CN108814773B - 髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法及相关部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，包括：(1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯的半径的半球形范围内随机生成若干随机点；(2)筛选出落在髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点；(3)对距离在0.5mm～2mm之间的两个所述目标点用直线进行连接；(4)赋予直线正多边形截面形状，正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间。还提供了相关的髋臼杯骨小梁结构的三维模型、髋臼杯的制备方法和由此制成的髋臼杯。本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法能够生成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，从而可以3D打印髋臼杯骨小梁结构，能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。

Description

髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法及相关部件
技术领域
本发明涉及骨科医疗器械技术领域，特别涉及髋关节假体置换技术领域，具体是指一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法及相关部件。
背景技术
目前，在全膝关节置换手术和全髋关节置换手术过程中，植入物假体与骨骼的固定方法中主要有骨水泥固定和非骨水泥固定(也称为生物固定)两大类。骨水泥固定技术应用比较早，常常出现人工关节的松动、骨溶解、增加髋臼应力屏蔽效应等风险；非骨水泥固定应用比较晚，但也存在固定早期不牢固性、胫骨部件松动等现象。
骨小梁是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用。骨小梁结构即是与骨小梁具有相同构造的结构，或者说是仿生骨小梁。
骨小梁结构在临床上已经被证实能有效提高植入物假体的短期稳定性和长期稳定性，因此，希望提供一种髋臼杯，髋臼杯的外表面设置成骨小梁结构，特称为髋臼杯骨小梁结构，髋臼杯的骨小梁结构以内的部分称为髋臼杯实体结构(相对于髋臼杯骨小梁结构的多孔结构而言)。如图1所示，髋臼杯1为半球形结构，底部内凹，顶部具有臼杯安装孔11，臼杯安装孔11通过在半球形结构上去掉轴线经过半球形结构的球心的竖向圆柱体12与半球形结构的重合部分而形成，臼杯安装孔11旁边具有若干个螺钉孔13，通常为3个，当然也有4-8个，3个螺钉孔13分别通过在半球形结构上去掉3个螺钉孔13所在的3个圆球14与半球形结构的重合部分而形成。
而骨小梁结构的孔的结构设计一直是提高植入物骨融合的有效手段，较高的孔隙率、合适的孔径大小和微孔形貌的存在能够刺激骨组织的生长和分化。骨小梁结构可以通过3D打印的方式来实现。
但是，就目前而言，关于骨小梁结构的孔隙率、孔径尺寸和微孔形貌等并无确切的要求，只有一些大致的参考数值及范围，关于骨小梁结构的三维模型生成方法也无确切的定义及规定。
因此，需要提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其能够生成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，从而可以3D打印髋臼杯骨小梁结构。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其能够生成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，从而可以3D打印髋臼杯骨小梁结构，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其设计巧妙，操作简便，由此打印的髋臼杯骨小梁结构能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型，其设计巧妙，结构简洁，采用该髋臼杯骨小梁结构的三维模型可以3D打印而成髋臼杯骨小梁结构，能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种髋臼杯的制备方法，其设计巧妙，操作简便，由此制备的髋臼杯能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种髋臼杯，其采用3D打印而成，设计巧妙，结构简洁，能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
为达到以上目的，在本发明的第一方面，提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特点是，包括以下步骤：
(1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯的半径的半球形范围内随机生成若干随机点；
