本實(shí)用新型涉及基于3D打印的股骨假體設(shè)計(jì)與制造，尤其涉及一種個(gè)性化股骨假體。

背景技術(shù)：

由于骨疾病，骨創(chuàng)傷，先天性畸形等原因?qū)е缕錈o(wú)法正常活動(dòng)，嚴(yán)重影響人的身心健康，甚至危及生命，則需要通過(guò)手術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)或更換。目前國(guó)內(nèi)手術(shù)中所采用的植入體大部分是國(guó)外進(jìn)口的產(chǎn)品，與中國(guó)人種的匹配程度和相似性較低，因此急需研究開(kāi)發(fā)適合國(guó)人個(gè)性化醫(yī)學(xué)植入的股骨假體。常規(guī)個(gè)性化植入體植入后，存在生物相容性差，容易松動(dòng)的缺點(diǎn)。

個(gè)性化生物固定型植入體因其具有生物相容性好、力學(xué)性能優(yōu)良、植入后假體松動(dòng)率低的優(yōu)點(diǎn)，逐漸開(kāi)始應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的生物固定型植入體大多在假體表面添加加強(qiáng)筋之類的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，成型方法采用傳統(tǒng)的鑄造，具有設(shè)計(jì)效率低、生物相容性差、易松動(dòng)和難成型的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和成型容易的個(gè)性化股骨假體。

本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種個(gè)性化股骨假體，該股骨假體結(jié)構(gòu)包括：髕骨關(guān)節(jié)面假體400和關(guān)節(jié)面假體400內(nèi)的股骨關(guān)節(jié)面假體200；股骨關(guān)節(jié)面假體200上設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的股骨髁內(nèi)凸假體100；

在股骨關(guān)節(jié)面假體200中部表面上，陣列分布有桁架多孔結(jié)構(gòu)假體300；在股骨關(guān)節(jié)面假體200兩側(cè)設(shè)有股骨平臺(tái)假體500。

所述桁架多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)假體300的孔徑范圍為50μm-1000um；

所述桁架多孔結(jié)構(gòu)假體300由支柱支撐；支柱直徑范圍為80μm-1000um；支柱形狀為方形或圓柱形。

一種個(gè)性化股骨假體制造方法，包括如下步驟：

步驟A00：通過(guò)CT或MRT獲得股骨部位的片層數(shù)據(jù)；

步驟B00：將獲得的片層數(shù)據(jù)，導(dǎo)入mimics軟件，對(duì)其進(jìn)行閾值分割，區(qū)域增長(zhǎng)對(duì)初步閾值分割蒙版上彼此不相連接的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，生成新的蒙版，最后對(duì)其進(jìn)行平滑、去噪等操作，獲得重建后股骨三維模型；

步驟C00：將重建后股骨三維模型的點(diǎn)云模型導(dǎo)入Geomagic Studio，進(jìn)行模擬切骨，提取所要部位(病患部位)的股骨輪廓曲面數(shù)據(jù)；

步驟D00：將提取的股骨輪廓曲面數(shù)據(jù)導(dǎo)入通用三維軟件完成重建，通過(guò)Grasshopper提取切骨對(duì)應(yīng)面輪廓，在切骨面生成桁架多孔結(jié)構(gòu)；

步驟E00：對(duì)步驟D00桁架多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真受力分析，根據(jù)有限元運(yùn)動(dòng)受力分析結(jié)果，輸入調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到三維實(shí)體模型；

步驟F00：將獲得的三維實(shí)體模型，進(jìn)行切片分層，路徑規(guī)劃，導(dǎo)入3D金屬打印設(shè)備，完成成型；

在3D金屬打印過(guò)程中，

(1)判斷n與N的大??；

(2)若n<N，執(zhí)行步驟F00；

(3)若n≥N，執(zhí)行步驟I00；

(4)打印完畢，得到符合要求的個(gè)性化股骨假體；

其中，n≥N。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

通過(guò)采用參數(shù)化建模方法，模型的更改不必重新設(shè)計(jì)，只需要調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)就可完成，可以大大提高設(shè)計(jì)效率；由于采用參數(shù)化建模方法，可直接通過(guò)調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)調(diào)節(jié)孔隙度、平均孔徑、表面積體積比，以適應(yīng)不同年齡段需求；由于對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真受力分析，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化股骨假體力學(xué)的最優(yōu)分配。

采用激光3D打印方法使個(gè)性化股骨假的結(jié)構(gòu)不再受工藝條件的限制，對(duì)具有復(fù)雜曲面、復(fù)雜孔隙可實(shí)現(xiàn)直接制造；

桁架多孔結(jié)構(gòu)假體的層數(shù)不再受限，可以將桁架結(jié)構(gòu)中的孔設(shè)計(jì)成梯度孔。通過(guò)對(duì)植入體的參數(shù)化建模和SLM直接成型，可以大大提高設(shè)計(jì)效率、達(dá)到直接制造個(gè)性化植入體的目的，提高了使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型股骨假體結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖2是圖1立體俯視圖。

圖3是圖2桁架多孔結(jié)構(gòu)假體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖1側(cè)視示意圖。

圖5是本實(shí)用新型股骨假體結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖6是本股骨假體設(shè)計(jì)、3D打印流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例

