一種個性化股骨假體及制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種個性化股骨假體及制造方法，該股骨假體結構包括：髕骨關節面假體和關節面假體內的股骨關節面假體；股骨關節面假體上設有兩個對稱的股骨髁內凸假體；在股骨關節面假體中部表面上，陣列分布有桁架多孔結構假體；在股骨關節面假體兩側設有股骨平臺假體。通過采用參數化建模方法，模型的更改不必重新設計，只需要調節輸入參數就可完成，可以大大提高設計效率；由于采用參數化建模方法，可直接通過調節輸入參數調節孔隙度、平均孔徑、表面積體積比，以適應不同年齡段需求；由于對其進行運動仿真受力分析，可實現個性化股骨假體力學的最優分配。
【專利說明】
一種個性化股骨假體及制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及基于3D打印的股骨假體設計與制造，尤其涉及一種個性化股骨假體及制造方法。
【背景技術】
[0002]由于骨疾病，骨創傷，先天性畸形等原因導致其無法正常活動，嚴重影響人的身心健康，甚至危及生命，則需要通過手術對其進行修復或更換。目前國內手術中所采用的植入體大部分是國外進口的產品，與中國人種的匹配程度和相似性較低，因此急需研究開發適合國人個性化醫學植入的股骨假體。常規個性化植入體植入后，存在生物相容性差，容易松動的缺點。
[0003]個性化生物固定型植入體因其具有生物相容性好、力學性能優良、植入后假體松動率低的優點，逐漸開始應用。但是，現有的生物固定型植入體大多在假體表面添加加強筋之類的簡單設計，成型方法采用傳統的鑄造，具有設計效率低、生物相容性差、易松動和難成型的缺點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種結構強度高和成型容易的個性化股骨假體及制造方法。
[0005]本發明通過下述技術方案實現:
[0006]—種個性化股骨假體制造方法，包括如下步驟:
[0007]步驟AOO:通過CT或MRT獲得股骨部位的片層數據；
[0008]步驟B00:將獲得的片層數據，導入mimics軟件，對其進行閾值分割，區域增長對初步閾值分割蒙版上彼此不相連接的分割區域進一步細分亞組，生成新的蒙版，最后對其進行平滑、去噪等操作，獲得重建后股骨三維模型；
[0009]步驟C00:將重建后股骨三維模型的點云模型導入Geomagic Stud1，進行模擬切骨，提取所要部位(病患部位)的股骨輪廓曲面數據；
[0010]步驟D00:將提取的股骨輪廓曲面數據導入通用三維軟件完成重建，通過Grasshopper提取切骨對應面輪廓，在切骨面生成桁架多孔結構；
[0011]步驟E00:對步驟DOO桁架多孔結構進行運動仿真受力分析，根據有限元運動受力分析結果，輸入調節參數實時調整，優化設計，得到三維實體模型；
[0012]步驟FOO:將獲得的三維實體模型，進行切片分層，路徑規劃，導入3D金屬打印設備，完成成型；
[0013]在3D金屬打印過程中，
[0014](I)判斷η與N的大小；
[0015](2)若η〈Ν，執行步驟 F00;
[0016](3)若η 2 N，執行步驟 100;
[0017](4)打印完畢，得到符合要求的個性化股骨假體；
[0018]其中，π2Ν。
[0019]—種個性化股骨假體，該股骨假體結構包括:髕骨關節面假體400和關節面假體400內的股骨關節面假體200;股骨關節面假體200上設有兩個對稱的股骨髁內凸假體100;
[0020]在股骨關節面假體200中部表面上，陣列分布有桁架多孔結構假體300;在股骨關節面假體200兩側設有股骨平臺假體500。
[0021]所述桁架多孔結構假體300為多層，各層中的孔為梯度孔，孔徑由里到外逐漸遞增。所述桁架多孔結構假體300的孔徑范圍為50ym-1000um;
[0022]所述桁架多孔結構假體300由支柱支撐;支柱直徑范圍為80ym-1000um;支柱形狀為方形或圓柱形。
[0023]本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果:
