CN210721470U - 一种人工关节面型涂层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及人工关节制造技术领域，尤其涉及一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，所述涂层本体呈立体微孔结构，其包括多个单位体，所述单位体包括多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，一个所述单位体的虚拟面中有1～6个为实体结构面，所述实体结构面上设有孔。所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面通过采用随机函数变换坐标形成。本实用新型的有益效果是；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；便于利用激光3D打印形成。

Description

一种人工关节面型涂层结构

技术领域

本实用新型涉及人工关节制造技术领域，尤其涉及一种人工关节面型涂层结构。

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。

人的骨骼微观结构呈现出密集且随机分布的微孔，当前人工假体图层的制造受限于现有技术，无法在结构上还原骨骼的真实构成。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。

实用新型内容

本实用新型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面型涂层结构。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括多个顶点及多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，一个所述单位体的虚拟面中至少有一个为实体结构面。

本实用新型的有益效果是：采用立体微孔结构可以根据所制作植入物的具体要求，通过设定实体结构面多少来形成单位体基本结构，从而能较好的保证植入物具有与真实骨结构相接近的微观结构、这种单位体化的微结构特别适合通过3D激光打印技术方便实施，并且可人为可控的保证高孔隙率，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和假体与人体骨骼的融合度。同时，不同的参数产生的不同微观结构使针对不同个体提供定制化结构成为可能。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，相邻单位体之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面相连接包括线连接、点连接及面重合连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证实体结构面的连接，在保证实现微孔状态同时可以保证涂层的强度，并便于3D打印实施。

进一步，所述单位体还包括12条棱线。

采用上述进一步方案的有益效果是：将单位体对应的六面体棱线作为实体结构，可使涂层结构更牢靠。

进一步，所述单位体的虚拟面中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面，至少一个所述实体结构面上设有孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据涂层医学需要，可以方便的选择实体结构面个数。比较常见的当属6个实体结构面情况，实际上，相邻实体结构面是重合的，或者说是相邻单位体共用的。

进一步，所述孔的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点。

采用上述进一步方案的有益效果是：圆形为常规选择，从便于实现计算机建模考虑。

进一步，所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面由所述顶点和角点的连线构成。

采用上述进一步方案的有益效果是：建立三角面结构方便将数据存储为STL文件格式，也便于通过角点坐标的偏移实现更随机性结构的实现。

进一步，所述单位体的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。

采用上述进一步方案的有益效果是：上述顶点坐标的随机移动，其移动范围在六面体内或外，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，所述平行六面体结构为正六面体结构。

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。

进一步，所述角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：角点位置在三维坐标上做随机偏移，能使实体结构面上的孔形成随机的孔洞，也能使实体结构面由若干个三角面组成，这些三角面既可以在同一平面，也可以在不同平面，整体上形成高低曲折的异形面。这种结构既保留了整体涂层结构的均匀性，也具有单位体实体结构面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，所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。在此基础上，所述角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：对六面体结构和角点均进行偏移量随机运算，并按新的偏移量坐标移动，能产生更好的随机结构效果。

本实用新型的结构可以通过3D打印技术方便实现，首先生成3D打印数据模型。

人工关节面型涂层结构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(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体，形成所述单位体，相邻所述单位体的对应面的棱线重合，所述单位体还包括1～6个实体结构面；根据单位体包含实体结构面的数量，每个单位体有4至8个顶点和4至12条棱线；在所述实体结构面上设有孔，所述孔经过离散处理形成多边形，所述多边形包括多个角点，将单位体的顶点与多边形的相邻角点连接形成三角面；

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顶点、角点以及实体结构面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。

附图说明

图1为本实用新型一种人工关节面型涂层结构示意图；

图2为本实用新型的单位体为平行六面体结构的示意图；

图3为图2中顶点经过位置变换后的结构示意图；

图4为本实用新型的带有棱线的单位体结构示意图；

图5为具有一个实体结构面的单位体结构示意图；

图6为一个实体结构面的结构示意图；

图7为具有一对实体结构面(相对位置)的单位体结构示意图；

图8为具有一对实体结构面(相邻位置)的单位体结构示意图；

图9为具有六个实体结构面的单位体结构示意图；

图10为8个单位体组合结构示意图(其中仅示出1个单位体孔)；

图11为本实用新型的一个圆柱体三维模型组织结构示意图；

图12为图11经过随机变换后形成的三维模型组织结构示意图；

图13为图12结构局部放大图；

图14为将图11所示结构按不同随机度对角点进行变化后形成的涂层结构示意图。

图15为实施本实用新型时三维模型S与外接矩形框SBB结构示意图(平面)；

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、顶点；3-3、虚拟面；3-4、实体结构面；3-5、孔；3-6、角点。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1到图14所示，一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体3，所述单位体3的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括8个顶点3-2及多个虚拟面3-3，相邻所述单位体3的相邻虚拟面3-3重合，一个所述单位体3的虚拟面中至少有一个为实体结构面3-4。

由于构成所述立体微孔结构的主要为实体结构面，因此可称为人工关节面型涂层结构。

相邻单位体3之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面3-4相连接包括线连接、点连接及面重合连接。

所述单位体还包括12条棱线3-1。

所述单位体3的虚拟面3-3中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面3-4，至少一个所述实体结构面上设有孔3-5。

所述孔3-5的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点；

所述实体结构面3-4包括若干个三角形结构，所述三角形结构由所述顶点3-2和角点3-6的连线构成。

所述单位体3的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点3-2经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。

作为一特例，所述平行六面体结构为正六面体结构。

所述角点3-6的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。

作为另一种方式，所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点3-2经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。在此基础上，所述角点3-6的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。

以上具体随机函数运算时，对顶点的偏移百分比可给出限定，如偏移百分比可取单位体边长的-80％到+80％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负80％，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80％。

具体随机函数运算时，对角点的偏移百分比可给出限定，如偏移百分比可取-30％到+30％。例如，最大偏移量为单位体边长的正负30％，即每个角点各维度坐标数值的增加或减小最大为单位体边长的30％。

如图15所示，为生成本实用新型所用数据模型时三维模型S1与外接矩形框SBB2结构示意图；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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，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)

1.一种人工关节面型涂层结构，包括涂层本体，其特征在于，所述涂层本体呈立体微孔结构，所述立体微孔结构包括呈立体矩阵排布的多个单位体，所述单位体的外轮廓呈六面体结构，所述单位体包括多个顶点及多个虚拟面，相邻所述单位体的相邻虚拟面重合，一个所述单位体的虚拟面中至少有一个为实体结构面；

所述涂层本体通过3D打印制成。

2.根据权利要求1所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，相邻单位体之间至少有一对实体结构面相连接，所述实体结构面相连接包括线连接、点连接及面重合连接。

3.根据权利要求1所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体还包括12条棱线。

4.根据权利要求1、2或3所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体的虚拟面中有1、2、3、4、5或6个为实体结构面，至少一个所述实体结构面上设有孔。

5.根据权利要求4所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述孔的外轮廓为圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括多个角点。

6.根据权利要求5所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述实体结构面由若干个三角面构成，所述三角面由所述顶点和角点的连线构成。

7.根据权利要求4所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述单位体的外轮廓呈平行六面体结构或不平行六面体结构；所述不平行六面体结构由将所述平行六面体结构的一个或多个顶点经过随机函数运算得出偏移量并根据所述偏移量移动位置后形成。

8.根据权利要求7所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述平行六面体结构为正六面体结构。

9.根据权利要求6所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。

10.根据权利要求6所述的人工关节面型涂层结构，其特征在于，所述角点的位置由经过随机函数运算得出的偏移量确定。

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