(2)根据所述髋臼杯骨小梁结构的空间范围，筛选出落在所述的髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点；
(3)对距离在0.5mm～2mm之间的两个所述目标点用直线进行连接；
(4)赋予所述直线正多边形截面形状，所述正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间，从而形成所述髋臼杯骨小梁结构的三维模型。
较佳地，在所述步骤(1)中，所述随机点采用Excel软件生成。
较佳地，在所述步骤(1)中，所述随机点的个数为3万～10万。
较佳地，在所述步骤(1)中，在长度和宽度均为所述的髋臼杯的半径的两倍、高度为所述的髋臼杯的半径的矩形空间范围内随机生成若干所述随机点。
更佳地，在所述步骤(1)中，所述随机点采用Excel软件生成，所述髋臼杯的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，采用所述Excel软件生成所述随机点的表达式分别为x＝(所述长度+2)*rand()-0.5*(所述长度+2)+x1，y＝(所述宽度+2)*rand()-0.5*(所述宽度+2)+y1，z＝(所述高度+2)*rand()-1+z1，x、y、z为所述随机点在直角坐标系中的坐标。
较佳地，在所述步骤(2)中，所述髋臼杯的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，所述的髋臼杯的半径为r1，所述髋臼杯骨小梁结构的厚度为a，所述筛选采用的表达式为r1-a≤((x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2)1/2≤r1及z≥z1；((x-x1)2+(y-y1)2)1/2≥b，其中b为所述髋臼杯的臼杯安装孔的半径；((x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2)1/2≥r2，((x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2)1/2≥r3，((x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2)1/2≥r4，其中所述髋臼杯的3个螺钉孔所在圆球的球心分别为(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)，所述圆球的半径分别为r2、r3和r4；其中x、y、z为所述随机点在直角坐标系中的坐标。
较佳地，在所述步骤(3)中，采用三维软件用所述直线连接该两个所述目标点。
较佳地，在所述步骤(3)中，该两个所述目标点之间的距离为0.5mm～1mm、1mm～1.5mm或1.5mm～2mm。
较佳地，在所述步骤(4)中，所述的正多边形截面形状的对角线长度为0.15mm、0.25mm或0.4mm。
在本发明的第二方面，提供一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型，其特点是，采用上述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法生成。
在本发明的第三方面，提供一种髋臼杯的制备方法，所述髋臼杯包括髋臼杯实体结构和髋臼杯骨小梁结构，所述髋臼杯骨小梁结构设置在所述髋臼杯实体结构的外表面上，其特点是，包括以下步骤：
(A)采用切片软件将所述髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型进行切片处理形成切片文件；
(B)将所述切片文件导入所述3D激光打印设备中，通过所述3D激光打印设备激光烧结材料粉末成型所述髋臼杯实体结构和所述髋臼杯骨小梁结构；
(C)将所述髋臼杯实体结构的内部轮廓加工成期望的内部轮廓。
在本发明的第四方面，提供一种髋臼杯，其特点是，采用上述的髋臼杯的制备方法制备而成。
本发明的有益效果主要在于：
1、本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法包括以下步骤：(1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯的半径的半球形范围内随机生成若干随机点；(2)根据髋臼杯骨小梁结构的空间范围，筛选出落在髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点；(3)对距离在0.5mm～2mm之间的两个目标点用直线进行连接；(4)赋予直线正多边形截面形状，正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间，从而形成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，因此，其能够生成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，从而可以3D打印髋臼杯骨小梁结构，适于大规模推广应用。
