一种具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法

本发明涉及一种界面微结构优化设计方法，具体涉及一种具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法。

背景技术：

1、在我国，骨关节炎患者人数超过1亿人。骨关节炎常导致软骨退行性病变与缺损。对于大面积软骨缺损，自体肋软骨移植因供体来源相对充足、组织成分与关节软骨相似、免疫排斥风险低等特点，成为软骨缺损修复领域受到关注的替代治疗方案。然而，肋软骨与宿主关节软骨在弹性模量、渗透率及分层力学特性方面存在差异，移植后容易在移植物与宿主软骨的侧向结合界面产生应力集中、应力屏蔽或液相压力异常分布，从而恶化界面力学微环境，不利于间充质干细胞、软骨祖细胞等软骨修复相关细胞的黏附、增殖、分化及基质分泌，进而影响移植软骨的结构整合和康复进程。

2、已有研究表明，微观尺度的应力应变与流场能够影响细胞黏附、铺展、生长及分化行为，因此在移植物界面构建可控微结构，有望通过调节局部等效刚度、渗透率和表面拓扑特征，改善软骨移植界面的力学微环境。然而，现有界面微结构优化设计方法仍存在不足：拓扑优化、形状优化等方法多在微观代表单元尺度基于局部目标进行优化设计，缺少与关节尺度多孔弹性模型的耦合，难以反映宏观生理载荷下微结构对移植界面的固相应力与液相压力分布的影响。另一方面，粒子群算法、遗传算法等方法可在宏观尺度上搜索等效材料参数，但通常依赖大量正问题试算，缺乏显式梯度信息，计算时间长、收敛效率低；并且若仅在等效材料参数空间中寻优，可能得到难以由实际微结构几何参数实现的等效材料参数。

3、因此，为解决肋软骨移植物界面微结构优化设计中存在的优化收敛难、微结构参数与宏观力学响应耦合不足以及等效材料参数可实现性不足等问题，需要构建一种兼顾跨尺度建模和梯度信息的界面微结构优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，通过在界面微结构优化设计中创新性地引入伴随法，并构建ai代理模型实现微观几何参数与宏观力学响应的耦合，有效解决了传统优化设计方法计算量大、收敛效率低、难以兼顾跨尺度优化的问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1、构建等效材料参数预测代理模型：

5、步骤11、通过comsol multiphysics对微结构等效代表元进行批量仿真，测量不同微结构类型、不同几何参数下等效代表元的等效材料性能，构建微结构参数与等效材料性能对应关系的数据库，用于训练等效材料参数预测代理模型；

6、步骤12、在构建正向预测模型时，对不同类型微结构分别训练正向预测模型，每个正向预测模型以该类型微结构的几何参数为输入，以等效刚度矩阵和等效渗透率矩阵为输出；

7、步骤2、确定优化域：

8、将肋软骨移植物与宿主关节软骨的移植界面附近空间，即以界面平面沿法线向两侧对称等距延伸所形成的薄层空间，确定为微结构优化域；

9、步骤3、获取残差导数信息：

10、构建含有肋软骨移植物、宿主关节软骨和界面优化域的多孔弹性有限元模型，状态变量包括固相位移和液相压力，正问题组装与求解过程中保留残差对优化域中固相位移、液相压力的导数信息，同时，构建优化任务的目标函数；

11、步骤4、基于伴随法更新优化域微结构参数：

12、步骤41、以步骤3所得正问题解为基础，通过伴随法获得目标函数对等效刚度矩阵和等效渗透率矩阵的偏导数；

13、步骤42、利用pytorch自动微分工具对正向预测神经网络执行反向链式传播，获得等效材料参数对微结构连续几何参数的偏导数；

14、步骤43、对于离散类型参数，采用softmax松弛方式将离散类型表示为连续类型权重，其中且，表示该微结构是第种微结构的可能性或权重，混合等效材料参数表示为, ，其中为第类微结构对应的连续几何参数，和由该类微结构的正向预测网络输出；

15、步骤44、优化收敛后选取权重最大的类型作为实际微结构类型；

16、步骤5、通过残差增量方程预测更新后的力学场：

17、在更新微结构连续几何参数和类型权重后，利用残差线性化增量方程预测新的状态变量，从而更新位移场、液相压力场以及由本构关系得到的固相应力场；若更新后的残差范数或目标函数预测误差大于预设阈值，则重新求解多孔弹性正问题，以校正线性化预测产生的误差；

18、步骤6、循环直至收敛：

19、重复步骤4和步骤5，直至目标函数变化量小于预设收敛阈值，或达到最大迭代次数，最终输出优化域内各分区的微结构类型、连续几何参数、等效刚度矩阵、等效渗透率矩阵以及对应的移植界面固相应力和液相压力分布。

20、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

21、1、通过引入伴随法获得目标函数对界面微结构几何参数及类型松弛参数的灵敏度信息，使优化过程由依赖大量正向试错转变为基于梯度信息的定向迭代，从而提高优化收敛效率并降低计算成本。

22、2、通过神经网络代理模型建立微结构类型参数、几何参数与等效刚度矩阵、等效渗透率矩阵之间的映射关系，并将其耦合至宏观多孔弹性模型，从而实现微观结构设计与宏观界面力学响应的协同优化，提高优化结果的物理可实现性。

1.一种具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤1-1中，微结构参数包含离散类型参数和连续结构参数；离散类型参数包括微孔、微沟、微柱或其组合结构，采用独热编码；连续结构参数包括周期、孔径、柱径、沟宽、深度、高度、倾斜角；等效材料性能包括等效刚度矩阵和等效渗透率矩阵。

3.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤1-2中，在模型的损失函数中，加入正定性约束项，以保证正向预测模型输出具有物理真实性。

4.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述损失函数的表达式为：

5.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤2中，优化域厚度为10~200微米；优化域以移植界面为基准，沿关节面深度方向及其正交方向划分为若干分区，每个分区具有独立的微结构类型参数和连续几何参数。

6.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤3中，目标函数是显式依赖优化域中状态变量的函数，由移植界面固相应力分布误差和液相压力分布误差组成，表示为：

7.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤43中，的表达式为：

8.根据权利要求1所述的具有跨尺度协同优化能力的肋软骨移植物界面微结构优化设计方法，其特征在于所述步骤5中，设材料参数增量为，状态变量增量为，则有：