人工髋关节假体的加工方案及夹具设计

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采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010638367.1(22)申请日 2020.07.06(71)申请人吉林大学地址 130000 吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人张志辉　张晓龙　于征磊　谢鑫宇　孔德印　王金成　任露泉　(74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有限责任公司 22100代理人王怡敏(51)Int.Cl.A61F 2/36(2006.01)(54)发明名称采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法(57)摘要本发明涉及一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体及其制法，属于医疗器械领域。

包括柄颈、柄体、椎体、椎尖，假体上部呈三角形，内侧角度在90°~120°；柄体采用六边形蜂窝结构单元进行轻量化设计；柄体和椎体亦可同时进行轻量化设计，轻量化设计可采用不规则开孔或闭孔结构设计，亦可采用3D晶格结构设计，结构单元优选为金刚石单元、菱形十二面体单元或截立方体单元；椎尖采用实体结构设计。

本发明通过实体模型个性化特征的提取和以轻量化为导向的正向设计，在个性化定制的同时实现了轻量化设计，能够在满足力学性能的前提下减轻髋关节股骨柄假体的重量，实现材料利用率的最大化，同时为骨再生和骨长入提供大量空间，提高了稳定性。

权利要求书1页说明书4页附图3页CN 111728741 A 2020.10.02C N 111728741A1.一种采用轻量化设计的人体个性化髋关节股骨柄假体，其特征在于：包括柄颈(1)、柄体(2)、椎体(3)、椎尖(4)，所述柄体(2)采用六边形蜂窝结构单元进行轻量化设计；柄体(2)和椎体(3)亦可同时进行轻量化设计，所述轻量化设计采用不规则开孔或闭孔结构设计，或者采用3D晶格结构设计，结构单元优选为金刚石单元、菱形十二面体单元或截立方体单元；椎尖(4)采用实体结构设计。

人工髋关节假体产品使用说明书

人工髋关节假体产品使用说明书执行标准：YY0118—93产品注册号：国药管械（准）字2001第3100374号（更）医疗器械生产企业许可证编号：津药管械生产许2000第0023号（更）一结构型式人工髋关节假体仿照人体髋关节的结构，将假体柄部插入股骨髓腔内，利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转，实现股骨的曲伸和运动。

人工髋关节假体分为单极、单极全髋、双动半髋和全髋、可换头部双动半髋和全髋形式。

二主要技术性能指标1材料：股骨头柄分别采用钛合金、钴铬钼合金、超低碳不锈钢材料制造，塑料内臼、髋臼采用无毒超高分子聚乙烯制造，金属杯采用钛合金（与钛合金、钴铬钼合金股骨头柄配合）和超低碳不锈钢材料制造。

2组成：a)单极由股骨头柄组成；b)单极全髋由股骨头柄和塑料髋臼组成；c)双头半髋由股骨头柄、塑料内臼和金属杯组成；d)双动全髋由股骨头柄、塑料内臼、金属杯和塑料髋臼组成。

3加工方法：钛合金产品毛坯采用热等静压的加工方法。

钴铬钼合金采用铸造的加工方法，不锈钢采用锻造的加工方法，后经机加工成型，并经过表面处理而成。

三产品适应症适用于陈旧性股骨颈骨折不愈合；股骨头缺血性坏死；治疗性髋关节结核；股骨头骨肿瘤；扁平髋；疼痛较重、影响髋关节功能的骨性关节炎；60岁以上老年人的新鲜股骨颈头下部骨折等病症。

产品置换原关节后可部分替代关节的功能。

四使用方法1产品的选择：产品根据临床需要，头部直径分为38mm～52mm，每隔2mm为一种规格。

手术前，用卡尺根据X光片测量被替换的股骨头和髋臼尺寸，根据病人的胖瘦，按照1.2~1.1的放大率测算。

例如：X光片显示头部直径55mm，即55mm/1.1mm=50mm 或55mm/1.2=46mm，则手术前应准备46、48、50mm的股骨头，消毒后备用。

2消毒方法（适用于非灭菌关节）：消毒时将金属杯、塑料臼和头柄拆开，金属杯和头柄可采用高压蒸汽消毒、煮沸消毒或灭菌液浸泡30分钟消毒均可；塑料臼建议采用灭菌液浸泡30分钟消毒，切勿采用高压蒸煮，以免产生塑料臼变形等问题。