2、本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法包括以下步骤：(1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯的半径的半球形范围内随机生成若干随机点；(2)根据髋臼杯骨小梁结构的空间范围，筛选出落在髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点；(3)用直线连接任意两个目标点，该任意两个目标点之间的距离)对距离在0.5mm～2mm之间的两个目标点用直线进行连接；(4)赋予所述直线正多边形截面形状，所述正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间，从而形成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，因此，其设计巧妙，操作简便，由此打印的髋臼杯骨小梁结构能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
3、本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型采用上述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法生成，因此，其设计巧妙，结构简洁，采用该髋臼杯骨小梁结构的三维模型可以3D打印而成髋臼杯骨小梁结构，能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
4、本发明的髋臼组件的制备方法包括以下步骤：(A)采用切片软件将髋臼杯实体结构的三维模型和髋臼杯骨小梁结构的三维模型进行切片处理形成切片文件；(B)将切片文件导入3D激光打印设备中，通过3D激光打印设备激光烧结材料粉末成型髋臼杯实体结构和髋臼杯骨小梁结构；(C)将髋臼杯实体结构的内部轮廓加工成期望的内部轮廓，因此，其设计巧妙，操作简便，由此制备的髋臼组件能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
5、本发明的髋臼杯采用上述的髋臼杯的制备方法制备而成，因此，其采用3D打印而成，设计巧妙，结构简洁，能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明、附图和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法的一具体实施例采用的髋臼杯的立体透视示意图。
图2是采用图1所示的具体实施例随机生成若干随机点的立体示意图。
图3是采用图1所示的具体实施例筛选出落在髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点的立体示意图。
图4是采用图1所示的具体实施例用直线连接任意两个目标点的立体示意图。
图5是图4中区域M的放大示意图。
图6是采用图1所示的具体实施例生成的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的立体示意图。
图7是图6中区域N的放大示意图。
(符号说明)
1髋臼杯；11臼杯安装孔；12竖向圆柱体；13螺钉孔；14圆球；2髋臼杯骨小梁结构；3随机点；4目标点；5直线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参见图1～图7所示，在本发明的一具体实施例中，本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法包括以下步骤：
(1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯1的半径的半球形范围内随机生成若干随机点3，如图1和图2所示；
上述步骤通常是采用计算机软件在计算机内的虚拟立体空间范围内进行。
(2)根据所述髋臼杯骨小梁结构2的空间范围，筛选出落在所述的髋臼杯骨小梁结构2的空间范围内的目标点4，如图3所示；
所述髋臼杯骨小梁结构2的空间范围是位于所述髋臼杯1外表面的厚度为所述髋臼杯骨小梁结构2的厚度的空间范围。
(3)对距离在0.5mm～2mm之间的两个所述目标点4用直线5进行连接，如图4和图5所示；
也就是说，先对所述目标点4进行配对，将距离在0.5mm～2mm之间的两个所述目标点4配成一对，然后用直线5连接。
(4)赋予所述直线5正多边形截面形状，所述正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间，从而形成所述髋臼杯骨小梁结构2的三维模型，如图6和图7所示。
在所述步骤(1)中，所述随机点3可以采用任何合适的计算机软件形成，在本发明的一具体实施例中，所述随机点3采用Excel软件生成。
在所述步骤(1)中，所述随机点3的个数可以根据需要确定，较佳地，在所述步骤(1)中，所述随机点3的个数为3万～10万。在本发明的一具体实施例中，所述随机点3的个数为5万。在本发明的一具体实施例中，所述随机点3的个数为3万。在本发明的一具体实施例中，所述随机点3的个数为10万。
在所述步骤(1)中，随机生成若干随机点3的空间范围可以是半球形，也可以是其它形状，例如矩形、圆形等等，在本发明的一具体实施例中，在长度和宽度均为所述的髋臼杯1的半径的两倍、高度为所述的髋臼杯1的半径的矩形空间范围内随机生成若干所述随机点3。
在所述步骤(1)中，随机生成若干随机点3的表达式可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，在所述随机点3采用Excel软件生成的情况下，所述髋臼杯1的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，采用所述Excel软件生成所述随机点3的表达式分别为x＝(所述长度+2)*rand()-0.5*(所述长度+2)+x1，y＝(所述宽度+2)*rand()-0.5*(所述宽度+2)+y1，z＝(所述高度+2)*rand()-1+z1，x、y、z为所述随机点在直角坐标系中的坐标。
