人工股骨头的特殊设计及三维建模

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.013

摘要/Abstract

摘要：

背景：骨水泥型人工髋关节前倾角的调整难度较大，部分地区依靠术中三维导航定向来确保前倾角的准确性，但其高昂的成本使得这一技术的推广前景存在疑问。
目的：设计一种人工股骨头，即具有术中自由调节前倾角、假体柄锁定防止股骨假体脱位、松动的特殊功能，并通过计算机辅助制成三维动态图像，直观展示这种人工股骨头的特殊设计理念。
方法：①根据设计理念采用AutoCAD软件进行绘图，获取人工股骨头设计图纸。②采用3DMAX软件进行三维建模，观察模型的形态及拟真度。
结果与结论：在AutoCAD软件上根据设计要求和设计理念，绘制出人工股骨头设计图纸：①3个锁止孔通道的假体柄，其基底部为刻度盘，旋转刻度盘可改变假体颈的前倾角。②假体颈为齿状圆柱形。使用3D Max软件构建人工股骨头三维模型，其模型的设计、形态及拟真度符合设计要求。说明人工股骨头的三维模型整体结构清晰、设计合理，为人工股骨头的进一步设计提供理论参考依据。

关键词: 骨关节植入物, 数字化骨科, 人工股骨头, 骨水泥, 特殊设计, 三维建模, AutoCAD软件

Abstract:

BACKGROUND: It is difficult to adjust the anteversion angle of cementless hip joint. Some areas rely on the intraoperative three-dimensional navigation technique to ensure the accuracy of the anteversion angle, but its high cost limits the promotion prospects.
OBJECTIVE: To design a kind of artificial femur head, which has special functions to freely adjust the anteversion angle of artificial femur head during operation and lock prosthesis handle to prevent femur prosthesis dislocation and looseness, and to intuitively display the special design concept of this kind of artificial femur head through the three-dimensional dynamic image aided by computer.
METHODS: According to the design idea, AutoCAD software was used to get the design drawings for artificial femur head. The three-dimensional modeling was performed by 3DMax software in order to observe the form and degrees of verisimilitude of model.
RESULTS AND CONCLUSION: The AutoCAD software was used to draw out the design drawings of artificial femur head according to the design requirements and design idea: the prosthesis handle had three lock hole channel and its basal part was for scale, and rotating the scale could change the anteversion angle of prosthesis neck; the shape of the prosthesis neck was dentate cylindrical. The 3DMax software was used to build the three-dimensional model of the artificial femur head, and the design, form and degrees of verisimilitude of the model comply with the design requirements. The whole structure of the three-dimensional model of artificial femur head is clear and the design is reasonable, which can provide a theoretical reference for further design of artificial femur head.

Key words: prostheses and implants, femur head, computers, models

中图分类号:

R318

周勇，邹春华，张朝跃. 人工股骨头的特殊设计及三维建模[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.43.013.

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图/表（结果） 5

2.1 人工股骨头的设计结果使用AutoCAD软件能根据设计者的要求完成有特殊功能人工股骨头的设计，绘制的人工股骨头设计图符合设计要求，利用3DMAX重建新型人工股骨头的外型，其整体构建、局部设计清晰、可单独、联合、旋转动态显示。三维动画演示直观的展示了人工股骨头的形态及设计要点，证明了该设计的思路是可行的，为进一步研发这种人工股骨头提供了重要的理论依据。
人工股骨头整体设计图由假体头、假体颈及假体柄3部分组成，见图1，2：假体头形态为球形；假体颈形态为圆柱体；假体柄近端设计有导向孔，内为齿圈结构，假体柄基底部齿轮为内齿圈，假体颈、柄基底部嵌合成内外齿轮，见图3，4。假体柄颈干角设计为135°；假体柄上由近及远有3个锁止孔通道。