人工髋关节股骨柄假体设计的若干基础

人工髋关节股骨柄假体设计的若干基础
引言
❖ 全髋置换术(THA)能有效恢复终极病变髋关节的功能
❖ 选择不同设计的股骨柄假体对THA术后的疗效常产生重要影响
各类股骨柄
假体的几何形态设计
重
点
阐
各类股骨柄
述
假体的表面
设计
股骨柄假体置入的髓腔
处理
第一部分
骨水泥型股骨柄（cemented femoral stem, CFS）假体的设计
❖ 临床报道:Exeter假体18年的生存率高达93 .3% ❖ Yates(2008)191髋,10年生存率100%.
形态匹配型假体
设计特点
假体近端带颈领设计 , 远端中置装置内含骨水泥.
形态匹配型骨水泥股骨
柄假体
直
解
干
剖
型
型
直干式形态匹配型股骨柄假体
VerSys (Zimmer)
Perfecta (Wright)
或称锥形载荷 (loaded tapers design )
形态匹配型（shape-closed design， SCD）
或称组合梁（composite beam design）
力学匹配型假体
假体近端无颈领设计 ,
表面光滑,远端采用
设
充气型中置装置
计
特
点
假体冠状面，矢状面
和横断面均呈锥形
可获得假体的再稳定,有效避免股骨近段的应力遮挡
第一代：
HG（Zimmer）中期
34%
PCA(Stryker) 15年
28%-57%
APR-I
中期
AML(Depuyy) 20年 Zweymuller 10-13年 100%

人工髋关节的发展与设计

. biologically fixed prosthesis. Clin Orthop Relat Res 2001;(393):128–136
保留骨量
保留股骨颈的CFP
表面置换
世界前七大品牌
以上占全球91%的市场份额
1940年以前 1891年德国Gluck使用象牙材料 1923年美国Petersen 使用玻璃材料 1938年美国Petersen 使用钴铬钼合金
1940年-1958年 1940年美国Valls和Towmely使用短弯柄股骨柄假体 1950年Moore型自锁钴铬钼假体问世 1956年第一代金属对金属髋关节假体问世Mckee
大直径球头
大直径球头的应用，显著增加关节活动范围，降低因活动造成撞击的可能性。
高交联PE
内衬的新材料应用
维生素E强化PE
PEEK（ Stry骨柄（Zimmer）
Glassman AH, Crowninshield RD, Schenck R, et al. A low stiffness composite
Zimmer CPT
S&N SPECTRON and Synergy Zimmer Advocate
股骨柄组件的设计四领托：有领、无领、组配
股骨柄组件的设计五颈：
固定式
组配式
股骨柄组件的设计六材质
不锈钢
钴铬钼合金
钛合金
股骨柄组件的设计七短柄假体
LINK CFP
Aesculapi Metha
金属
髋臼的设计一杯多衬
Depuy Pinnacle
Link Betacup
髋臼的设计
压配式
螺旋式
髋臼的设计螺钉孔固定方式

人工关节制造工艺流程

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在开始人工关节制造之前，需要进行全面深入的设计与研发工作。

