基于Solid Works二次開發(fā)的植入物系統(tǒng)設(shè)計平臺

張春雨，張碧濤，陳賢帥

（1.佛山市逸合生物科技有限公司，佛山 528200；2.廣州市健齒生物科技有限公司，廣州 511458）

0 引言

盡管三維設(shè)計軟件已普及，但工程圖紙仍然是大部分企業(yè)表達設(shè)計思想、加工零件尺寸、檢驗產(chǎn)品及技術(shù)交流不可缺少的技術(shù)資料［1］。計算機輔助設(shè)計（CAD）已逐步深入到設(shè)計生產(chǎn)細節(jié)中。

本文主要涉及的是骨科植入物的設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)，骨科植入物系統(tǒng)不同參數(shù)下的組合形式多樣，醫(yī)生針對不同的患者又會有自己不同的設(shè)計要求，因此，開發(fā)一款具備立體化和可視化且專門針對下頜骨內(nèi)固定系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的三維設(shè)計平臺，不僅可以方便醫(yī)生對患者下頜骨內(nèi)固定系統(tǒng)的快速設(shè)計，也可以提高該領(lǐng)域的設(shè)計質(zhì)量。SolidWorks作為一款操作方便實用性強的三維設(shè)計軟件在內(nèi)固定系統(tǒng)的設(shè)計上可以得到很好的應(yīng)用，基于SolidWorks二次開發(fā)對內(nèi)固定系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計可以極大地提高醫(yī)生的工作效率和保證植入物系統(tǒng)的質(zhì)量，也為未來更加智能化的醫(yī)工結(jié)合的人機交互系統(tǒng)打下堅實基礎(chǔ)［2］。

通過API調(diào)用SolidWorks的各種功能［3］，包括草繪、特征、運動、工程分析等功能模塊的開發(fā)。本文是基于VB.NET環(huán)境下的SolidWorks 2018二次開發(fā)，對患者骨骼進行植入物的個性化設(shè)計［4］，然后完成內(nèi)固定系統(tǒng)裝配并最終實現(xiàn)內(nèi)固定系統(tǒng)有限元仿真優(yōu)化的過程。該系統(tǒng)包括4個主要模塊：建模與裝配模塊、工程分析模塊、結(jié)果輸出模塊和參數(shù)化命令流模塊。設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 植入物設(shè)計二次開發(fā)流程

首先，軟件要求的文件格式為STL，如不是，則需要借助相關(guān)醫(yī)學(xué)軟件，將原始格式的患者手術(shù)部位骨骼以及相關(guān)骨骼素材導(dǎo)入相關(guān)醫(yī)學(xué)軟件處理后，以STL的文件格式輸出。

進入軟件設(shè)計界面，可將處理好的STL的文件直接導(dǎo)入到SolidWorks自動進行實體轉(zhuǎn)化，并轉(zhuǎn)成SLDPRT的格式重新命名。

進入到軟件設(shè)計界面的建模模塊，在個性化植入物建模方面，根據(jù)提示指令，借助Solid-Works操作界面選取繪制接骨板輪廓的視角和繪制接骨板輪廓，快速自動地生成與骨面相貼合的接骨板，在接骨板表面拾取點生成一定規(guī)格的螺孔，調(diào)用SolidWorks布爾運算功能生成一定規(guī)格的螺釘；在多孔結(jié)構(gòu)建模方面，通過多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置或者調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的多孔結(jié)構(gòu)模型直接應(yīng)用于實體模型上，實現(xiàn)實體對應(yīng)位置的多孔結(jié)構(gòu)處理；在調(diào)用零件庫方面，將已設(shè)計的不同類型的解剖型接骨板事先儲存于零件庫，并通過界面對零件實現(xiàn)調(diào)用。

在植入物系統(tǒng)裝配模塊中，通過調(diào)用Solid-Works插入零件功能，插入匹配式植入物以及相對應(yīng)的螺釘?shù)攘慵⒆赃m應(yīng)完成植入物系統(tǒng)的裝配。完成裝配后，可以通過參數(shù)化設(shè)計對植入物系統(tǒng)的部分尺寸進行修改并更新模型［5-6］。

下一步進入工程分析模塊，對裝配好的模型選擇分析類型進行分析，常用的有靜應(yīng)力分析、疲勞分析和拓?fù)渌憷?-9］。以靜應(yīng)力分析為例，使用靜應(yīng)力分析模塊功能對裝配模型的各部件分別賦予材料屬性［10］，對裝配模型完成約束設(shè)置、載荷設(shè)置，最后設(shè)置好網(wǎng)格密度生成網(wǎng)格并求解。