2.2 人工股骨头三维模型的建立采用3D Max8.0建模，得到假体柄、假体颈、假体头、瞄准器的三维模型：设置图形绘制单位为毫米，将人工股骨头设计图纸作为背景分别导入3个视口中，在前视口中创建一长方体，设置大小，依据长方体调整三视口背景尺寸，在前视口下使用Line shape描绘假体柄形态，在顶视口中Star(星型)、Rectangle Shape (二维矩形)绘制假体柄基底部及底部剖面，Loft拾取图像，FFD调整实体，Cylinder Object(圆柱体)绘制锁定钉，Boolean (布尔运算)在假体柄上作出锁止孔通道；Line shape(直线)绘制假体颈形态，Star、Circle Shape(圆形)绘制剖面，Loft拾取图像，放样出实体，Clone(克隆)假体柄实体，Boolean在假体柄上作出导向孔通道，Rectangle绘制刻度盘，Text(文字)输入数值，Move(移动)、Rotate(旋转)将刻度盘放置于假体柄基底部，Group(群组)组合假体柄及刻度盘；Sphere(球形)绘制假体头；Line shape描绘瞄准器形态，Bevel制作出瞄准器，Boolean在瞄准器上作出锁止孔通道；得到假体柄、假体颈、假体头、瞄准器的三维模型，见图5，6。FFD调整模型，使用3D MAX材质附着，高度模拟金属的颜色、光色、反射效果，观察模型的设计、形态及拟真度。

2.3 动画演示新型人工股骨头的整体形态在3DMAX中设置场景、摄影机为清晰地展示手术内容提供最佳的环境。导入假体模型数据，见图7，再次设置假体材质，以便展示新型人工股骨头的形态。

创建关键帧，旋转摄影机，展示假体柄、假体头、假体颈及瞄准器模型，将瞄准器上定位线对准假体柄内齿轮上“0”刻度，置入锁定钉，拔出瞄准器，安放假体颈，旋转齿轮调整前倾角，安装假体头，获得共计57 600多桢影视图像序列素材。使用渲染器进行渲染和合成，完成动画演示，该动画流程简洁、意图清晰，能直观展示人工股骨头的特殊设计意图及整体形态，采用瞄准器可精确定位假体柄锁止孔通道，通过旋转假体柄基底部刻度盘可方便、快捷的改变假体颈的前倾角，见图8。

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引言

材料方法

讨论

3.1 前倾角可调的组配式股骨柄-颈假体全髋关节置换中常规将股骨假体柄前倾角保持15°，但由于股骨颈前倾角存在个体差异或股骨近端存在病理性改变，使股骨颈前倾角存在较大差异，在这种情况下，为保证股骨近端的骨性顺应性，股骨假体柄的前倾角不能也不可能总保持在15°。股骨颈前倾角偏大或偏小的原因主要为成年性髋关节发育不良、陈旧性股骨近端骨折和个体差异性，其股骨颈前倾角范围为3-10°、19°-36°，最大股骨前倾角为36°^[11-12]。人工股骨头前倾角在某些存在解剖变异或需要特殊角度患者的术中定位困难，因此设计该种前倾角可调的组配式股骨柄-颈假体模型。其行星轮系原理为^[13]，见图9。

内齿轮固定：行星轮架输出，中心轮输入

传动比：i =(-Z_C/Z_A) (Z_B/Z_C)=-Z_B/Z_A

i =1- i =1+ Z_B/Z_A=(Z_B+ Z_A)/ Z_A

∵中心轮B固定，A轮输入，H轮输出

∴i就是该行星轮系的传动比

又i =n /n =n_H/n_A=ε_H/ε_A

若已知中心轮A、B的齿数为Z_A、Z_B，中心轮A的输入旋转角度ε_A，即可代入上式求出行星轮架H的转角。

根据该原理设计假体颈为弧形，下端带有外齿圈，假体颈干角设计为135°，假体颈干角的变化对人工关节活动范围没有直接影响, 但对术后患肢长度及力线、关节负重面压力及偏心距产生影响，正常股骨颈干角平均为127°，因为假体头直径较正常股骨头小，故颈干角设计为135°是符合人体解剖结构和生理功能的^[14-15]。假体柄近端设计有导向孔，内为齿圈结构，假体柄基底部齿轮为内齿圈，假体颈、柄基底部嵌合成内外齿轮：内、外齿轮嵌合由内齿圈调整前倾角，内齿圈上刻度盘旋转一个刻度时，前倾角改变2°，刻度为0时，前倾角为15°。假体颈最大偏转角度为+12°。当内齿轮顺时针转动，内齿轮盘上刻度由0到6过程中，股骨头中心位置向左逐步偏转达到+12°。当内齿轮逆时针转动，内齿轮盘上刻度由0到6过程中，股骨头中心位置向右逐步偏转达到-12°。

