CN112057208A - 一种人工关节涂层结构及其3d打印数据模型生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种人工关节涂层结构。其包括呈立体网状结构的涂层本体，所述立体网状结构包括相互连接的多个单位体，所述单位体包括外结点、内结点及网丝，所述网丝为单位体的各个所述外结点与内结点连线，相邻所述单位体的对应面的外结点重合。所述外结点或内结点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。本发明还公开了数据模型生成方法，包括1)建立模型、2)做外接矩形框、3)体素化、4)剪裁模型之外的网丝及结点、5)形成坐标数据。本发明的有益效果是；获得的涂层结构具有宏观上结构均匀、微观上具有结构差异性，孔隙率类似真实人体骨骼，强度高、与人体组织融合性好的特点；便于利用激光3D打印形成。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种人工关节涂层结构及其3D打印数据模型生成方法。
背景技术
目前，在临床上已经广泛采用置换人工关节假体的方式，来治疗肩、髋等关节骨性关节炎、骨折、骨损伤、骨头缺血性坏死等疾病。现有的人工关节假体结构设计多样，而人工关节表面多孔涂层对于假体置换的效果至关重要，其决定了假体与人体组织之间的生物相容性与耐久度问题。
目前制造人工关节中的表面多孔涂层采用的技术多为金属微珠烧结、金属细丝编织、等离子喷涂。更先进的技术如化学蒸汽沉积和电弧离子镀低温沉积也被用于制造人工关节的表面涂层。这些技术受限于其制造原理和较低的分辨率，在制造过程中难以精确控制涂层中孔结构的几何形状，难以满足人体骨组织良好得生长进入涂层结构的要求。这直接导致了人工关节植入物与人体本身骨骼的相容性较低，耐久度差，一般来讲每隔十年甚至数年就因为关节植入物的性能下降而需要再次进行对病人身心造成巨大痛苦的人工关节置换手术。因此对于年龄较小的病人，植入物与人体的相容性和长期稳定性尤为重要。
近几年发展迅速的激光金属3D打印技术因具有高分辨率和精确控制打印部件结构的特性，可成型极度复杂形状的零件，在工业制造、科学研究和医疗领域得到了越来越广泛的应用。这为人工假体涂层的制造工艺带来了更大的结构设计自由度，使得比较理想的人工假体结构得以实现。
然而，3D打印技术极为依赖计算机辅助设计，尤其是在设计多孔结构的计算机算法和打印机数据准备上。因此，如何设计与人体骨组织之间生物相容性与耐久度高的人工关节涂层结构是将激光金属3D打印成功运用于制造高性能人工关节涂层的关键问题。
在打印模型生成算法上，算法需要有以下要求：(1)丰富的设置选项来改变最终生成的结构；(2)高度的稳定性保证多次用相同参数生成的结构具有极为相似的物理结构与性能；(3)生成的数据格式可以转换为激光3D打印机的输入格式。
发明内容
本发明针对上述现有人工关节多孔涂层制造技术的不足，提供一种能显著提高假体质量的人工关节涂层结构。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝。
本发明的有益效果是：采用立体网状结构可以根据所制作植入物的具体要求，通过灵活的设定网丝粗细以及网丝连接结点之间的距离，能较好的保证植入物具有与真实骨结构相似的微观结构、高孔隙率相比较于传统的骨增长涂层结构能够让骨组织更深的生长进人工涂层从而提供更高的结合强度。同时，不同的参数产生的不同微观结构提供了针对不同个体的定制化可能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述立体网状结构包括相互连接的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面框结构，所述结点包括外结点和内结点，所述六面框结构8个顶点为所述外结点，在所述六面框内设有一个所述内结点；所述网丝为所述单位体的各个所述外结点与所述内结点连线，相邻所述单位体的对应面的外结点重合。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过六面框结构的各个外结点在六面框内部连接为一点，即内结点，在保证相对密度低的同时进一步提高了涂层的支撑强度。由于内结点与外结点的连接，使所有的网丝都可以归纳到某个三角形的一个边，因此使本发明的立体网状结构具备了三角形的稳定性即高的支撑强度。
进一步，所述内结点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：所述内结点的位置的随机移动，其移动范围在六面框内或外，这样从涂层整体结构讲具有均匀性，而单位体结构具有相对不同性，这样更接近于人体骨骼特点，进而促进了生物相容性。
进一步，所述单位体的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构。所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点经过随机函数运算得出偏移量并移动位置后形成。
采用上述进一步方案的有益效果是：也可以经过对平行六面框结构结构采用外结点随机移动的方式形成不平行六面框结构。这种结构既保留了整体涂层结构的均匀性，也具有单位体自身形状的相对不同性，与人体骨骼不规整结构的特点更适配，进而促进了生物相容性。