在所述步骤(2)中，筛选出目标点4的表达式可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，所述髋臼杯1的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，所述的髋臼杯1的半径为r1，所述髋臼杯骨小梁结构2的厚度为a，所述筛选采用的表达式为r1-a≤((x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2)1/2≤r1及z≥z1；((x-x1)2+(y-y1)2)1/2≥b，其中b为所述髋臼杯1的臼杯安装孔11的半径；((x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2)1/2≥r2，((x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2)1/2≥r3，((x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2)1/2≥r4，其中所述髋臼杯1的3个螺钉孔13所在圆球14的球心分别为(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)，所述圆球14的半径分别为r2、r3和r4；其中x、y、z为所述随机点3在直角坐标系中的坐标。
在所述步骤(3)中，用直线5连接该两个所述目标点4可以采用任何合适的工具进行，在本发明的一具体实施例中，采用三维软件用所述直线5连接该两个所述目标点4。所述三维软件可以是例如Solidworks或者UG NX。
在所述步骤(3)中，该两个所述目标点4之间的距离可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，该两个所述目标点4之间的距离为0.5mm～1mm、1mm～1.5mm或1.5mm～2mm。
在所述步骤(4)中，所述的正多边形截面形状的对角线长度可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，所述的正多边形截面形状的对角线长度为0.25mm。在本发明的另一具体实施例中，所述的截面形状的对角线长度为0.15mm。在本发明的又一具体实施例中，所述的截面形状的对角线长度为0.4mm。
本发明还提供了采用上述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法生成的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型。
本发明还提供一种髋臼杯的制备方法，所述髋臼杯1包括髋臼杯实体结构(图中未示出)和髋臼杯骨小梁结构2，所述髋臼杯骨小梁结构2设置在所述髋臼杯实体结构的外表面上，包括以下步骤：
(A)采用切片软件将所述髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型进行切片处理形成切片文件；
所述髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型通常转化成STL格式的文件保存，当然，也可以转化成其它格式的文件保存。
(B)将所述切片文件导入所述3D激光打印设备中，通过所述3D激光打印设备激光烧结材料粉末成型所述髋臼杯实体结构和所述髋臼杯骨小梁结构2；
所述切片软件可以是任何合适的切片软件，例如3D激光打印设备自带软件或Magics软件。切片获得的单层的最小厚度应适应3D激光打印设备的要求，例如30μm、50μm、60μm均可以，具体可以根据设备型号要求确定。
所述3D激光打印设备可以是任何合适的3D激光打印设备，例如德国EOS M290、德国SLM 500、美国3D Systems LayerWise，等等。
所述材料粉末就是所述髋臼杯实体结构和所述髋臼杯骨小梁结构2采用的材料的粉末，所述髋臼杯实体结构和所述髋臼杯骨小梁结构2可以采用任何合适的材料形成，在本发明的一具体实施例中，所述材料粉末是金属粉末。所述金属粉末可以是例如钛合金粉末。
通常烧结后所述髋臼杯骨小梁结构2和所述髋臼杯实体结构的内表面中会残留多余的材料粉末，需要去除，例如可以清洗去除。
(C)将所述髋臼杯实体结构的内部轮廓加工成期望的内部轮廓。
本发明还提供采用上述的髋臼杯的制备方法制备而成的髋臼杯1。
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
实施例1
1、髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法
1)以规格R1＝48mm即r1＝24mm的髋臼杯1在直角坐标系内的范围为X1(-24，24)，Y1(-24，24)，Z1(4，28)内以及髋臼杯骨小梁结构2的厚度a＝1mm为例，髋臼杯1的球心的坐标为(0，0，4)，即x1＝0，y1＝0，z1＝4，因此生成的随机点3需在X2(-25，25)，Y2(-25，25)，Z2(4，29)的空间范围内。根据上述需求生成50000个随机点3，以Excel软件为例生成随机点3，表达式分别为X＝50*rand()-25，Y＝50*rand()-25，Z＝26*rand()+3，如图2所示。
