仿生股骨頭模型及設計方法與流程

本發明屬于先進制造技術領域，涉及一種基于3d打印技術的仿生股骨頭模型及設計方法。

背景技術：

3d打印(3dp)即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。目前在國內：北京大學研究團隊在全球首次成功地為一名12歲男孩植入了3d打印脊椎。北京航空航天大學在金屬直接制造方面取得了進展，突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工材料的激光成形工藝。西北工業大學的大凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。在國外：英美等發達國家針對結構輕量化，技術標準，共性技術，商業模式發展等展開了研究，并應用于軍事，航天，醫藥等領域。

骨移植的需要不斷增加，現在每年在歐洲要進行超過400,000次骨移植手術，在美國則需超過600,000次。在美國，2010年人們在骨移植替代物上的花費達到了13億美元，并且被預測會以每年7.4％的比率增長。中國已經進入老齡化社會，在我國這項技術卻比較落后。如何設計和制作出骨移植替代物成了當務之急。觀察天然的骨頭，將骨切開可以看到里面的微觀結構，發現是類似具有梯度性的點陣結構。觀察其他自然界的植物結構，也具有這種梯度的變化。制造性困難曾經限制微觀結構的設計，但隨著3d打印技術的發展，已經可以克服這種困難。本發明即為仿生股骨頭模型，旨在未來能夠作為新型的骨移植替代物。

技術實現要素：

本發明的是根據人類自然股骨頭的結構組織特性，設計出能夠替代壞死或損壞的股骨頭的模型，從而達到作為骨移植替代物的目的。

本發明的技術方案：

仿生股骨頭模型為由桿件和節點組裝成的半球點陣支架結構，分為內半球點陣支架結構和外半球點陣支架結構兩部分；

外半球點陣支架結構從上到下依次分為頂層、第二層、第三層和底層四部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點和下表面，即頂點和下圓，下圓采用節點16等分；第二層、第三層和底層，每層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節點16等分，各層間節點位置相互對應；

內半球點陣支架結構從上到下依次分為頂層和底層兩部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點和下表面，即頂點和下圓，下圓采用節點8等分；底層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節點8等分，各層間節點位置相互對應；

外半球點陣支架結構和內半球點陣支架結構中，第二層、第三層和底層的上圓的相鄰兩節點、下圓的相鄰兩節點、上圓與下圓相對應的兩節點、上圓的節點與下圓對應相鄰的兩節點間相連；頂層的下圓各節點均與頂點相連；各節點間采用連桿連接；

內半球點陣支架結構中的底層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構底層下圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點連接；內半球點陣支架結構中的底層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構底層上圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點連接；

內半球點陣支架結構中的頂層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構第二層下圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點進行連接；內半球點陣支架結構中的頂層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構第二層上圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點進行連接；

內半球點陣支架結構中的頂層下圓上的節點分別與外半球點陣支架結構第三層下圓上的對應節點、對應相鄰的兩個節點進行連接；

內半球點陣支架結構中的底層下圓上的節點與底層下圓上的圓心進行連接；

內半球點陣支架結構的頂點與外半球點陣支架結構的頂點進行連接。

仿生股骨頭模型的特點：

1.半球型。因為人類的自然股骨頭近似半球形；

2.點陣夾層結構，模型全部是由桿件連接組成；

3.半球模型從球心由內向外層層擴展，理論上可以形成n層夾層結構；

4.可以通過控制不同層間的桿件的橫截面積來改變整個模型的梯度分布；

5.同樣可以通過控制不同層間桿件的桿長來改變整個模型的梯度分布；另，梯度分布種類大致可以分為：外疏內密梯度，均勻梯度，外密內疏梯度。

本發明的有益效果：借鑒人類真實股骨頭的特性，設計出未來可以替代壞死或損壞的骨頭的模型，同時利用3d打印技術及時進行骨移植替代物制造，從而改善人們的生活。

附圖說明

圖1為仿生股骨頭點陣支架模型主視圖。

圖2為仿生股骨頭點陣支架模型仰視圖。

圖3為仿生股骨頭點陣支架模型俯視圖。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的具體實施方式。

一種仿生股骨頭模型的設計方法，步驟如下：

(1)建立球坐標系，即點的坐標為r代表半徑，θ代表x-y平面上點跟原點的連線與x軸的夾角，代表球坐標系中的點跟原點的連線與x-y平面的夾角；

(2)建立內層桿和內層與外層之間的連桿

(2.1)首先選定過原點的初平面s1平面，最初設為x-y平面；在s1平面上建立半徑為a的圓上相鄰的三個點，每個點與圓心所成圓心角為45度，設第一個點為p1；再建立以半徑為2a的圓上相鄰的三個點，每個點與圓心所成圓心角為22.5度；