进一步，所述平行六面框结构包括正六面框结构。
采用上述进一步方案的有益效果是：正六面框结构在构建模型时容易表示，为后期的随机化过程减少计算量。
本发明还公开了一种人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构建立三维模型S；
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB(S Bounding Box)；
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面框，形成所述单位体，每个所述单位体包括8个外结点及1个内结点；每个所述单位体的棱线及外结点与内结点的连线形成所述网丝，所述立体网状结构包括各个单位体的所述外结点、内结点及网丝；所述单位体呈由所述外结点、内结点及网丝组成的镂空结构；这里，所述内结点为单位体的中心点；
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，即去除所述三维模型S外部的所述结点及网丝，形成与所述三维模型S轮廓相适配的三维结构；
5)、将裁剪后的各个所述外结点、内结点及网丝的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
本发明数据模型生成方法的有益效果是：采用上述方法形成的3D打印数据模型，经过数据的分层处理，即可以通过3D打印方式实现立体网格结构的假体骨骼涂层。由此方法获得的假体骨骼涂层，可以更适合于与人体组织的融合，比目前选用的自然多孔材料或烧结多孔材料，在性能上更便于人工设计，以获得较佳的假体性能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括在步骤3)后对各单位体的外结点或/和内结点的坐标进行随机变换，变换后形成的所述单位体的棱线以及各个外结点和内结点的连线作为网丝。
采用上述进一步方案的有益效果是：对各单位体的外结点或/和内结点的坐标进行随机变换，使产生的涂层结构与人体骨骼结构更近似。因为人体结构的细微组织并非处处相同。
进一步，所述步骤3)中，还包括将所述外接矩形框SBB分成若干个平行六面框，即确定所述单位体的数量：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果按四舍五入取下一个整数，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过上述计算可以确定外接矩形框SBB中单位体的个数，进而确定单位体的尺寸。确定单位体数量也便于形成数据化外接矩形框SBB。
进一步，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
采用上述进一步方案的有益效果是：由于单位体的外结点在经过随机变换后，会潜在的导致部分单位体或外结点完全进入原三维模型S的内部，从而导致最终形成的结构体表面的残缺与不均一性。确定和调整单位体合理的个数可避免此问题产生。
进一步，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
采用上述进一步方案的有益效果是：此步骤为保证三维模型S能够被体素化外接矩形框SBB全部覆盖，从而进一步保证多孔结构表面的均匀性。
附图说明
图1为本发明一种人工关节涂层结构示意图；
图2为本发明的平行六面框结构的示意图；
图3为图2中外结点经过位置变换后的结构示意图；
图4为本发明的带有网丝的单位体结构示意图；
图5为图4中经过内结点位置变换后的单位体结构示意图；
图6为图5中经过外结点位置变换后的单位体结构示意图；
图7为本方法发明中三维模型S的外接矩形框SBB结构示意图(平面)；
图8为本方法发明中基准点调整后的结构示意图；
图9为本发明中经过剪裁后的三维模型S平面轮廓示意图(未去棱线)；
图10为本发明中3D打印数据模型形成步骤框图；
图11为本发明中去掉棱线的单位体结构示意图；
图12按本发明方法形成的一个正方体三维模型组织结构示意图；
图13为图11的局部放大图。
图中，1、三维模型S；2、外接矩形框SBB；3、单位体；3-1、棱线；3-2、网丝；3-3、外结点；3-4、内结点。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图6所示，一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝。
所述立体网状结构包括相互连接的多个单位体3，所述单位体3的外轮廓呈六面框结构，所述结点包括外结点3-3和内结点3-4，所述六面框结构8个顶点为所述外结点3-3，在所述六面框内设有一个所述内结点3-4；所述网丝3-2为所述单位体的各个所述外结点3-3与所述内结点3-4连线，相邻所述单位体3的对应面的外结点3-3重合。
为便于表达，图中所述六面框结构还画出了棱线(虚线)3-1。其中实线为网丝3-2。如图1所示，可看出所述立体网状结构包括了的如图4所示的多个单位体，其中棱线(虚线)3-1仅是为了表达单位体轮廓。
所述内结点3-4的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
