仿生股骨头模型及设计方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于3d打印技术的仿生股骨头模型及设计方法。

背景技术：

3d打印(3dp)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前在国内：北京大学研究团队在全球首次成功地为一名12岁男孩植入了3d打印脊椎。北京航空航天大学在金属直接制造方面取得了进展，突破了钛合金、超高强度钢等难加工材料的激光成形工艺。西北工业大学的大凝固技术国家重点实验室已经建立了系列激光熔覆成形与修复装备，可满足大型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。在国外：英美等发达国家针对结构轻量化，技术标准，共性技术，商业模式发展等展开了研究，并应用于军事，航天，医药等领域。

骨移植的需要不断增加，现在每年在欧洲要进行超过400,000次骨移植手术，在美国则需超过600,000次。在美国，2010年人们在骨移植替代物上的花费达到了13亿美元，并且被预测会以每年7.4％的比率增长。中国已经进入老龄化社会，在我国这项技术却比较落后。如何设计和制作出骨移植替代物成了当务之急。观察天然的骨头，将骨切开可以看到里面的微观结构，发现是类似具有梯度性的点阵结构。观察其他自然界的植物结构，也具有这种梯度的变化。制造性困难曾经限制微观结构的设计，但随着3d打印技术的发展，已经可以克服这种困难。本发明即为仿生股骨头模型，旨在未来能够作为新型的骨移植替代物。

技术实现要素：

本发明的是根据人类自然股骨头的结构组织特性，设计出能够替代坏死或损坏的股骨头的模型，从而达到作为骨移植替代物的目的。

本发明的技术方案：

仿生股骨头模型为由杆件和节点组装成的半球点阵支架结构，分为内半球点阵支架结构和外半球点阵支架结构两部分；

外半球点阵支架结构从上到下依次分为顶层、第二层、第三层和底层四部分，从上到下相邻两层间的间距依次增加；顶层分为顶点和下表面，即顶点和下圆，下圆采用节点16等分；第二层、第三层和底层，每层分为上表面和下表面，即上圆和下圆；上圆和下圆均采用节点16等分，各层间节点位置相互对应；

内半球点阵支架结构从上到下依次分为顶层和底层两部分，从上到下相邻两层间的间距依次增加；顶层分为顶点和下表面，即顶点和下圆，下圆采用节点8等分；底层分为上表面和下表面，即上圆和下圆；上圆和下圆均采用节点8等分，各层间节点位置相互对应；

外半球点阵支架结构和内半球点阵支架结构中，第二层、第三层和底层的上圆的相邻两节点、下圆的相邻两节点、上圆与下圆相对应的两节点、上圆的节点与下圆对应相邻的两节点间相连；顶层的下圆各节点均与顶点相连；各节点间采用连杆连接；

内半球点阵支架结构中的底层下圆上的节点分别与外半球点阵支架结构底层下圆上的对应节点、对应相邻的两个节点连接；内半球点阵支架结构中的底层下圆上的节点分别与外半球点阵支架结构底层上圆上的对应节点、对应相邻的两个节点连接；

内半球点阵支架结构中的顶层下圆上的节点分别与外半球点阵支架结构第二层下圆上的对应节点、对应相邻的两个节点进行连接；内半球点阵支架结构中的顶层下圆上的节点分别与外半球点阵支架结构第二层上圆上的对应节点、对应相邻的两个节点进行连接；

内半球点阵支架结构中的顶层下圆上的节点分别与外半球点阵支架结构第三层下圆上的对应节点、对应相邻的两个节点进行连接；

内半球点阵支架结构中的底层下圆上的节点与底层下圆上的圆心进行连接；

内半球点阵支架结构的顶点与外半球点阵支架结构的顶点进行连接。

仿生股骨头模型的特点：

1.半球型。因为人类的自然股骨头近似半球形；

2.点阵夹层结构，模型全部是由杆件连接组成；

3.半球模型从球心由内向外层层扩展，理论上可以形成n层夹层结构；

4.可以通过控制不同层间的杆件的横截面积来改变整个模型的梯度分布；

5.同样可以通过控制不同层间杆件的杆长来改变整个模型的梯度分布；另，梯度分布种类大致可以分为：外疏内密梯度，均匀梯度，外密内疏梯度。

本发明的有益效果：借鉴人类真实股骨头的特性，设计出未来可以替代坏死或损坏的骨头的模型，同时利用3d打印技术及时进行骨移植替代物制造，从而改善人们的生活。

附图说明

图1为仿生股骨头点阵支架模型主视图。

图2为仿生股骨头点阵支架模型仰视图。

图3为仿生股骨头点阵支架模型俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种仿生股骨头模型的设计方法，步骤如下：