人工关节加工工艺

人工关节加工工艺
人工关节加工工艺是一种非常重要的加工技术，也叫“轴承关节加工”。

它是将多个零件组装到一个关节上，形成一体化的整体，并可以很好地提供连接、强度和稳定性。

人工关节加工技术的优势在于可以实现准确的位置控制，精度可达到0.1mm，使用寿命非常长，抗冲击能力强，耐磨性能好，可以满足大多数现代机械设备的要求。

人工关节加工工艺主要由三部分组成：切削加工、焊接加工和表面处理。

具体步骤如下：
1、切削加工：切削加工是人工关节加工工艺中必不可少的步骤，主要目的是将各个零件切削成所需要的形状和尺寸，使它们更好地组合成一个完整的关节单元。

一般来说，在这个步骤中通常采用高速钢刀具、铣刀等工具来完成切削加工，以确保它们的精度和高质量。

2、焊接加工：焊接加工是人工关节加工工艺中也非常重要的一步，主要是将各个切削完成的部件通过焊接组装起来，使它们变成一个完整的关节单元。

一般来说，焊接加工中采用的方法有电阻焊、氩弧焊、电子束焊等，根据不同情况采用不同的焊接方法。

3、表面处理：表面处理是人工关节加工工艺中最后一步，主要是为了改善关节表面的外观、耐磨性和抗腐蚀性
能。

一般来说，表面处理的方法有抛光、镀层、涂层等，根据具体情况采用不同的表面处理方法，以提高人工关节的使用寿命。

人工关节加工工艺是一种非常重要的加工技术，具有准确的位置控制、高精度、高耐磨性、强抗冲击性、良好的稳定性等优势，是现代机械设备开发和制造的重要技术手段。

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人工髋关节假体的加工方案及夹具设计
*
上海交通大学 (200030) 姚振强
*国家教委博士点基金资助
摘要　本文提出一种加工人工髋关节假体这一特殊零件的加工工艺方案,设计了相应的夹具及装夹方案。

使用该方案及夹具,可以保证获得准确的假体颈、干夹角以及其它颈、干相对位置要求;并能在普通车床加工出颈部圆锥段和圆柱段。

或在数控车床上加工出假体关节球头。

利用所设计的专用夹具,在M A HO 数控加工中心M H600C 上加工出假体干上与股骨髓腔匹配段的假体轮廓段,之后再用普通车床加工出假体干的圆柱段部分。

本文设计的加工方案与夹具的特点是工装简单,定位可靠、装夹方便,尤其是粗、精加工各工序都能保证颈、干轴线间的相对位置。

关键词　人工髋关节假体　加工方案　工装夹具
一、人工髋关节假体的结构特点
定做式人工髋关节假体的结构如图1所示,其主体部分为假体干,上部倾斜外伸段为假体颈。

假体颈与假体干的轴线为空间两条交错直线。

在主视图平面,即平行于颈、干轴线的投影面内两者的夹角α为假体的颈、干夹角,它与假体颈、干轴线在主投影面内的交点位置k ,以及在俯视图内假体颈、干轴线投影线的距离δ是确定假体颈、干轴线相对位置的三个基本参数。

在装夹及加工中必须得到确定。

图1　定做式人工髋关节假体结构
髋关节假体一般有两种基本结构,一种是髋关节假体与髋球为可分式,两者通过锥面配合联接;另一种是髋关节假体与髋球作为一体。

无论何种结构,在加工中都要解决三个问题:一是如何装夹来加工颈部(及头部);二是如何在分别加工假体干和假体颈的时候保证假体颈、干(轴线)之间的相对位置;三是假体干与骨髓腔的匹配段的横截面轮廓为自由曲线,需要用多轴联动的数控机床加工。

此外,要尽量用简单夹具及普通机床加工假体的非自由型面部分以降低加工成本。

人工髋关节假体所用材料为钛合金或钴铬钼合金,两者的加工工艺性均较差。

二、假体毛坯及假体颈部的装夹与加工方案设计
假体毛坯拟采用锻件。

其基本形状为棒料,上段根据颈
干角的大小锻弯,匹配段以下部分作适当拔长。

加工段体毛坯下段部分,一次装夹加工出匹配段下方的工艺柱、工艺锥、端部细牙螺纹及中间柱段以保证同轴度要求。

在假体毛坯上段,背向假体颈的方向,铣削加工-工艺面
平行于假体下段的工艺柱的轴线。

假体颈的加工装夹方案如图2所示。

将假体毛坯装在阶梯形的安装板左端的定位工艺柱孔内,通过套筒、垫板和联结螺母使假体毛坯不能相对安装板移动。

利用楔形块与假体工艺平面的接触,限制假体相对于安装板的转动。

安装板通过四个六角螺钉与支持基柱相联结。

上部压板通过螺钉与安装板相联以防楔块定位失效。

压板右端安装平衡配重,用以减少加工中的振动。

假体颈、干角的变化通过使用不同支持面倾角的支持基柱来实现;颈、干轴线在水平面的相对位置(距离)通过调节安装板与支持基柱的安装位置来调节,在垂直方向的相对位置通过假体毛坯工艺柱上垂直面的位置来确定。