所述单位体3的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构。所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点3-3经过随机函数运算得出偏移量并按偏移量移动位置后形成。当外结点3-3坐标变化时，相应的网丝随之变化，进而形成一个不平行六面框结构。
所述平行六面框结构包括正六面框结构。
具体随机函数运算时，对偏移百分比给出限定，偏移百分比可取-60％到+60％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负60％，即每个顶点各维度坐标数值的增加或减小最大为单位体边长的60％。
如图7-图9所示，用于对本方法发明的辅助说明，为了便于理解，其中假设涂层本体为球形，并采用平面图以便于清晰观察。
本发明还公开了一种人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S1；该三维模型轮廓即是需要形成的涂层轮廓。
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB2；
设三维模型S的最小X坐标，Y坐标，Z坐标为Xmin,Ymin,Zmin；三维模型S的最大X坐标，Y坐标，Z坐标为Xmax,Ymax,Zmax；则三维模型S的外接矩形框SBB的8个顶点(s1—s8)定义如下：
s1(Xmin,Ymin,Zmin)
s2(Xmin,Ymax,Zmin)
s3(Xmax,Ymax,Zmin)
s4(Xmax,Ymin,Zmin)
s5(Xmin,Ymin,Zmax)
s6(Xmin,Ymax,Zmax)
s7(Xmax,Ymax,Zmax)
s8(Xmax,Ymin,Zmax)
通过上述8个顶点的坐标，确定了外接矩形框SBB。
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；所述体素化即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面框，每个六面框为一个所述单位体3，每个所述单位体3包括12条棱线、8个外结点3-3及1个内结点3-4，每个所述单位体3外结点与内结点的连线形成所述网丝，所述外接矩形框SBB内部呈现出所述立体网状结构；
将所述外接矩形框SBB分成若干个平行六面框，可采用如下算法：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果按四舍五入取下一个整数，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
根据上述运算能很容易的将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面框，即实现体素化。
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，、即去除所述三维模型S外部的所述结点及网丝，形成与所述三维模型S轮廓相适配的三维结构；也就是说，经过体素化后的外接矩形框SBB整体呈立体网状结构，所述三维模型S包含在其中。将所述三维模型S之外的网丝及结点全部裁剪，其余的立体网状结构就是要形成的立体网状三维模型；
5)、将裁剪后的各个所述外结点、内结点及网丝的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
该建模过程相当于将人工关节涂层组织结构立体网格化，采用立体网状结构可以根据所制作假体的具体要求，通过设定网丝粗细以及网丝连接结点之间的距离，较好的保证假体具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、渗透性好等特性。相比于传统方法产生的空隙结构，其均匀性和生物融合性更好。
当通过3D打印人工关节涂层时，只需要将该建模数据作为三维立体模型，并按平面分层处理，然后3D打印机就能分层打印形成立体网状结构的假体涂层。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括在步骤3)后对各单位体的外结点或/和内结点的坐标进行随机变换，变换后形成的所述单位体的棱线以及各个外结点和内结点的连线作为网丝。
坐标进行随机变换可采用如下步骤，假设：
一个顶点(外结点)v的坐标为(x，y，z),其随机变换后的坐标为(x′，y′，z′)。方向变量d。d仅有1和-1两个值并且取1和-1的概率相同。
设偏移量变量a。a的值可从区间[-1，1]任意选取，a值的分布遵循同一数值初始化过的梅森旋转算法生成的连续性均匀分布。这样保证了多次运算之间的相似性。
X方向最小偏移百分比
X方向最大偏移百分比
Y方向最小偏移百分比
Y方向最大偏移百分比
Z方向最小偏移百分比
Z方向最大偏移百分比
X方向偏移百分比Mx＝perXmax-(perXmax-perXmin)×a
Y方向偏移百分比My＝perYmax-(perYmax-perYmin)×a
Z方向偏移百分比Mz＝perZmax-(perZmax-perZmin)×a
最后随机变换后的坐标(x′，y′，z′)为：
x′＝x+Mx×d×l
y′＝y+My×d×w
z′＝z+Mz×d×h
对于每一个单位体，按照上述随机变换规则将8个顶点和/或一个内结点进行变换，然后将变换后的内结点跟八个变换后的顶点相连形成8条线。每个单位体都经过处理计算和连线后，一个在三维模型S的外接矩形框SBB范围内的线型随机立体网状结构结构即生成完毕。