求解完成后，可以選擇感興趣的工程分析結(jié)果查看，并評估工程分析結(jié)果，若結(jié)果滿足要求，則可以保存結(jié)果并導(dǎo)出3D打印所需格式的文件。若結(jié)果不合格，則需通過參數(shù)化設(shè)計重新對模型進行參數(shù)化建模或重新對植入物系統(tǒng)進行參數(shù)化工程分析設(shè)置，參數(shù)化設(shè)計主要對模型參數(shù)進行修改，如輪廓曲線、接骨板板厚、螺釘位置及其規(guī)格等參數(shù)，對工程分析參數(shù)進行設(shè)置，如材料設(shè)、約束、載荷和網(wǎng)格等設(shè)置，并再次求解和參看分析結(jié)果，循環(huán)往復(fù)，直至所得的工程分析結(jié)果合格為止。

1 植入物建模與裝配

1.1 匹配式植入物建模與裝配

通過設(shè)計界面操作SolidWorks對象，首先需添加引用“SolidWorks2018 Type Library”，植入物設(shè)計應(yīng)用程序通過API可以對SolidWorks進行跨進程的調(diào)用并訪問SolidWorks的各種功能。相關(guān)的實現(xiàn)代碼如下：

Swapp=CreateObject（"Sldworks.application"）

Part=Swapp.ActiveDoc

Sketchmer=Part.SketchManager

Featmgr=Part.FeatureManager

如圖2所示，建模與裝配模塊主要分為單段植入物、多段植入物模式，以多段植入物模式為例［11］，設(shè)計步驟依次為匹配式植入物建模和骨骼模型個性化處理、螺釘布爾生產(chǎn)、植入物系統(tǒng)的裝配。

圖2 建模與裝配界面

1.2 多孔結(jié)構(gòu)建模

如圖3所示，本界面主要建立了6類常用的多孔結(jié)構(gòu)模型，并可以根據(jù)微孔結(jié)構(gòu)各參數(shù)設(shè)置自動匹配孔隙率［12］。使用SolidWorks對多孔單元結(jié)構(gòu)進行陣列的建模方式，這里以立方體微孔結(jié)構(gòu)為實例，部分實現(xiàn)代碼如下：

圖3 多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計界面

b=Text Box2.Text 'b是設(shè)置的單元邊長

x=Text Box5.Text '陣列參數(shù)x

y=Text Box6.Text '陣列參數(shù)y

z=TextBox7.Text '陣列參數(shù)z

For K=1 To x*y-1

Part.Extension.SelectByID2（"陣列（線性）1［"+K.To-String（）+"］","SOLIDBODY",0,0,0,True,256,Nothing,0）

Next

P=P+1

For K=1 To x*y*z-x*y

Part.Extension.SelectByID2（"陣列（線性）"+P.To-String（）+"［"+K.ToString（）+"］","SOLIDBODY",0,0,0,True,256,Nothing,0）

Next

Part.FeatureManager.InsertScale（1,True,b/2,b/2,b/2）

通過SolidWorks2018的特征組合功能對實體進行多孔結(jié)構(gòu)處理，代碼如下：

Part.InsertPart2（"D:porous model-1.SLDPRT",285）

Part.Extension.SelectByID2（"porous model-1","SOLIDBODY",0,0,0,False,1,Nothing,0）

Part.Extension.SelectByID2（"Implant-1","SOLIDBODY",0,0,0,True,2,Nothing,0）'特征組合運算將多孔結(jié)構(gòu)添加于模型上

Part.FeatureManager.InsertCombineFeature（15902,Nothing,Nothing）

通過SolidWorks二次開發(fā)下特征組合運算生成的多孔結(jié)構(gòu)植入物為實體模型，并不會出現(xiàn)面缺陷的問題，而常用的多孔結(jié)構(gòu)處理軟件需要對面缺陷做大量的修復(fù)工作，因此本設(shè)計界面極大節(jié)省了零件的設(shè)計時間。

1.3 植入物檔案管理系統(tǒng)

植入物檔案管理系統(tǒng)包括3個模塊，分別為植入物檔案查詢、植入物檔案新增、植入物檔案修改。如圖4所示，根據(jù)平臺的設(shè)計，可通過文件導(dǎo)入或產(chǎn)品編號進行檢索，并顯示該植入物的正折彎角、側(cè)折彎角、外圓徑、內(nèi)孔徑、板厚、板寬、工作長度、釘孔間距等參數(shù)。植入物管理系統(tǒng)界面還包括了查詢、新增、修改、刪除4個按鈕，以便對植入物檔案進行操作［13-14］。