图2　假体颈的加工方案与夹具
三、假体干匹配段的装夹及加工方案设计
假体干与骨髓腔匹配段自由型面的加工需要在数控机床上进行。

本文设计的加工方案拟在M A HO 数控加工中心M H600C [1]上实现。

主切削运动是指状铣刀绕水平轴的旋转
运动,进给运动是指状铣刀沿径向的往复移动及装有工件的安装底盘的定轴转动。

底盘上有一 30H 的安装定位孔。

此外有7条相距63毫米的T 型槽用于工件及其安装夹具的固定。

安装工件的专用夹具设计成如图3所示的结构。

通过假体毛坯上的短工艺锥和下端柱面实现假体毛坯在夹具体上的定位,并通过假体毛坯轴端螺母使之夹紧;一对楔形键用
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29—《机械设计与研究》1997No .2
图3　假体干非标准形面的加工方案与夹具以防止假体毛坯相对于夹具的转动。

夹具底部通过大平面短圆柱定位在机床底盘;夹具底板的定位销插入机床回转底盘的T 形槽,以实现夹具相对于机床回转底盘的周向定位并防止两者间的相对转动。

由于假体毛坯上部工艺面、楔形销底面、及假体底部定位短柱中心与定位销中心联线三者之间相互平行,因
而在加工假体匹配段时颈。

干相对位置不会改变。

匹配段的横截面轮廓的极坐标参数也能得到准确保证。

四、假体其它成型段的加工
假体颈与假体干匹配段之间的过渡段可在数控加工中心加工完假体干匹配段后,用立铣刀加工出过渡段除假体颈之外的其它各侧面和顶面。

并在顶面与假体干轴线的交点打出顶尖孔。

假体下段圆柱段的加工用假体下段多余的圆柱段作为装夹定位,上端用顶锥顶住顶尖孔,车出最终柱面。

五、小结
本文根据具体人工关节假体的结构,设计了一套完整的假体加工方案。

系统考虑了在加工假体各部分的过程中假体各主要参数精度的保证。

所设计的用于加工假体颈与假体干的专用夹具能保证颈、干轴线之间的相对位置以及匹配段轮廓与假体颈轴线的相对位置。

该套夹具结构简单,安装使用方便,通用性强。

既可用于假体球头与假体颈为一体的假体(在数控车床加工),又可用于两者分离的假体(在普通车床上加工)。

既能用于假体干下段为柱体的假体的加工,也能用于整个假体干截面均为非标准的自由曲线的假体的加工。

参考文献
　1　上海交通大学中德CIM培训中心“M AHO600C说明书”.
Abstract　A practical pr ocess pla n and a co uple o f rela-tiv e fix ture for the pr ocess of ar tificia l hip joint implants with a special sha pe like figur e sev en a re introduced in this paper.The taper par t a t th e neck o f th e implant is pr ocessed with the number o ne fix tur e o n t raditio na l la the,while the 3D shaped par t of the im plant stem is pro cessed with the o ther fix ture on milling ma nufacturing center M A HO600C. T he unique desig n o f the two special fix tur e with simple co nstructio n a ssur es th e accur acy o f the specific param eters such as the ang le and distance betw een neck axis and stem a xis o f the implant.
Key words　Process plan　Fixture design　H ip joint implant
姚振强　男,1962年8月生,中英联合培养博士,副教授,主要从事CAD/C AM及微纳米摩擦学研究,先后在《EI》、《摩擦学学报》等国内外杂志发表论文十余篇。

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《机械设计与研究》1997No.2。