[0024]通過采用參數化建模方法，模型的更改不必重新設計，只需要調節輸入參數就可完成，可以大大提高設計效率；由于采用參數化建模方法，可直接通過調節輸入參數調節孔隙度、平均孔徑、表面積體積比，以適應不同年齡段需求；由于對其進行運動仿真受力分析，可實現個性化股骨假體力學的最優分配。
[0025]采用激光3D打印方法使個性化股骨假的結構不再受工藝條件的限制，對具有復雜曲面、復雜孔隙可實現直接制造；
[0026]桁架多孔結構假體的層數不再受限，可以將桁架結構中的孔設計成梯度孔。通過對植入體的參數化建模和SLM直接成型，可以大大提高設計效率、達到直接制造個性化植入體的目的，提高了使用壽命。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明股骨假體結構示意圖一。
[0028]圖2是圖1立體俯視圖。
[0029]圖3是圖2桁架多孔結構假體結構示意圖。
[0030]圖4是圖1側視示意圖。
[0031]圖5是本發明股骨假體結構示意圖二。
[0032]圖6是本股骨假體設計、3D打印流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。
[0034]實施例
[0035]如圖1至4所示。本發明公開了一種個性化股骨假體，該股骨假體結構包括:髕骨關節面假體400和關節面假體400內的股骨關節面假體200;股骨關節面假體200上設有兩個對稱的股骨髁內凸假體100;
[0036]在股骨關節面假體200中部表面上，陣列分布有桁架多孔結構假體300;在股骨關節面假體200兩側設有股骨平臺假體500。
[0037]為了實現生物固定型股骨假體良好的生物相容性，防止假體松動，所述桁架多孔結構假體300為多層，各層中的孔為梯度孔，孔徑由里到外逐漸遞增。即靠近切骨面的孔孔徑較大，靠近股骨平臺500的孔孔徑較小，桁架多孔結構300的孔徑由里到外逐漸遞增，這樣可以避免“應力遮擋”，實現力的最優分配，提高股骨假體的生物相容性，防止股骨假體松動，大大延長假體的使用壽命。
[0038]所述桁架多孔結構假體300的孔徑范圍為50ym-1000um;
[0039]所述桁架多孔結構假體300由支柱支撐;支柱直徑范圍為80ym-1000um;支柱形狀為方形或圓柱形。
[0040]當然，所述股骨假體的桁架多孔結構層數不受限制，可以根據實際需要而定。所述股骨假體的結構不受限制，可以按照實際需要任意設計。所述股骨假體的桁架多孔結構的形狀和大小可根據實際需要設定。
[0041 ] 激光選區恪化(Selective Laser Melting，SLM)技術亦稱“金屬3D打印技術”是增材制造的前沿技術，利用直徑30?50微米的聚焦激光束，把金屬或合金粉末選區逐層熔化，堆積成一個冶金結合、組織致密的實體，從而獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合的金屬功能零件。
[0042]本發明股骨假體通過金屬3D激光打印設備根據股骨假體截面輪廓數據，控制激光束選擇性地熔化鋪平的各層金屬粉末，逐步堆疊而成。可通過如下步驟實現:
[0043]步驟AOO:通過CT或MRT獲得股骨部位的片層數據；
[0044]步驟B00:將獲得的片層數據，導入mimics軟件，對其進行閾值分割，區域增長對初步閾值分割蒙版上彼此不相連接的分割區域進一步細分亞組，生成新的蒙版，最后對其進行平滑、去噪等操作，獲得重建后股骨三維模型；
[0045]步驟C00:將重建后股骨三維模型的點云模型導入GeomagicStud1，進行模擬切骨，提取所要部位(病患部位)的股骨輪廓曲面數據；
[0046]步驟D00:將提取的股骨輪廓曲面數據導入通用三維軟件完成重建，通過Grasshopper提取切骨對應面輪廓，在切骨面生成桁架多孔結構；
[0047]步驟E00:對步驟DOO桁架多孔結構進行運動仿真受力分析，根據有限元運動受力分析結果，輸入調節參數實時調整，優化設計，得到三維實體模型；
[0048]步驟FOO:將獲得的三維實體模型，進行切片分層，路徑規劃，導入3D金屬打印設備，完成成型；
[0049]在3D金屬打印過程中，
[0050](I)判斷η與N的大小；