3.2 假体柄的设计理念锁止孔的设计思路来自于股骨、胫骨髓内钉锁定固定的理念，抗旋转防下沉的功能可以避免近端应力遮挡，防止假体松动与下沉，假体柄上由近及远有3个锁止孔通道，通道可设计为滑动槽或者固定槽，锁定钉经过通道固定，锁定钉的作用是增加假体柄的固定，直至新生骨组织长出。非骨水泥型关节，股骨与假体柄之间初期会出现新的应力分布，置换初期会出现假体柄适应性下沉，假体柄上生物活性涂层，可引导骨早期长入其表面微孔中产生生物自锁固定，临床效果也是令人满意的, 术后很快就与周围骨形成了较强的结合^[16-18]。而滑动槽锁定的设计主要是提供近期机械咬合固定，实现机械咬合固定与生物自锁固定相结合, 从而确保人工关节植入后的远期功能。但是如果假体与骨组织之间的连接不充分或没有充足的骨组织再生，锁定钉就会承受过大的应力，最终发生断裂^[19-24]。

3.3 三维建模的优点计算机辅助绘图及三维建模、动画制作方便，通过使用相关软件可以有效地提高绘图精度，消除手工作图的识差，而且可以提高绘图速度，减少图形重复绘制，节约时间，三维建模可直观地观察设计的形态和拟真度^[25]。采用三维建模方式设计医疗器械可以进一步发挥计算机的作用，其主要优点有：①设计直观：通过设置不同的视点或建立多个视窗，可以方便、直观地对设备进行空间定位，避免了由三维到二维的转换。②易于修改：在一个视窗中对设备位置的调整或者对设备三维模型的修改都会在相关的视图中得到及时反映。③管理简单：所需建立的模型数量少，可生成的视图数量不受限制，各视图之间的有机联系能得到保证，便于设备安装图的自动生成。④观察方便：设计人员可以直接观察设备安装的三维模型，做到如临其境^[26-27]。三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体是可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。

三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成，但是也可以用其它方法生成^[28]。作为点和其它信息集合的数据，三维模型可以手工生成，也可以按照一定的算法生成。现在，三维模型已经用于各种不同的领域。在医疗行业使用它们制作器官的精确模型；电影行业将它们用于活动的人物、物体以及现实电影；视频游戏产业将它们作为计算机与视频游戏中的资源；在科学领域将它们作为化合物的精确模型；建筑业将它们用来展示提议的建筑物或者风景表现；工程界将它们用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域；在最近几十年，地球科学领域开始构建三维地质模型^[29]。三维模型本身是不可见的，可以根据简单的线框在不同细节层次渲染的或者用不同方法进行明暗描绘(shaded)。但是，许多三维模型使用纹理进行覆盖，将纹理排列放到三维模型上的过程称作纹理映射。纹理就是一个图像，但是它可以让模型更加细致并且看起来更加真实。除了纹理之外，其它一些效果也可以用于三维模型以增加真实感^[30]。例如，可以调整曲面法线以实现它们的照亮效果，一些曲面可以使用凸凹纹理映射方法以及其它一些立体渲染的技巧。例如，一些人类或者动物的三维模型中有完整的骨骼系统，这样运动时看起来会更加真实，并且可以通过关节与骨骼控制运动。

3.4 设计的不足与后续展望本设计对人工股骨头的设想进行了初步研究，从目前结果来看，该假体在可调式前倾角及防下沉功能上可能具有较大优势。但是，该假体仍存在许多不足，颈柄结合部是该假体的应力集中部位，远端固定对近端骨质是否存在应力屏蔽效应？后期研发过程中在力学性能有待进一步研究。