設(shè)計者通過評價所查詢的植入物與導(dǎo)入病例骨骼固定處的匹配度，選取匹配度較高的植入物或?qū)χ踩胛镞M一步修改參數(shù)，完成修改后，相對應(yīng)修改的參數(shù)信息會自動填寫到數(shù)據(jù)庫里。為了便于植入物檔案管理，在數(shù)據(jù)庫設(shè)置一目錄頁以植入物歸類的形式全部羅列出來，并自動更新數(shù)據(jù)庫中新增、修改和刪除的植入物檔案信息。

其中，圖4參數(shù)中的正、側(cè)折彎角通常需要在一個或多個點位進行設(shè)置，當(dāng)該界面中導(dǎo)入不同類型的零件時，該界面也會自動生產(chǎn)一組對應(yīng)的參數(shù)類別。

圖4 植入物檔案管理界面

2 工程分析

2.1 工程分析模塊

根據(jù)植入物設(shè)計的需求，本界面只對較常用的靜應(yīng)力分析、疲勞分析和拓?fù)渌憷?個分析類型進行了開發(fā)。工程分析模塊通過SolidWorks的Simulation插件實現(xiàn)的，首先調(diào)用動態(tài)鏈接Solid-Works.Interop.cosworks.dll，在SolidWorks的項目欄添加引用“SolidWorks.Interop.cosworks.dll”。

如圖5所示，這里以靜力學(xué)分析為例，實現(xiàn)工程分析模塊調(diào)用和前處理的部分解釋和代碼如下：

Dim CWAddinCallBackObj As Object

CWAddinCallBackObj=Swapp.GetAddInObject（"CosmosWorks.CosmosWorks"）'調(diào)用工程分析模塊

ErrorCodeObj=SolidManagerObj.SetLibraryMaterialToSelectedEntities（"SolidWorks materials","商用純鈦（Ti-55）

UNS R50550*"）'材料設(shè)置實例

Dim LoadsAndRestraintsManagerObj As CWLoads AndRestr-aintsManager'調(diào)用約束載荷設(shè)置功能

Dim MeshObj As Object

MeshObj=StudyObj.Mesh（）'調(diào)用網(wǎng)格設(shè)置功能

圖5是一例植入物系統(tǒng)從匹配式建模、裝配再到完成工程分析，并最后得出分析結(jié)果的界面圖。

在Simulation模塊中，靜應(yīng)力分析中的完成約束設(shè)置具有固定幾何體、固定鉸鏈、彈性支撐等功能，其中，固定幾何體可用于固定植入物系統(tǒng)或骨骼，彈性支撐可以通過設(shè)置其法向剛度大小，以模擬咬肌、翼內(nèi)肌、顳肌等肌肉力的約束載荷。疲勞分析處的應(yīng)用材料屬性需提供具有S-N曲線的材料屬性，疲勞分析和拓?fù)鋬?yōu)化均需要通過算例相關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)已有的靜應(yīng)力分析算例。

2.2 多孔結(jié)構(gòu)分析模塊

如圖6所示，首先需導(dǎo)入已完成建模的匹配式植入物，然后按步操作完成多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)入，最后將多孔結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)入靜應(yīng)力分析模塊中，完成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置并求解，查看分析結(jié)果。其中，對多孔結(jié)構(gòu)植入物的每一次分析會計算其相對應(yīng)的抗彎剛度和應(yīng)力集中系數(shù)，從Simulation模塊導(dǎo)出的報表中提取相應(yīng)參數(shù)來求得抗彎剛度和應(yīng)力集中系數(shù)，并作為考量多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)［15-17］。抗彎剛度越小，更能有效降低周圍骨組織的應(yīng)力遮蔽，保證患者骨組織的正常刺激發(fā)育，應(yīng)力集中系數(shù)越小，則多孔結(jié)構(gòu)植入物的應(yīng)力分布越均勻，更有利于延長植入物的壽命。

圖6是一例匹配式下頜柄系統(tǒng)從匹配式建模、裝配再到完成工程分析，并最后得出分析結(jié)果的界面圖。

圖6 多孔結(jié)構(gòu)分析界面

3 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是通過改動模型的某一部分或某幾部分的建模尺寸，或修改模型某一部分或某幾部分的分析條件設(shè)置，自動完成對模型建模與分析的更新改動，從而實現(xiàn)對模型建模與分析的驅(qū)動。本設(shè)計界面提供參數(shù)化設(shè)計功能，使用戶在驗證不同尺寸結(jié)構(gòu)的模型時，無需反復(fù)建模，只要把關(guān)鍵的可修改的參數(shù)重新賦值即可。