上述变换对各单位体的外结点或/和内结点的坐标进行随机变换，使产生的涂层结构与人体骨骼结构更近似。因为人体结构的细微组织并非处处相同。
进一步，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
当上述对单位体的外结点进行坐标随机变换时，处于所述三维模型S轮廓上的单位体，其外结点存在完全偏移到三维模型S轮廓内的情况，从而导致最终形成的数据模型的轮廓与所述三维模型S实际轮廓相比，出现表面残缺与不均一性。为了解决这个问题，X、Y和Z方向的单位体个数需要做出以下调整：
设坐标随机变换中X方向的最大移动量为Mxmax，Y方向的最大移动量为Mymax，Z方向的最大移动量为Mzmax，则最终X，Y，Z方向的单位体个数Nx，Ny，Nz定义如下：
进一步，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
为保证三维模型S能够被体素化外接矩形框SBB对称的覆盖，从而进一步保证多孔结构表面的均匀性。将外接矩形框适当向外扩展一点，即在X、Y和Z三坐标方向各自向外偏移，其偏移参考点即外接矩形框参考点R的坐标定义如下：
上列等式右侧的变量定义与上述相对应的变量定义相同。
如图10、11所示，为采用本发明的3D打印数据模型生成方法，形成的模型结构示意图，从图中可见，形成了一个立体网状结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种人工关节涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体网状结构，所述立体网状结构包括结点及连接在相邻结点之间的网丝。
2.根据权利要求1所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述立体网状结构包括相互连接的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面框结构，所述结点包括外结点和内结点，所述六面框结构8个顶点为所述外结点，在所述六面框内设有一个所述内结点；所述网丝为所述单位体的各个所述外结点与所述内结点连线，相邻所述单位体的对应面的外结点重合。
3.根据权利要求2所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述内结点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。
4.根据权利要求2或3所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述单位体的外轮廓呈平行六面框结构或不平行六面框结构；所述不平行六面框结构由将所述平行六面框结构的一个或多个外结点经过随机函数运算得出偏移量并移动位置后形成。
5.根据权利要求4所述的人工关节涂层结构，其特征在于，所述平行六面框结构为正六面框结构。
6.一种人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体的3D打印数据模型生成步骤如下；
1)、根据所述涂层本体结构在电脑中建立三维模型S；
2)、计算所述三维模型S的外接矩形框SBB；
3)、体素化所述三维模型S的外接矩形框SBB；即将所述外接矩形框SBB分成若干个呈立体分布的平行六面框，形成所述单位体，每个所述单位体包括8个外结点及1个内结点，每个所述单位体的外结点与内结点的连线形成网丝；
4)、剪裁：修剪所述外接矩形框SBB，形成与所述三维模型S轮廓相适配的三维结构；
5)、将裁剪后的各个所述外结点、内结点及网丝的位置坐标存储并形成建模数据，即完成所述3D打印数据模型的构建。
7.根据权利要求6所述的人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，其特征在于，还包括在步骤3)后对各单位体的外结点或/和内结点的坐标进行随机变换，变换后形成的所述单位体的各个外结点和内结点的连线作为网丝。
8.根据权利要求6或7所述的人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，其特征在于，所述步骤3)中，将所述外接矩形框SBB分成若干个平行六面框，即确定所述单位体的数量：
设外接矩形框SBB的长为L，宽为W,高为H；每个单位体的长为l,宽为w，高为h，则：
X方向的单位体个数
Y方向的单位体个数
Z方向的单位体个数
对上述计算结果按四舍五入取整，即分别得到在X、Y、Z三个方向的单位体个数及单位体总个数。
9.根据权利要求8所述的人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，其特征在于，在确定单位体个数后，还包括对所述单位体在X、Y和Z方向的个数进行调整，以保证在所述顶点的坐标随机变化后，不缩入所述三维模型S的外轮廓之内。
10.根据权利要求9或10所述的人工关节涂层3D打印数据模型生成方法，其特征在于，还包括偏置外接矩形框SBB的起始点R，以保证生成所述涂层本体表面的均匀性。
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