一种股骨柄、设计方法及安装工具与流程

1.本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种股骨柄、设计方法及安装工具。


背景技术：

2.随着老龄化程度的加深，每年髋关节疾病的数量随之不断增加。人工置换髋关节假体成为了治疗的髋关节疾病的最有效的手段，可以明显地改善患者的髋关节生理情况、重建髋关节的生理功能。
3.髋关节假体主要由髋臼杯、内衬、球头、股骨柄组成，股骨柄作为与股骨直接接触并传导支撑力的关键部件，与股骨的结合稳定性直接影响到整个髋关节手术的效果，与病人的术后恢复情况息息相关。例如专利公开号为cn107595441a的中国专利公开了名为股骨柄假体的专利，该股骨柄是通过股骨柄内部的骨水泥通道将骨水泥注入到股骨内腔，起到固定作用，但股骨柄为实体结构，可能会产生应力遮挡现象，且在后期可能会出现股骨柄下沉现象。专利公开号为cn 202724042 u的中国专利公开了一种尖齿型生物固定股骨柄，该股骨柄利用喷涂技术进行涂层处理，两侧面采取尖齿状突起设计，两者都有效提升了股骨柄与股骨的结合稳定性，但不可避免地会出现应力遮挡现象，影响术后效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种股骨柄，通过将股骨柄末端的表面有微小螺钉结构，为股骨柄的前期植入稳定性提供了帮助，再利用股骨柄侧面的斜边螺纹孔与股骨大转子进行连接，使得股骨柄在股骨上具有更高的结合性、稳定性，同时带微小螺纹结构的股骨柄末端与股骨柄上半部分的斜边螺纹孔也对后期股骨柄的下沉现象起到了很好的抑制作用，延长了股骨柄的使用年限。
5.本发明的另一个目的是提供了与股骨柄配套的安装工具，带有卡齿弹片结构的下端可与股骨柄上端的阶梯沉孔相结合锁定，敲击安装工具的主杆的上端，可为股骨柄的打入提供打入力，并且带有t型筒的旋转支架可为斜边螺钉的打入提供导向作用。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种股骨柄，包括：股骨柄主体与股骨柄末端，所述股骨柄主体由内部实体圆柱结构构成，所述股骨柄主体表面设置有多孔结构，所述股骨柄主体的上端面设置有一个阶梯沉孔，所述阶梯沉孔的内壁设置有一对卡齿凹槽，可与安装工具进行连接，所述股骨柄主体的侧壁设置有斜边螺纹孔，所述斜边螺纹孔可通过斜边螺钉连接所述股骨柄主体与股骨大转子，所述股骨柄末端设置在所述股骨柄主体远离所述阶梯沉孔的一端，所述股骨柄末端的表面设置有微小螺纹结构和四个周向均布的导流沟槽。
7.在一种可能的实现方式中，所述多孔结构采用三周期极小曲面(tpms)单元结构，所述多孔结构的孔隙的直径在100um～500um之间，所述孔隙的直径由表面向内逐渐递减，所述多孔结构的孔隙率在60％～95％之间。
8.在一种可能的实现方式中，所述孔隙的直径大小渐变方向与所述股骨柄主体大平
面呈夹角设置，所述夹角的角度分布范围分别为45
°
～55
°
、90
°
或135
°
～145
°
。
9.在一种可能的实现方式中，所述股骨柄主体、实体圆柱、股骨柄末端为3d打印技术一体化成形构件。
10.本发明采用的技术方案是：提供一种股骨柄设计方法，用于设计如前文任意一项所述的股骨柄，其步骤如下：
11.s1、收集大量人体股骨ct数据，利用大数据、人工神经网络技术等计算机辅助技术对人体股骨的股骨颈干角、骨干角度进行识别、记录；
12.s2、利用数学软件在计算机上对股骨的各部位参数进行数值拟合，得到前倾角和骨干角之间的函数关系；