植入物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的主要參數(shù)包括以下：釘孔號：point_number、釘全長：screw_length、孔類型：hole_type、孔規(guī)格：hole_spec、自定義大小：defined_1、defined_2、defined_3、釘孔空間坐標(biāo)：point_x、point_y、point_z。

參數(shù)化設(shè)計的其中一個前提條件是需要存儲和讀取SolidWorks輪廓繪制的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)部分與輪廓繪制相關(guān)參數(shù)的修改和輪廓參數(shù)的修改。記錄草圖中繪制點、線的部分代碼實現(xiàn)過程如下：

Dim swModel As SldWorks.ModelDoc2

Dim swSelMgr As SldWorks.SelectionMgr

Dim swSketch As SldWorks.Sketch

Dim swFeat As SldWorks.Feature

Dim swSketchPoint As SldWorks.SketchPoint

Dim sketchPointArray As Object

Dim i As Long

swModel=Swapp.ActiveDoc

swSelMgr=swModel.SelectionManager

swFeat=swSelMgr.GetSelectedObject6（1,-1）

swSketch=swFeat.GetSpecificFeature2

sketchPointArray=swSketch.GetSketchPoints2

For i=0 To UBound（sketchPoint Array）'UBound（sketch-Point Array）+1為草圖中草繪點的數(shù)量

swSketchPoint=sketchPointArray（i）

a（b）=sketchPoint Array（i）.X

a（b+1）=sketchPointArray（i）.Y

a（b+2）=sketch2Point Array（i）.Z

b=b+3

Next

point_number=UBound（sketchPointArray）

NumLines=swSketch.GetLineCount2（1）

vLines=swSketch.Get Lines2（1）

For i=0 To NumLines-1'NumLines為草圖中線段的數(shù)量

MsgBox（"Line（"&i&"）"）

MsgBox（"（Start=（"&vLines（12*i+6）*1000.0#&","&vLines（12*i+7）*1000.0#&","&vLines（12*i+8）*1000.0#&"）mm"）

MsgBox（" End =（"&vLines（12*i+9）*1000.0#&","&vLines（12*i+10）*1000.0#&","&vLines（12*i+11）*1000.0#&"）mm"）

Next

將記錄草圖的數(shù)據(jù)在txt文檔中讀寫的部分代碼實現(xiàn)過程如下：

Dim strArr As String（）=File.ReadAllLines（"D:Point.txt",System.Text.Encoding.Default）'獲取txt文檔的總行數(shù)（包括Null）

Dim j=0

For i=0 To b/3-1

strArr（j）=a（j）'寫入的文本代替原文件的文本

strArr（j+1）=a（j+1）

strArr（j+2）=a（j+2）

j=j+3

Next

File.WriteAll Lines（"D:Point.txt",strArr,System.Text.Encoding.Default）'strArr所有值寫入txt

4 結(jié)語

本文通過對匹配式植入物系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，結(jié)合產(chǎn)品自身設(shè)計得具體要求，基于VB.NET平臺，利用SolidWorks軟件自主二次開發(fā)，建立一個集建模、組裝、工程分析、優(yōu)化于一體的匹配式植入物設(shè)計平臺。能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，極大地降低產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的周期。本文主要對匹配式植入物的6個方面進行編程實現(xiàn)：

（1）基于SolidWorks二次開發(fā)的界面可以快速實現(xiàn)匹配式植入物與接骨螺釘?shù)慕＃焖偻瓿芍踩胛铩⒔庸锹葆敽凸趋赖哪Ｐ脱b配。

（2）多孔結(jié)構(gòu)建模與分析模塊可以快速對植入物導(dǎo)入不同類型的多孔結(jié)構(gòu)，并通過Simulation模塊的分析來評定多孔結(jié)構(gòu)的性能。

（3）通過植入物管理系統(tǒng)，可以查詢并調(diào)用已預(yù)先完成植入物模型，實現(xiàn)與個性化患者骨骼的快速匹配，同時植入物管理系統(tǒng)提供了設(shè)計者對數(shù)據(jù)庫進行新增、修改、刪除等操作的權(quán)限。

（4）在快速完成建模和裝配后，在進入工程分析模塊中，設(shè)計平臺為設(shè)計者提供了靜應(yīng)力分析、疲勞分析和拓?fù)渌憷?個分析類型，輔助設(shè)計者快速進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

（5）讀取保存過的建模或工程分析實例，可修改相關(guān)變量進行參數(shù)化建模或工程分析。

（6）使用本程序界面定義的命令流，實現(xiàn)程序化建模和工程分析。