医疗植入物的拓扑优化：精准设计，安全植入

1. 什么是创成式设计？

创成式设计（Generative Design，GD）是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过"创成式"系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

2.为什么介绍医学植入物方面？

创成式设计虽然在日常的消费产品方面有许多应用的案例，但是离开主流应用仍然有很大的差距。创成式的设计和制造最大价值在于小批量高度定制化的产品，类似航空航天公司和致力于医学植入物的行业。

植入体

医学植入体，类似人工骨，是非常明确的高度个性化的产品。每个人都不一样，因此植入体最为行业所关心的是没有一个能够适用所有的设计解决方案。

生物医学工程公司很早就使用了3D打印技术。最近，第一个3D打印钛合金髋关节接受者庆祝了10周年纪念，据报道，患者依旧行动自如。进行这场手术的医生Guido Grappiolo自从那次手术后已经进行了超过600次的3D打印植入体的植入手术。纵观全球，超过10000名患者受益于3D打印髋关节植入体。这些都是这项技术有效性有力证明。

右图为人工髋关节中的臼杯

但是，在过去的10年时间CAD和CAE仿真已经发生了很大的变化。现在的创成式设计和拓扑优化技术，不仅能减轻植入体的重量，而且可以更接近地模仿骨骼内部的骨小梁结构。

因此，可能你会好奇，医疗种植体的创成式设计和拓扑优化，现在我们究竟达到了怎样的高度？

Altair OptiStruct

在谈及一个关于医学植入体、拓扑优化、创成式设计的话题时，Altair OptiStruct是不得不提及的。

Altair OptiStruct是第一个用于商业用途的拓扑优化软件，诞生于密歇根大学的骨骼生长研究。Altair的首席市场官（CMO）Jeff Brennan，曾经致力于研究骨骼如何响应外部的受力情况进行生长，并且开发了一个数学算法去模仿这种现象（这个理论就是众所周知的沃尔夫定律）。Brennan后来带着他的研究来到了Altair工作。

沃尔夫定律：十九世纪外科医生朱利叶斯·沃尔夫发现，骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关，而且骨是以最优化的功能形态结构去承受载荷的。

在一段时间的校企合作后，Altair肩负起了算法开发的责任，并且于1994年发布了Altair OptiStruct平台。

从那以后，Altair OptiStruct成为了拓扑优化领域的领导平台并且出现了众多工业应用的分支，包括航空和汽车。

利用Altair OptiStruct拓扑优化进行车架设计

如今，得益于增材制造，Altair OptiStruct回到了它的本源，被用来设计骨骼植入体。整个过程画了一个完美的圈，从最初拓扑优化被用来模拟骨骼生长的自然表现，最终大自然成为了设计工程师最好了引路人。

Altair OptiStruct解算器现被用在Altair HyperWorks和Altair Inspire。

Altair OptiStruct是提供拓扑优化的解算器和优化器，但是这个工具是为仿真专家而设计的。Altair Inspire包含了Altair OptiStruct的功能，使用了更加友好的用户界面，使得设计工程师能够在产品设计的早期阶段使用到拓扑优化技术。——Yuhao He，Altair高级项目经理

Altair Inspire界面示意图

Altair OptiStruct解算器以各种形式被使用在了髋关节植入体，颌骨植入体和脊柱植入体。

但是，除了3D打印的高度定制化，拓扑优化提供的减重，使用创成式的设计方法设计的植入体还有什么其他的优势呢？

对于我们设计的髋关节植物体，它的优势在于能够通过优化的刚度减少应力遮挡和骨吸收。骨吸收是产生植入体松动和高骨折风险的一个主要原因。骨吸收是一种由于噬骨细胞破坏骨组织的而造成的骨质丢失。——Yuhao He，Altair高级项目经理

这是很值得关注的一个点，植入体的松动和错位是两个造成全髋关节（THA）翻修术的主要原因。简单来说，一个好的植入体设计能够使患者获得更久的下地时间，需要更少的翻修手术。

造成人工髋关节植入患者额外手术的原因

应力遮挡是一个重要的概念，后面会回再来讨论这个问题。

因为钛合金的生物相容性，它是完美的植入体的材料。但问题在于钛的刚度是股骨皮质骨的6.5倍，当一个钛合金的植入体被植入到患者体内，自然骨骼的载荷分配发生了改变（自然骨受到的载荷变小了）产生了应力遮挡。正如沃尔夫定律，骨骼根据它所经历的载荷自身进行重建。由于伴随着钛合金植入体载荷减小了，骨骼实际上失去了质量，骨吸收产生了，那时，骨折，错位和松动就会产生。

因此，设计一个植入体在微结构层面尽可能接近原始的材料是自然分配这些载荷的关键，也是减少这些不想产生的效果的关键。

人体股骨应力遮挡米塞斯应力

上图显示了股骨的米塞斯应力。第一张图是自然，健康的骨头。第二张图是植入了传统植入体后的米塞斯应力，第三张是优化后的植入体的受力情况。可以注意到，第三张使用优化植入体显示了与自然骨骼相似的应力集中。这正是所希望的。第二张图显示了应力的减少。这是典型的应力遮挡的情况，这是不希望看到的。

Altair Inspire使用Altair OptiStruct设计优化的点阵结构减少刚度和质量，因此减少了应力遮挡。

3D打印髋关节植入体

软件算法更能够把3D打印的制造限制考虑进去，控制优化结果的悬空角度。最近，软件允许用户创建杆长和杆径都能优化的点阵或者半点阵结构，你能看到如上图的点阵结构。

结合增材制造，拓扑优化使得工程师能够设计出基于患者解剖，运动水平和骨骼机械特性的定制化植入体。这些植入体会更适合患者，更强更高效——Yuhao He，Altair高级项目经理

最后的思考

不知道大家有没有发现，前文所提到的所有打印的骨植入体的形状都与它的设计保持完全一致。

随着拓扑优化技术被应用到消费产品和高端工程产品，拓扑优化设计的趋势更趋向于优化产品结构的巨大改变。

但在医学种植体领域，特别是骨骼的替代，大量的外观形状被保留，最大优化产生于微结构层级。

随着优化技术在设计工程类产品时被创造出类似镂空的形态，在进行植入体设计时，高外形还原度才是关键。以微结构层级如实重建出产品意味着患者生命得以延续，患者能感觉良好并正常步行，在微结构层级对真实骨骼的模仿能够获得更好的实现骨整和。允许载荷被转移到正确的方向上。

虽然有时我们期望从创成式设计获得新奇设计，但这其实对于大自然来说并不新奇。

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