2)筛选出落在髋臼杯骨小梁结构2的空间范围内的目标点4。根据髋臼杯骨小梁结构2的空间范围在三维空间中的特征，通过多个表达式筛选出符合要求的目标点4，如图3所示。规格R1＝48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2为半球形状，厚度为1mm，因此生成的坐标点距离球心(0，0，4)的距离应在23～24mm之间，筛选表达式为23≤((x-0)2+(y-0)2+(z-4)2)1/2≤24及z≥4；顶部的臼杯安装孔11为轴线经过球心的竖向圆柱体12与半球求差，筛选表达式为((x-0)2+(y-0)2)1/2≥10，所述髋臼杯1的臼杯安装孔11的半径b＝10mm；侧面的3个螺钉孔13为经过各自球心(A1(0，-15.2，18.7)、A2(7.6，-8.7，21.8)、A3(-7.6，-8.7，21.8))的圆球14(半径r2、r3和r4均为10mm)与半球求差，筛选表达式为(x-0)2+(y+15.2)2+(z-18.7)2)1/2≥10、(x-7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10及(x+7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10。上述表达式中的x、y、z为步骤1中生成的随机点3的坐标值。
3)筛选出后的目标点4两两配对，要求配对的两个目标点4之间的距离在一定的范围之内，然后用直线5连接配对的两个目标点4。可以采用VC或者VB编程的方法，通过依次循环筛选程序，选取距离在0.5mm～1mm的目标点4配对，然后将配对的目标点4导入相关三维软件例如Solidworks，形成连接的直线5，如图4和图5所示。
4)赋予直线5一定的正多边形截面形状及尺寸，形成髋臼杯骨小梁结构2。以边长为0.2mm的正方形为正多边形截面形状，对角线长度为0.25mm，赋予上述生成的直线5，形成48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2，如图6和图7所示。
2、髋臼杯的制备方法
髋臼杯的制备方法包括如下步骤：
1)将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型转化成STL格式的文件保存。
2)采用切片软件将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型进行切片处理，最小单层厚度适应3D激光打印设备的要求，采用30μm。
3)将切片文件导入3D金属打印设备中进行激光烧结成型，烧结成带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1。
去除支撑，清洗去除髋臼杯骨小梁结构2和髋臼杯实体结构的内表面中多余的金属粉末。
4)工装夹持固定带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1，加工髋臼杯1的内部尺寸特征。
实施例2
1、髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法
1)以规格R1＝48mm即r1＝24mm的髋臼杯1在直角坐标系内的范围为X1(-24，24)，Y1(-24，24)，Z1(4，28)内以及髋臼杯骨小梁结构2的厚度a＝1mm为例，髋臼杯1的球心的坐标为(0，0，4)，即x1＝0，y1＝0，z1＝4，因此生成的随机点3需在X2(-25，25)，Y2(-25，25)，Z2(4，29)的空间范围内。根据上述需求生成30000个随机点3，以Excel软件为例生成随机点3，表达式分别为X＝50*rand()-25，Y＝50*rand()-25，Z＝26*rand()+3，如图2所示。
2)筛选出落在髋臼杯骨小梁结构2的空间范围内的目标点4。根据髋臼杯骨小梁结构2的空间范围在三维空间中的特征，通过多个表达式筛选出符合要求的目标点4，如图3所示。规格R1＝48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2为半球形状，厚度为1mm，因此生成的坐标点距离球心(0，0，4)的距离应在23～24mm之间，筛选表达式为23≤((x-0)2+(y-0)2+(z-4)2)1/2≤24及z≥4；顶部的臼杯安装孔11为轴线经过球心的竖向圆柱体12与半球求差，筛选表达式为((x-0)2+(y-0)2)1/2≥10，所述髋臼杯1的臼杯安装孔11的半径b＝10mm；侧面的3个螺钉孔13为经过各自球心(A1(0，-15.2，18.7)、A2(7.6，-8.7，21.8)、A3(-7.6，-8.7，21.8))的圆球14(半径r2、r3和r4均为10mm)与半球求差，筛选表达式为(x-0)2+(y+15.2)2+(z-18.7)2)1/2≥10、(x-7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10及(x+7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10。上述表达式中的x、y、z为步骤1中生成的随机点3的坐标值。
