采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111728741A(43)申请公布日2020.10.02(21)申请号202010638367.1(22)申请日2020.07.06(71)申请人吉林大学地址130000吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人张志辉张晓龙于征磊谢鑫宇孔德印王金成任露泉(74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有限责任公司22100代理人王怡敏(51)Int.Cl.A61F2/36(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法(57)摘要本发明涉及一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法，属于医疗器械领域。包括柄颈、柄体、椎体、椎尖，假体上部呈三角形，内侧角度在90°~120°；柄体采用六边形蜂窝结构单元进行轻量化设计；柄体和椎体亦可同时进行轻量化设计，轻量化设计可采用不规则开孔或闭孔结构设计，亦可采用3D晶格结构设计，结构单元优选为金刚石单元、菱形十二面体单元或截立方体单元；椎尖采用实体结构设计。本发明通过实体模型个性化特征的提取和以轻量化为导向的正向设计，在个性化定制的同时实现了轻量化设计，能够在满足力学性能的前提下减轻髋关节股骨柄假体的重量，实现材料利用率的最大化，同时为骨再生和骨长入提供大量空间，提高了稳定性。CN111728741ACN111728741A权利要求书1/1页1.一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体，其特征在于：包括柄颈(1)、柄体(2)、椎体(3)、椎尖(4)，所述柄体(2)采用六边形蜂窝结构单元进行轻量化设计；柄体(2)和椎体(3)亦可同时进行轻量化设计，所述轻量化设计采用不规则开孔或闭孔结构设计，或者采用3D晶格结构设计，结构单元优选为金刚石单元、菱形十二面体单元或截立方体单元；椎尖(4)采用实体结构设计。2.根据权利要求1所述的采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体，其特征在于：所述柄体(2)采用蜂窝结构单元(5)累积而成；所述蜂窝结构单元(5)为六边形蜂窝结构单元，孔隙直径为150μm～300μm，各内角角度为60°；单体支柱厚度100～300μm；孔隙率为68％～80％。3.根据权利要求1所述的采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体，其特征在于：假体的材质为不锈钢、钛合金、NiTi合金材质，优选为NiTi合金；杨氏模量在21～69Gpa，优选为21～30Gpa。4.一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、采用CT或MRI对病患髋关节股骨柄部位进行扫描，获得目标髋关节股骨外质骨的断层图像数据，优选采用CT进行扫描，控制扫描参数：扫描层厚1-5mm，层间间隔1-3mm，对比剂总量60-100ml，流速2-3ml/s；步骤二、将获得的断层图像数据导入到医学影像控制系统mimics中，设定阈值，进行平滑去噪，重建三维模型，提取待修复髋关节股骨柄部位的点云模型；步骤三、将处理后的点云模型数据导入到catia中进行逆向建模，修复和完善目标髋关节股骨柄假体模型；步骤四、根据逆向设计模型，采用注塑机打印塑料股骨柄假体，用于病患分析和个性化髋关节股骨柄假体模型设计；步骤五、根据设计方案，将逆向设计模型导入到hypemesh中进行拓扑优化，拓扑优化条件为：约束体积50％，目标为最小应变能；根据拓扑优化结果在catia中进行正向设计，保证假体与患者原生髋关节股骨柄的高度匹配性，实现髋关节运动规律的高度还原，至此完成人体个性化髋关节股骨柄假体的设计；步骤六、将设计好的髋关节股骨柄假体模型导入到magics软件中进行诊断、修复、切片，处理文件格式转换所造成的错误，消除三维软件在三角形网格算法上的缺陷，输出格式为stl格式；步骤七、将处理好的髋关节股骨柄假体模型导入到金属3D打印机中进行三维成型，控制参数为：激光功率120W，激光扫描速度600mm/s，激光矢量间距80μm，层厚30μm。5.根据权利要求4所述的蜂窝结构的人体个性化髋关节股骨柄假体的制造方法，其特征在于：步骤三所述的修复和完善目标髋关节股骨柄假体模型，具体是：对不规则位置进行构建曲面片和曲面拟合操作；对规则位置进行编辑轮廓线和多截面曲面拟合操作；待整体曲面拟合完成后进行光滑处理；逆向建模也可通过GeomagicStudio进行。2CN111728741A说明书1/4页采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法技术领域[0001]本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法。背景技术[0002]髋关节是人体重要的承重关节之一，对维持人类直立姿势、运动行走起着至关重要的作用。然而，随着年龄的