13.s3、基于股骨的特征参数，进行股骨柄的三维建模，并使其参数化；
14.s4、对不同特征参数的股骨柄进行仿真模拟，并进行大数据分析，优选出适合人体机能的参数范围；
15.s5、利用大数据、人工智能技术建立股骨柄参数选配数据库；
16.s6、医生在选配股骨柄时，将患者ct数据上传到股骨柄选配数据库中，计算机进行计算，选择最优化的股骨柄型号，并利用3d打印技术进行一体化制造。
17.本发明采用的技术方案是：提供一种股骨柄安装工具，用于安装如前文任意一项所述的股骨柄，包括主杆、螺纹套筒、旋转支架、u型片、以及t型筒，所述主杆的下端可拆卸的卡装在所述阶梯沉孔内，所述螺纹套筒设置在所述主杆的下端，且与所述主杆螺纹配合，具有在所述主杆轴向上的活动自由度，所述旋转支架设置在所述主杆的中部，且与所述主杆通过销轴转动连接，所述旋转支架的侧壁设置有复位凹槽，所述u型片设置在复位凹槽远离所述销轴的槽底，所述旋转支架向远离所述股骨柄主体的方向旋转至与所述主杆位置重合时，所述主杆远离所述股骨柄主体一端位于所述复位凹槽内，所述u型片挤压所述主杆对所述主杆进行限位，所述t型筒设置在所述旋转支架远离所述销轴的一端。
18.在一种可能的实现方式中，所述t型筒靠近所述主杆下端的一端设置有卡盘，所述卡盘为筒状结构，所述卡盘用于装配外置的导向套筒，所述导向套筒用于配合所述斜边螺钉的定位、植入。
19.在一种可能的实现方式中，所述卡盘包括螺纹片、卡齿、限位盘，所述卡齿设置在所述螺纹片与所述限位盘之间，所述限位盘靠近所述螺纹片的一端设置有限位槽，所述限位槽沿所述限位盘的周向设置有多个，所述卡齿与所述限位槽相互匹配，所述卡齿具有沿所述限位盘径向方向上移动的自由度，所述螺纹片套设在所述导向套筒上，所述螺纹片与所述卡齿螺纹配合，所述螺纹片外壁上设置有适于六角扳手插入的六角沉孔，所述六角扳手可转动所述螺纹片，驱动所述卡齿在所限位槽里径向移动，所述卡齿对插入到所述t型筒中的所述导向套筒进行锁定。
20.在一种可能的实现方式中，所述主杆靠近所述股骨柄主体的一端设置有卡齿弹片，所述卡齿弹片沿所述主杆的周向设置有多个，所述卡齿弹片向所述主杆外侧扩散，将所述卡齿弹片插入所述阶梯沉孔，移动所述螺纹套筒实现所述卡齿弹片扩散角度的改变，实现对所述股骨柄主体的锁定/解锁。
21.在一种可能的实现方式中，所述主杆上设置有卡装块，所述卡装块设置在所述销轴靠近所述螺纹套筒一侧，所述卡装块对所述旋转支架的转动进行限位，所述旋转支架转
动至所述卡装块位置时，所述t型筒的轴线与所述斜边螺纹孔轴线重合。
22.本发明提供的一种股骨柄的有益效果在于：
23.与现有技术相比，股骨柄采用三周期极小曲面(tpms)单元结构的多孔结构，且采用梯度渐变的分布方式，解决了传统股骨柄应力遮挡问题，促进了股骨柄与股骨组织之间的骨组织生长；股骨柄内部的实心结构，可为股骨柄整体的强度提供保障，确保股骨柄的使用寿命；与股骨柄配套的安装工具可使得股骨柄的安装过程更加简便快捷，减少手术时间；提供了一种股骨柄的设计方法，对3d打印技术背景下的股骨柄设计提供了一种新的设计思路。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的股骨柄的剖视结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的股骨柄及安装工具的工作状态正视结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的安装工具的合拢状态正视结构示意图；
28.图4为本发明实施例所采用的主杆的正视结构示意图；