[0051](2)若η〈Ν，執行步驟 F00;
[0052](3)若η 2 N，執行步驟 100;
[0053](4)打印完畢，得到符合要求的個性化股骨假體；
[0054]其中，η2 N;其中，N為生物固定植入的基本要求，如力學性能，尺寸精度等;η為成型后零件的基本參數。
[0055]為了提高成型的質量，激光3D打印的粉末(CoCrMo合金粉末)原材料在加入粉料缸前需要經過過濾和烘干處理:將粉末原材料經過振動篩進行過濾，以濾除粉末原材料中的雜質;再將粉末原材料進行烘干處理，以降低粉末原材料的含氧量。
[0056]粉末原材料從激光打印設備進入打印區域可以通過供粉形式或噴粉形式實現。
[0057]為了保證股骨假體的成品質量，經激光3D打印制得的股骨假體需要經過退火、噴砂、電解拋光、鏡面拋光處理，并進行消毒后即可使用。
[0058]本發明通過采用激光打印方法制得的股骨假體結構，不再受工藝條件的限制，可制得具有任意結構的股骨假體，對具有復雜曲面、復雜孔隙的股骨假體都可實現直接制造；采用激光打印方法制備，股骨假體的桁架結構層數不再受限，可以將桁架結構中的孔設計成梯度孔。
[0059]由于激光打印桁架架構支柱的形狀不再受限制可以采用方形或圓柱形，靈活性較大。這樣可以避免“應力遮擋”，實現力的最優分配，提高股骨假體生物相容性，防止股骨假體松動，大大延長假體的使用壽命。
[0060]如上所述，便可較好地實現本發明。
[0061]本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種個性化股骨假體制造方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟AOO:通過CT或MRT獲得股骨部位的片層數據； 步驟BOO:將獲得的片層數據，導入mimics軟件，對其進行閾值分割，區域增長對初步閾值分割蒙版上彼此不相連接的分割區域進一步細分亞組，生成新的蒙版，獲得重建后股骨三維模型； 步驟COO:將重建后股骨三維模型的點云模型導入Geomagic Stud1，進行模擬切骨，提取所要部位的股骨輪廓曲面數據； 步驟D00:將提取的股骨輪廓曲面數據導入通用三維軟件完成重建，通過Grasshopper提取切骨對應面輪廓，在切骨面生成桁架多孔結構； 步驟E00:對步驟DOO桁架多孔結構進行運動仿真受力分析，根據有限元運動受力分析結果，輸入調節參數實時調整，得到三維實體模型； 步驟FOO:將獲得的三維實體模型，進行切片分層，路徑規劃，導入3D金屬打印設備，完成成型。2.根據權利要求1所述個性化股骨假體制造方法，其特征在于:在3D金屬打印過程中， (1)判斷η與N的大小； (2)若11〈1執行步驟?00; (3)若η2 N，執行步驟100; (4)打印完畢，得到符合要求的個性化股骨假體； 其中，d3.權利要求1至2中任一項所述個性化股骨假體制造方法獲得的個性化股骨假體，其特征在于，該股骨假體結構包括: 髕骨關節面假體(400)和關節面假體(400)內的股骨關節面假體(200);股骨關節面假體(200)上設有兩個對稱的股骨髁內凸假體(100); 在股骨關節面假體(200)中部表面上，陣列分布有桁架多孔結構假體(300);在股骨關節面假體(200)兩側設有股骨平臺假體(500)。4.根據權利要求3所述個性化股骨假體，其特征在于，所述桁架多孔結構假體(300)為多層，各層中的孔為梯度孔，孔徑由里到外逐漸遞增。5.根據權利要求3所述個性化股骨假體，其特征在于，所述桁架多孔結構假體(300)的孔徑范圍為50ym-1000umo6.根據權利要求3所述個性化股骨假體，其特征在于，所述桁架多孔結構假體(300)由支柱支撐。7.根據權利要求6所述個性化股骨假體，其特征在于，所述支柱直徑范圍為80μπι-1OOOum08.根據權利要求7所述個性化股骨假體，其特征在于，所述支柱形狀為方形或圓柱形。
【文檔編號】A61F2/36GK105853026SQ201610274439
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】楊永強, 張國慶, 宋長輝, 王安民
【申請人】華南理工大學