如圖1至4所示。本實(shí)用新型公開(kāi)了一種個(gè)性化股骨假體，該股骨假體結(jié)構(gòu)包括：髕骨關(guān)節(jié)面假體400和關(guān)節(jié)面假體400內(nèi)的股骨關(guān)節(jié)面假體200；股骨關(guān)節(jié)面假體200上設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的股骨髁內(nèi)凸假體100；

在股骨關(guān)節(jié)面假體200中部表面上，陣列分布有桁架多孔結(jié)構(gòu)假體300；在股骨關(guān)節(jié)面假體200兩側(cè)設(shè)有股骨平臺(tái)假體500。

為了實(shí)現(xiàn)生物固定型股骨假體良好的生物相容性，防止假體松動(dòng)，所述桁架多孔結(jié)構(gòu)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(tái)500的孔孔徑較小，桁架多孔結(jié)構(gòu)300的孔徑由里到外逐漸遞增，這樣可以避免“應(yīng)力遮擋”，實(shí)現(xiàn)力的最優(yōu)分配，提高股骨假體的生物相容性，防止股骨假體松動(dòng)，大大延長(zhǎng)假體的使用壽命。

所述桁架多孔結(jié)構(gòu)假體300的孔徑范圍為50μm-1000um；

所述桁架多孔結(jié)構(gòu)假體300由支柱支撐；支柱直徑范圍為80μm-1000um；支柱形狀為方形或圓柱形。

當(dāng)然，所述股骨假體的桁架多孔結(jié)構(gòu)層數(shù)不受限制，可以根據(jù)實(shí)際需要而定。所述股骨假體的結(jié)構(gòu)不受限制，可以按照實(shí)際需要任意設(shè)計(jì)。所述股骨假體的桁架多孔結(jié)構(gòu)的形狀和大小可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。

激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)亦稱“金屬3D打印技術(shù)”是增材制造的前沿技術(shù)，利用直徑30～50微米的聚焦激光束，把金屬或合金粉末選區(qū)逐層熔化，堆積成一個(gè)冶金結(jié)合、組織致密的實(shí)體，從而獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合的金屬功能零件。

本實(shí)用新型股骨假體通過(guò)金屬3D激光打印設(shè)備根據(jù)股骨假體截面輪廓數(shù)據(jù)，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?？赏ㄟ^(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟A00：通過(guò)CT或MRT獲得股骨部位的片層數(shù)據(jù)；

步驟B00：將獲得的片層數(shù)據(jù)，導(dǎo)入mimics軟件，對(duì)其進(jìn)行閾值分割，區(qū)域增長(zhǎng)對(duì)初步閾值分割蒙版上彼此不相連接的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，生成新的蒙版，最后對(duì)其進(jìn)行平滑、去噪等操作，獲得重建后股骨三維模型；

步驟C00：將重建后股骨三維模型的點(diǎn)云模型導(dǎo)入Geomagic Studio，進(jìn)行模擬切骨，提取所要部位(病患部位)的股骨輪廓曲面數(shù)據(jù)；

步驟D00：將提取的股骨輪廓曲面數(shù)據(jù)導(dǎo)入通用三維軟件完成重建，通過(guò)Grasshopper提取切骨對(duì)應(yīng)面輪廓，在切骨面生成桁架多孔結(jié)構(gòu)；

步驟E00：對(duì)步驟D00桁架多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真受力分析，根據(jù)有限元運(yùn)動(dòng)受力分析結(jié)果，輸入調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到三維實(shí)體模型；

步驟F00：將獲得的三維實(shí)體模型，進(jìn)行切片分層，路徑規(guī)劃，導(dǎo)入3D金屬打印設(shè)備，完成成型；

在3D金屬打印過(guò)程中，

(1)判斷n與N的大??；

(2)若n<N，執(zhí)行步驟F00；

(3)若n≥N，執(zhí)行步驟I00；

(4)打印完畢，得到符合要求的個(gè)性化股骨假體；

其中，n≥N；其中，N為生物固定植入的基本要求，如力學(xué)性能，尺寸精度等；n為成型后零件的基本參數(shù)。

為了提高成型的質(zhì)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(jīng)過(guò)過(guò)濾和烘干處理：將粉末原材料經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行過(guò)濾，以濾除粉末原材料中的雜質(zhì)；再將粉末原材料進(jìn)行烘干處理，以降低粉末原材料的含氧量。

粉末原材料從激光打印設(shè)備進(jìn)入打印區(qū)域可以通過(guò)供粉形式或噴粉形式實(shí)現(xiàn)。

為了保證股骨假體的成品質(zhì)量，經(jīng)激光3D打印制得的股骨假體需要經(jīng)過(guò)退火、噴砂、電解拋光、鏡面拋光處理，并進(jìn)行消毒后即可使用。

本實(shí)用新型通過(guò)采用激光打印方法制得的股骨假體結(jié)構(gòu)，不再受工藝條件的限制，可制得具有任意結(jié)構(gòu)的股骨假體，對(duì)具有復(fù)雜曲面、復(fù)雜孔隙的股骨假體都可實(shí)現(xiàn)直接制造；采用激光打印方法制備，股骨假體的桁架結(jié)構(gòu)層數(shù)不再受限，可以將桁架結(jié)構(gòu)中的孔設(shè)計(jì)成梯度孔。

由于激光打印桁架架構(gòu)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(yīng)力遮擋”，實(shí)現(xiàn)力的最優(yōu)分配，提高股骨假體生物相容性，防止股骨假體松動(dòng)，大大延長(zhǎng)假體的使用壽命。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。