29.图5为本发明实施例所采用的u型片的结构示意图；
30.图6为本发明实施例所采用的旋转支架的结构示意图；
31.图7为本发明实施例所采用的t型筒的结构示意图；
32.图8为本发明实施例所采用的卡盘的拆分结构示意图；
33.图9为本发明实施例所采用的股骨柄设计方法的流程示意图；
34.图10为本发明实施例所采用的多孔结构的结构示意图；
35.图11为本发明实施例所采用的多孔结构孔隙大小渐变方向一的结构示意图；
36.图12为本发明实施例所采用的多孔结构孔隙大小渐变方向二的结构示意图；
37.图13为本发明实施例所采用的多孔结构孔隙大小渐变方向三的结构示意图。
38.图中：1、股骨柄；101、多孔结构；α、方向一；β、方向二；γ、方向三；102、实体圆柱；103、股骨柄末端；104、斜边螺纹孔；105、阶梯沉孔；2、主杆；201、主杆螺纹；202、卡齿弹片；203、卡装块；3、螺纹套筒；4、旋转支架；401、复位凹槽；402、定位柱；5、u型片；6、t型筒；7、卡盘；701、螺纹片；702、卡齿；703、限位盘。
具体实施方式
39.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.如图1、图2所示，股骨柄1，股骨柄1包括股骨柄主体与股骨柄末端103，股骨柄主体由外部多孔结构101与实体圆柱102组成，多孔结构101可与股骨组织进行紧密结合，提升股骨柄1的整体稳定性，实体圆柱102可提高股骨柄1的强度，股骨柄末端103完全为实体结构，
且表面具有微小螺纹结构与导流沟槽，微小螺纹结构与导流沟槽的设置为股骨柄末端103弥补了实体结构不能疏通股骨血液、营养物质的不足，股骨柄1的侧边具有一个周围具有一定厚度的实体的斜边螺纹孔104，可通过斜边螺钉将股骨柄1与股骨大转子进行连接，提高股骨柄1的稳定性，在股骨柄1的上平面设置有一阶梯沉孔105，可与安装工具配合连接，股骨柄1的多孔结构101的整体微观结构为不规则的曲面多孔结构101，多孔结构101的构成单元为三周期极小曲面(tpms)单元结构，多孔结构101的孔隙直径在100um～500um之间，孔隙率在60％～95％之间，股骨柄主体表面的多孔结构101的孔隙直径为500um，并逐渐向内递减，表层的稀疏多孔结构101促进了股骨组织与毛细血管的生长，而内部不断致密的多孔结构101提高了多孔结构101与股骨柄1的实体部分的过渡结合区域的结合性，整体的多孔结构101为股骨在运输营养物质、微量元素、水等提供了通道，降低了术后并发症，促进患者身体快速恢复。
41.如图10至图13所示，多孔结构101孔隙大小渐变方向包括方向一α、方向二β、方向三γ，方向一α、方向二β、方向三γ为多孔结构101孔隙大小渐变方向与股骨柄主体两侧大平面所成角度，方向一的角度范围在45
°
到55
°
之间，方向二的角度为90
°
，即多孔结构101孔隙大小渐变方向与股骨柄主体两侧大平面呈垂直形式，方向三的角度范围在135
°
到145
°
之间，不同的孔隙大小渐变方向的分布形式对股骨柄1整体的性能有着不用程度的改变，使得股骨柄1可以多元化地匹配不同骨质情况的人体股骨。
42.如图9所示，本发明还提出一种关于股骨柄1的设计方法，以下是其设计步骤：
43.s1、收集大量人体股骨ct数据，利用大数据、人工神经网络技术等计算机辅助技术对人体股骨的股骨颈干角，股骨前倾角等关键进行识别记录；
44.s2、利用数学软件在计算机上对股骨的各部位参数进行数值拟合，得到前倾角和骨干角之间的函数关系；