(2.2)再改變為22.5度，在此平面上建立半徑為2a的圓上相鄰的三個點，每個點與圓心所成圓心角為22.5度；再改變為45度，在此平面上建立半徑為a的圓上相鄰的三個點，每個點與圓心所成圓心角為45度；再建立與不在s1平面上本步驟中的六個點關于s1平面鏡像對稱的六個對應點，將p1與步驟(2)其余所有點進行連接；如果p1的θ值為180度，則其余點的θ值也為180度的點不與p1連接；

將p1的θ值增加45度，則此點即為p2，重復步驟(2)建立過程，以此類推，共重復2次；

(3)連接半球底層下圓剩余的桿件

(3.1)在s1平面上，在半徑為a的圓上建立一個點，設為p4；在半徑為2a的圓上也建立一個點；

(3.2)旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個點；旋轉工作平面，使為45度，在半徑為a的圓上建立一個點；再建立與不在s1平面上本步驟中的兩個點關于s1平面鏡像對稱的兩個對應點；將p4與步驟(3)其余點進行連接；上述所建立的各點的θ值都為0；

(3.3)同樣，在s1平面上，在半徑為a的圓上建立一個點，設為p5；在半徑為2a的圓上也建立一個點；

(3.4)旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個點；旋轉工作平面，使為45度，在半徑為a的圓上建立一個點；再建立與不在s1平面上本步驟中的兩個點關于s1平面鏡像對稱的兩個點；將p5與其余點進行連接；上述所建立的各點的θ值都為180；

(4)連接處于半球邊線的桿件

(4.1)在s1平面上，在半徑為a的圓上建立一個θ值為0的點，設為p6；在半徑為2a的圓上建立一個θ值為22.5的點；

(4.2)然后旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個θ值為22.5的點；同樣，再做關于s1平面鏡像對稱的一個點；將p6與步驟(4)其余點進行連接；

(5)連接處于半球邊線的桿件

(5.1)在s1平面上，在半徑為a的圓上建立一個θ值為180的點，設為p7；在半徑為2a的圓上建立一個θ值為167.5的點；

(5.2)然后旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個θ值為167.5的點；同樣，再做關于s1平面鏡像對稱的一個點；將p7與步驟(5)其余點進行連接；

(6)將s1平面繞z軸旋轉45度，此平面即為s2平面，重復步驟(2)-(5)，以此類推，共重復3次；

(7)連接最外層半球的桿件

首先選定過原點的初平面s5平面，最初設為x-y平面；在s5平面上建立半徑為2a上相鄰的三個點，每個點與圓心所成圓心角為22.5度，設第一個點為n1；再改變使為22.5度，在s5平面上建立半徑為2a上相鄰的三個點，同樣每個點與圓心所成圓心角為22.5度；同樣，再建立相同的與s1平面鏡像對稱的三個點；將n1與步驟(7)其余點進行連接；如果p6的θ值為180度，則其余點中θ值也為180度的點不與n1連接；

然后將n1的θ值增加22.5度，則此點即為n2，重復步驟(2)建立過程，以此類推，重復6次；

(8)連接半球底面剩余的桿件

(8.1)在s5平面上，在半徑為2a的圓上建立一個點，設為n8；

(8.2)然后旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個點；同樣，再做關于s5平面鏡像對稱的一個點；將n8與步驟(8)其余點進行連接；上述所建立的各點的θ值都為0度；

(8.3)同樣，將工作平面重新旋轉到s5平面，在半徑為2a的圓上建立一個點，設為n9；

(8.4)然后旋轉工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個點；同樣，再做關于s5平面鏡像對稱的一個點；將n9與步驟(8)其余點進行連接；上述所建立的各點的θ值都為180度；

(9)將s5平面繞z軸旋轉22.5度，將此平面設置為s6平面，重復(7)-(8)步驟，以此類推，共重復7次；

(10)連接最內層的桿件

將工作平面初始化為x-y平面，建立半徑為a，θ值為22.5度和45度的各兩個點；然后繞z軸旋轉工作平面，使為45，重復上述點的建立，共重復8次，將建立的所有點與原點進行連接；最后將x-y平面上，θ值為90度的點與原點進行連接。