(1)建立球坐标系，即点的坐标为r代表半径，θ代表x-y平面上点跟原点的连线与x轴的夹角，代表球坐标系中的点跟原点的连线与x-y平面的夹角；

(2)建立内层杆和内层与外层之间的连杆

(2.1)首先选定过原点的初平面s1平面，最初设为x-y平面；在s1平面上建立半径为a的圆上相邻的三个点，每个点与圆心所成圆心角为45度，设第一个点为p1；再建立以半径为2a的圆上相邻的三个点，每个点与圆心所成圆心角为22.5度；

(2.2)再改变为22.5度，在此平面上建立半径为2a的圆上相邻的三个点，每个点与圆心所成圆心角为22.5度；再改变为45度，在此平面上建立半径为a的圆上相邻的三个点，每个点与圆心所成圆心角为45度；再建立与不在s1平面上本步骤中的六个点关于s1平面镜像对称的六个对应点，将p1与步骤(2)其余所有点进行连接；如果p1的θ值为180度，则其余点的θ值也为180度的点不与p1连接；

将p1的θ值增加45度，则此点即为p2，重复步骤(2)建立过程，以此类推，共重复2次；

(3)连接半球底层下圆剩余的杆件

(3.1)在s1平面上，在半径为a的圆上建立一个点，设为p4；在半径为2a的圆上也建立一个点；

(3.2)旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个点；旋转工作平面，使为45度，在半径为a的圆上建立一个点；再建立与不在s1平面上本步骤中的两个点关于s1平面镜像对称的两个对应点；将p4与步骤(3)其余点进行连接；上述所建立的各点的θ值都为0；

(3.3)同样，在s1平面上，在半径为a的圆上建立一个点，设为p5；在半径为2a的圆上也建立一个点；

(3.4)旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个点；旋转工作平面，使为45度，在半径为a的圆上建立一个点；再建立与不在s1平面上本步骤中的两个点关于s1平面镜像对称的两个点；将p5与其余点进行连接；上述所建立的各点的θ值都为180；

(4)连接处于半球边线的杆件

(4.1)在s1平面上，在半径为a的圆上建立一个θ值为0的点，设为p6；在半径为2a的圆上建立一个θ值为22.5的点；

(4.2)然后旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个θ值为22.5的点；同样，再做关于s1平面镜像对称的一个点；将p6与步骤(4)其余点进行连接；

(5)连接处于半球边线的杆件

(5.1)在s1平面上，在半径为a的圆上建立一个θ值为180的点，设为p7；在半径为2a的圆上建立一个θ值为167.5的点；

(5.2)然后旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个θ值为167.5的点；同样，再做关于s1平面镜像对称的一个点；将p7与步骤(5)其余点进行连接；

(6)将s1平面绕z轴旋转45度，此平面即为s2平面，重复步骤(2)-(5)，以此类推，共重复3次；

(7)连接最外层半球的杆件

首先选定过原点的初平面s5平面，最初设为x-y平面；在s5平面上建立半径为2a上相邻的三个点，每个点与圆心所成圆心角为22.5度，设第一个点为n1；再改变使为22.5度，在s5平面上建立半径为2a上相邻的三个点，同样每个点与圆心所成圆心角为22.5度；同样，再建立相同的与s1平面镜像对称的三个点；将n1与步骤(7)其余点进行连接；如果p6的θ值为180度，则其余点中θ值也为180度的点不与n1连接；

然后将n1的θ值增加22.5度，则此点即为n2，重复步骤(2)建立过程，以此类推，重复6次；

(8)连接半球底面剩余的杆件

(8.1)在s5平面上，在半径为2a的圆上建立一个点，设为n8；

(8.2)然后旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个点；同样，再做关于s5平面镜像对称的一个点；将n8与步骤(8)其余点进行连接；上述所建立的各点的θ值都为0度；

(8.3)同样，将工作平面重新旋转到s5平面，在半径为2a的圆上建立一个点，设为n9；

(8.4)然后旋转工作平面，使为22.5度，在半径为2a的圆上建立一个点；同样，再做关于s5平面镜像对称的一个点；将n9与步骤(8)其余点进行连接；上述所建立的各点的θ值都为180度；

(9)将s5平面绕z轴旋转22.5度，将此平面设置为s6平面，重复(7)-(8)步骤，以此类推，共重复7次；

(10)连接最内层的杆件

将工作平面初始化为x-y平面，建立半径为a，θ值为22.5度和45度的各两个点；然后绕z轴旋转工作平面，使为45，重复上述点的建立，共重复8次，将建立的所有点与原点进行连接；最后将x-y平面上，θ值为90度的点与原点进行连接。