45.s3、基于股骨的特征参数，进行股骨柄1的三维建模，并使其参数化；
46.s4、对不同特征参数的股骨柄1进行仿真模拟，并进行大数据分析，优选出适合人体机能的参数范围；
47.s5、利用大数据、人工智能技术建立股骨柄1参数——股骨参数的选配数据库；
48.s6、医生在选配股骨柄1时，将患者ct上传到选配数据库中，计算机自动进行最优化选择合适的股骨柄1型号，并进行个性化3d打印制造。
49.此设计方法大大提高了股骨柄1设计的效率，以及股骨柄1与患者的匹配度，延长了股骨柄1的使用寿命。
50.如图2至图6所示，安装工具包括主杆2、螺纹套筒3、旋转支架4、u型片5、t型筒6、卡盘7，螺纹套筒3内壁具有螺纹，主杆2的下端有两个与主杆2轴线呈锐角的卡齿弹片202，卡齿弹片202的自由端设置有卡块，阶梯沉孔105的内壁设置有与卡块相匹配的卡齿凹槽，卡齿凹槽进行配合主杆上设置有主杆螺纹201，螺纹套筒3套设在主杆2上并与主杆螺纹201配合，转动螺纹套筒3可使其沿着主杆2向下移动时，主杆2的卡齿弹片202被迫径向压迫移动，主杆2与股骨柄1处于松连接状态，当螺纹套筒3向上移动时，主杆2与股骨柄1处于锁定连接或者不可连接状态，旋转支架4具有和主杆2配合的复位凹槽401，u型片5焊接在复位凹槽401中且靠近定位柱402的方向，当安装工具整体为合拢状态时，主杆2的顶部与u型片5进行挤压接触，限制旋转支架4发生自旋转，保持其合拢的稳定性，t型筒6有一定位孔，旋转支架
4顶部的设置有定位柱402，定位柱402与定位孔相配合，将t型筒6与旋转支架4通过焊接方式进行固定，主杆2上设置有卡装块203，卡装块203设置在销轴靠近螺纹套筒3一侧，卡装块203对旋转支架4的转动进行限位，旋转支架4转动至卡装块203位置时，t型筒6的轴线与斜边螺纹孔104轴线重合，外置导向套筒可通过t型筒6上的卡盘7锁定。
51.如图7～8所示，卡盘7包括螺纹片701、卡齿702、限位盘703，卡盘7在t型筒6的圆筒部分靠近主杆2下端的一端，其中螺纹片701安装在圆筒部分的阶梯面上，且螺纹片701外壁上有一六角凹槽，可配合六角扳手进行转动，限位盘703与t型筒6通过环状的凹槽与凸起进行轴向定位，并且均具有3个周向均布的矩形的限位槽，将卡齿702装入限位槽后，进行调试稳定后限位盘703与t型筒6通过焊接固定，螺纹片701表面有螺纹，卡齿702的底面也具有螺纹结构，两者可相互配合，通过六角扳手转动螺纹片701，可驱动卡齿702在限位槽中沿着径向直线移动，三个卡齿702可共同将导向套筒进行锁定，方便对钻头进行导向。
52.具体安装步骤：
53.步骤1：将股骨柄1放入事先做好准备工作的股骨内腔之中，此时股骨柄1与股骨的结合程度很轻。
54.步骤2：如图8所示，安装工具的主杆2与旋转支架4处于合拢状态，转动螺纹套筒3使得卡齿弹片202向内合拢，将其插入股骨柄1的上平面的阶梯沉孔105中，转动螺纹套筒3，使得卡齿弹片202的齿形部分与阶梯沉孔105的卡齿凹槽进行配合，对安装工具在股骨柄主体1上的位置与方向进行锁定。
55.步骤3：如图1、图8所示，握住主杆2下端，转动旋转支架4，并使其到达卡装块203位置，t型筒6的筒轴与股骨柄主体1的斜边螺纹孔104的轴线重合，用小锤敲击主杆2的顶端，使得股骨柄1与股骨紧密结合。
56.步骤4：如图4、图5所示，外部的导向套筒可放入t型筒6中，用六角扳手转动螺纹片701，卡齿702径向移动并锁定外部导向套筒，为后续的钻孔提供导向功能。
57.以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。