力分析具体包括：

对所述第二植入物模型的各部件分别赋予材料属性、对约束设置、载荷设置以及根据设置好网格密度生成网格并求解，生成分析结果。

所述疲劳分析为基于材料特性S-N曲线对所述第二植入物模型疲劳寿命进行预测。

根据植入物的需求，对较常用的静应力分析、疲劳分析和拓扑算例三个分析类型进行了工程分析界面的开发。工程分析模块通过SolidWorks的Simulation插件实现的，首先调用动态链接SolidWorks.Interop.cosworks.dll，在SolidWorks的项目栏添加引用“SolidWorks.Interop.cosworks.dll”。

在Simulation模块中，静应力分析中的完成约束设置具有固定几何体、固定铰链、弹性支撑等功能，其中，固定几何体可用于固定植入物系统或骨骼，弹性支撑可以通过设置其法向刚度大小，以模拟咬肌、翼内肌、颞肌等肌肉力的约束载荷。疲劳分析处的应用材料属性需提供具有S-N曲线的材料属性，疲劳分析和拓扑优化均需要通过算例相关联，关联已有的静应力分析算例。

静应力分析模块简化了有限元分析前处理的设置，添加了录制前处理设置的功能以便重复同一设置以便快速得到仿真结果，静应力仿真结果可以快速查看到应力、位移和应变的最大值以及所在位置，并显示在软件界面中。疲劳分析模块是基于材料特性S-N曲线对植入物系统疲劳寿命的预测，设计者可以很直观地迅速确认结构中的危险部位和薄弱环节。

判断所述分析结果是否满足预置条件，

当所述分析结果满足预置条件时，则确定分析结果为最终分析结果；

当所述分析结果不满足预置条件时，则对所述第二植入物的模型重复进行参数化处理、有限元分析和判断生成的分析结果是否满足所述预置条件，直至，分析结果满足所述预置条件。

分析求解完成后，获取有限元分析结果，可以选择分析结果查看，并评估分析结果是否满足预置条件，若结果满足预置条件时，则可以保存结果并导出3D打印所需格式的第二植入物模型的文件。若结果不合格，则需重新对第二植入物模型进行参数化处理，建模或重新对植入物进行参数化处理后进行工有限元分析，并再次求解和获取分析结果，循环往复，直至所得的分析结果合格为止。

本实施例的所述分析方法适用于SolidWorks等三维软件；

具体地，通过SolidWorks API函数接口，使用VB.NET对SolidWorks进行二次开发并建立一套人机交互界面软件，在软件中研究添加适用于植入物进行参数化处理的专用功能模块；选择合适的API接口把SolidWorks应用作为服务程序，通过人机交互界面中设计的功能模块可以随时控制SolidWorks在后台的启动与关闭以及调用SolidWorks的功能，建立适合用户需要的SolidWorks专用功能模块，大大提高了设计效率。

其中，本实施例中选用SolidWork完成对植入物的所有设计，包括零件建模、零件装配和有限元分析。SolidWork中可以通过用新的尺寸值对所建模型进行尺寸驱动来生成一个新的个性化模型来实现植入物的参数化处理。使用SolidWork的布尔运算功能对接骨板模型进行导入零件的装配可以极大减轻繁琐的装配过程。SolidWorks的有限元模块Simulation可以快速的对模型进行静应力分析、拓扑优化和疲劳分析等，精简设计流程，极大的提高了使用者的分析效率。

本实施例的所述植物物方法，通过SolidWorks等三维软件进行二次开发设计的人机交互软件，可一站式完成植入物系统的建模、仿真和参数化处理，不仅实现了对缺损骨个性化植入物的快速建模和快速仿真，并在此基础上，完善了参数化处理。同时该植入物系统软件是设计与患者骨骼轮廓相贴合的接骨板，从而有效提高整体的稳定性和改善植入物系统的生物力学性能。本发明还通过建模模块中的布尔运算还原骨痂模型，并通过有限元分析模拟不同时期骨痂的应变情况，然后判断是否有利于骨骼发育，参数化处理通过自定义的命令流语句，只需修改软件自带的命令流文本的主要参数便可以实现自动建模装配、前处理设置、仿真求解等操作，省去了需要循环操作的步骤，大大提高了效率。

其中，建模模块的接骨板设计可以单段或分段进行设计，满足对不同病例的个性化设计；建模模块中添加了骨痂模型建模功能，为后续模拟骨痂应变结果来评价对骨刺激愈合的效果提供条件；4、对每个操作步骤都设置了操作命令的录制功能，各个模块省去了需要循环操作的步骤；参数化处理主要以修改命令流主要参数或直接在软件界面修改相应参数的形式来完成对模型以及有限元参数设置的修改；以及机交互界面软件在执行相应功能时按特定顺序执行的，对于当前不可执行的功能将会自动对其限制为不可使用的状态。

进一步地，由于下颌骨部位是人体比较频繁的活动关节，所以下颌骨骨折的固定、骨缺损的修复和固定均需要满足一定的生物力学特点，而医生作为非工程设计人员往往不善于用生物力学性能来指导其植入物系统的设计。本实施例的所述植入物分析方法弥补了医生从工程学角度对植入物进行设计的不足，打破了医生只凭医学临床经验的传统设计方法。

通过本实施例的所述植物入物的分析方法，能够更好的设计缺损下颌骨表面贴合的个性化植入物，对个性化植入物进行参数化处理，不仅提高术后患者骨愈合的稳定性，提前进行康复性锻炼并加快骨愈合，还可以延长植入物的使用寿命，增加永久性固定的可能性。具有与骨表面贴合的三维形状以及良好生物力学特性的植入物，不仅可以减少手术时间，提高初期稳定性并加快骨愈合，还可以降低或消除骨吸收并减小固定板失效的可能，提高手术成功率。

如图2所示，本发明的实施例还提供了一种植入物的分析装置，所述仿真装置包括如下模块：

获取模块201，所述获取模块201用于获取患者手术部位骨骼的医学图像；

生成模块202，所述生成模块202用于根据所述医学图像，生成与骨骼面相贴合的接骨板模型和骨骼模型；

装配模块203，所述装配模块203用于对所述骨骼模型和所述接骨板模型进行装配，获取第一植入物模型；

处理模块204，处理模块204用于对所述植入物的模型进行参数化处理，生成第二植入物模型；

分析模块205，所述分析模块205用于对所述第二植入物模型进行有限元分析，生成分析结果；

判断模块206，所述判断模块206用于判断所述分析结果是否满足预置条件，

当所述分析结果满足预置条件时，则确定分析结果为最终分析结果；

当所述分析结果不满足预置条件时，则对所述第二植入物的模型重复进行参数化处理、有限元分析和判断生成的分析结果是否满足所述预置条件，直至，分析结果满足所述预置条件。

所述分析装置，不仅实现了对缺植入物的快速建模和快速仿真，并在此基础上，完善了参数化处理；同时通过生成患者骨骼轮廓相贴合的接骨板，从而有效提高整体的稳定性和改善植入物系统的生物力学性能，从而有效地解决了现有技术中存在着在对植入物的建模分析过程中，无法实现有效地对植入物进行参数化以及分析，导致其存在患者骨愈合的稳定性不确定的技术问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

如图3所示，本发明的实施例还提供了一种植入物的分析设备，所述设备包括处理器300以及存储器301；

所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；

所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种植入物的分析方法实施例中的步骤。

示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。

所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图3仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立地产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。