3)筛选出后的目标点4两两配对，要求配对的两个目标点4之间的距离在一定的范围之内，然后用直线5连接配对的两个目标点4。可以采用VC或者VB编程的方法，通过依次循环筛选程序，选取距离在1mm～1.5mm的目标点4配对，然后将配对的目标点4导入相关三维软件例如Solidworks，形成连接的直线5，如图4和图5所示。
4)赋予直线5一定的正多边形截面形状及尺寸，形成髋臼杯骨小梁结构2。以正五边形为正多边形截面形状，对角线长度为0.15mm，赋予上述生成的直线5，形成48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2，如图6和图7所示。
2、髋臼杯的制备方法
髋臼杯的制备方法包括如下步骤：
1)将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型转化成STL格式的文件保存。
2)采用切片软件将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型进行切片处理，最小单层厚度适应3D激光打印设备的要求，采用50μm。
3)将切片文件导入3D金属打印设备中进行激光烧结成型，烧结成带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1。
去除支撑，清洗去除髋臼杯骨小梁结构2和髋臼杯实体结构的内表面中多余的金属粉末。
4)工装夹持固定带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1，加工髋臼杯1的内部尺寸特征。
实施例3
1、髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法
1)以规格R1＝48mm即r1＝24mm的髋臼杯1在直角坐标系内的范围为X1(-24，24)，Y1(-24，24)，Z1(4，28)内以及髋臼杯骨小梁结构2的厚度a＝1mm为例，髋臼杯1的球心的坐标为(0，0，4)，即x1＝0，y1＝0，z1＝4，因此生成的随机点3需在X2(-25，25)，Y2(-25，25)，Z2(4，29)的空间范围内。根据上述需求生成100000个随机点3，以Excel软件为例生成随机点3，表达式分别为X＝50*rand()-25，Y＝50*rand()-25，Z＝26*rand()+3，如图2所示。
2)筛选出落在髋臼杯骨小梁结构2的空间范围内的目标点4。根据髋臼杯骨小梁结构2的空间范围在三维空间中的特征，通过多个表达式筛选出符合要求的目标点4，如图3所示。规格R1＝48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2为半球形状，厚度为1mm，因此生成的坐标点距离球心(0，0，4)的距离应在23～24mm之间，筛选表达式为23≤((x-0)2+(y-0)2+(z-4)2)1/2≤24及z≥4；顶部的臼杯安装孔11为轴线经过球心的竖向圆柱体12与半球求差，筛选表达式为((x-0)2+(y-0)2)1/2≥10，所述髋臼杯1的臼杯安装孔11的半径b＝10mm；侧面的3个螺钉孔13为经过各自球心(A1(0，-15.2，18.7)、A2(7.6，-8.7，21.8)、A3(-7.6，-8.7，21.8))的圆球14(半径r2、r3和r4均为10mm)与半球求差，筛选表达式为(x-0)2+(y+15.2)2+(z-18.7)2)1/2≥10、(x-7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10及(x+7.6)2+(y+8.7)2+(z-21.8)2)1/2≥10。上述表达式中的x、y、z为步骤1中生成的随机点3的坐标值。
3)筛选出后的目标点4两两配对，要求配对的两个目标点4之间的距离在一定的范围之内，然后用直线5连接配对的两个目标点4。可以采用VC或者VB编程的方法，通过依次循环筛选程序，选取距离在1.5mm～2mm的目标点4配对，然后将配对的目标点4导入相关三维软件例如Solidworks，形成连接的直线5，如图4和图5所示。
4)赋予直线5一定的正多边形截面形状及尺寸，形成髋臼杯骨小梁结构2。以正六边形为正多边形截面形状，对角线长度为0.4mm，赋予上述生成的直线5，形成48mm的髋臼杯1的髋臼杯骨小梁结构2，如图6和图7所示。
2、髋臼杯的制备方法
髋臼杯的制备方法包括如下步骤：
1)将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型转化成STL格式的文件保存。
2)采用切片软件将髋臼杯实体结构的三维模型和上述的髋臼杯骨小梁结构2的三维模型进行切片处理，最小单层厚度适应3D激光打印设备的要求，采用60μm。
3)将切片文件导入3D金属打印设备中进行激光烧结成型，烧结成带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1。
去除支撑，清洗去除髋臼杯骨小梁结构2和髋臼杯实体结构的内表面中多余的金属粉末。
4)工装夹持固定带髋臼杯骨小梁结构2的髋臼杯1，加工髋臼杯1的内部尺寸特征。
经使用证实，实施例1～实施例3的制备的髋臼杯均能够促进和刺激骨组织的生长和分化，使骨组织向髋臼杯骨小梁结构中生长，提高髋臼杯假体的短期稳定性和长期稳定性。
因此，本发明提供了一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，由此生成的髋臼杯骨小梁结构的三维模型可以用于3D打印髋臼杯骨小梁结构，髋臼杯骨小梁结构的粗糙表面能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果，较高的孔隙率、合适的孔径大小刺激骨组织的向内长入，实现长期稳定；提高人工髋关节假体的使用寿命。
综上，本发明的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法能够生成髋臼杯骨小梁结构的三维模型，从而可以3D打印髋臼杯骨小梁结构，设计巧妙，操作简便，由此打印的髋臼杯骨小梁结构能与患者髋臼的松质骨有效结合，改善了术后早期固定效果和长期稳定，适于大规模推广应用。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。所以，本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (12)

1.一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)在立体空间范围内，在至少半径为髋臼杯的半径的半球形范围内随机生成若干随机点； (2)根据所述髋臼杯骨小梁结构的空间范围，筛选出落在所述的髋臼杯骨小梁结构的空间范围内的目标点； (3) 对所述目标点进行配对，将距离在0.5mm～2mm之间的两个所述目标点配成一对，然后用直线连接； (4)赋予所述直线正多边形截面形状，所述正多边形截面形状的对角线长度在0.15mm～0.4mm之间，从而形成所述髋臼杯骨小梁结构的三维模型。
2.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述随机点采用Excel软件生成。
3.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述随机点的个数为3万～10万。
4.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，在长度和宽度均为所述的髋臼杯的半径的两倍、高度为所述的髋臼杯的半径的矩形空间范围内随机生成若干所述随机点。
5.如权利要求4所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述随机点采用Excel软件生成，所述髋臼杯的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，采用所述Excel软件生成所述随机点的表达式分别为x＝(所述长度+2)*rand()-0.5*(所述长度+2)+x1，y＝(所述宽度+2)*rand()-0.5*(所述宽度+2)+y1，z＝(所述高度+2)*rand()-1+z1，x、y、z为所述随机点在直角坐标系中的坐标。
6.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述髋臼杯的球心在直角坐标系中的坐标为(x1，y1，z1)，所述的髋臼杯的半径为r1，所述髋臼杯骨小梁结构的厚度为a，所述筛选采用的表达式为r1-a≤((x-x1)+(y-y1)+(z-z1))≤r1及z≥z1；((x-x1)+(y-y1))≥b，其中b为所述髋臼杯的臼杯安装孔的半径；((x-x2)+(y-y2)+(z-z2))≥r2，((x-x3)+(y-y3)+(z-z3))≥r3，((x-x4)+(y-y4)+(z-z4))≥r4，其中所述髋臼杯的3个螺钉孔所在圆球的球心分别为(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)和(x4，y4，z4)，所述圆球的半径分别为r2、r3和r4；其中x、y、z为所述随机点在直角坐标系中的坐标。
7.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用三维软件用所述直线连接该两个所述目标点。
8.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，该两个所述目标点之间的距离为0.5mm～1mm、1mm～1.5mm或1.5mm～2mm。
9.如权利要求1所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述的正多边形截面形状的对角线长度为0.15mm、0.25mm或0.4mm。
10.一种髋臼杯骨小梁结构的三维模型，其特征在于，采用根据权利要求1～权利要求9任一项所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型的生成方法生成。
11. 一种髋臼杯的制备方法，所述髋臼杯包括髋臼杯实体结构和髋臼杯骨小梁结构，所述髋臼杯骨小梁结构设置在所述髋臼杯实体结构的外表面上，其特征在于，包括以下步骤： (A)采用切片软件将所述髋臼杯实体结构的三维模型和根据权利要求10所述的髋臼杯骨小梁结构的三维模型进行切片处理形成切片文件； (B)将所述切片文件导入3D激光打印设备中，通过所述3D激光打印设备激光烧结材料粉末成型所述髋臼杯实体结构和所述髋臼杯骨小梁结构； (C)将所述髋臼杯实体结构的内部轮廓加工成期望的内部轮廓。
12.一种髋臼杯，其特征在于，采用根据权利要求11所述的髋臼杯的制备方法制备而成。
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