第三章 人工髋关节的设计
3.4 人工髋关节股骨头的设计
人工髋关节股骨头是本次的重点设计研究对象，针对现有研究的不足之处，本次研究主要是补充人工髋关节股骨头表面的形态设计。主要指，在人工股骨头上加工不同大小和排布方式的微孔。 3.4.1 思想来源介绍
马是比较善于奔跑且耐力很强的动物，它在奔跑过程中，前腿要承受很大
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力的冲击，但其依然能轻快如飞并且很少受伤。经过不断的研究，最终拉普夫发现马腿骨头的构造有一特别之处，即马腿第三掌骨上有一个毫不起眼的天然小孔，也是它令马腿能在奔驰中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力(如图3.2)。
图3.2 马腿第三掌骨示意图
研究人员利用精密的仪器和技术，分析研究了马腿第三掌骨的小孔及其周围的细微结构，然后运用电脑模拟软件模拟了马腿骨在承受不同压力时的表现。结果他们发现，这个小孔不仅能使血管穿入骨组织为其供血，而且在马腿掌骨承受较大压力时，掌骨会自动把小孔所承受的巨大压力分散到周围的坚固部位。也就是说，小孔的存在不仅没有加重应力集中现象，反而有效的改善了应力集中。
类似的思想，在人工关节股骨头上加工一些微观形态，例如微孔。如果其分布合理，不仅能够有效的降低应力集中，而且因为微孔存储了更多的润滑体
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液，能够减少髋关节的干摩擦现象，大大降低股骨头和髋臼的摩擦磨损，从而有效延长其使用寿命。 3.4.2 专利介绍
美国
汉斯提出了一种带有凹槽的球帽结构，这种结构不仅有效降低了
材料成本，最关键的是实现了关节头与球窝之间摩擦的最小化，有效降低了人工髋关节股骨头的摩擦磨损，实现了延长人工髋关节置换术后关节使用寿命的目的。另外，在关节植入后，关节头与球窝之间的真空部分充满了滑膜液，滑膜液的存在意义重大，不仅具有润滑的作用。当髋关节部分受力时，它起到了缓冲的作用；当关节头和球窝之间存在磨损颗粒时，它起到清洗的作用；并且，它能够有效的抑制关节的脱臼。
结构提出：关节头的表面可以分为三个区域，关节头的P部分光滑，无任何表面形态的加工；关节头的Z部分，加工均匀分布的凹孔，孔的宽度从1mm到3mm之间；关节头的E部分，加工均匀分布的凹孔，孔的宽度从0.5mm到1mm之间，另外在E部分还分布着从50微米到250微米的微孔（如图3.3）。
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图3.3 美国专利示意图
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功能介绍：P区域是承载区，起到承担负重的作用；中间的Z区域储有大量的滑膜液，此区域主要起到润滑缓冲的作用；E区域可起到润滑的作用。
3.4.3 具体设计步骤
（1）根据所测量的人体髋关节股骨头图像的参数，确定人工股骨头的最小半径R=22.5mm ，运用绘图软件设计出人工股骨头的基本形状。
（2）基于步骤一设计的人工股骨头，在其上设计微观形态（微孔）。微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔对齐，微孔半径R=1mm ，个数N=20 。
（3）所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔错开，微孔半径R=1mm ，个数N=20。
（4）所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔对齐，微孔半径R=0.5mm ，个数N=20 。
（5）所设计的第一排微孔均匀分布在距球心4mm的平面与球体表面相交的部分，微孔半径R=1mm ，个数N=20，第二、三排微孔均匀分布在距球心8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分，微孔半径R=0.5mm ，个数N=20，并且上下微孔对齐。
（6）所设计的第一排微孔均匀分布在距球心4mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=1mm ，个数N=20；第二排微孔均匀分布在距球心8mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=0.5mm ，个数N=20；第三排微孔均匀分布在距球心12mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=1mm ，个数N=20；依次类推，并且各排微孔对齐。
（7）所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔错开，微孔半径R=1mm ，个数N=20（各个结构如图3.4所示）。 另外，柄部与股骨头的连接采用M8的螺纹连接，在人工股骨头上钻直径为8mm ，深度为15mm的螺纹孔，在柄部加工与之相配合的螺栓。装配后的结构（如图3.5所示）。
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（2）
（4） （6）
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（7）
图3.4 股骨头各结构示意图
图3.5 装配示意图
3.5 本章小结
（1）简单介绍了三维绘图软件CATIA及美国汉斯发明的关于人工股骨头的
专利 ，提出了人工髋关节股骨头设计的思想来源，即拉普夫所发现的马腿第三掌骨的小孔及其周围的细微结构，能都有效减少应力集中，从而帮助马腿在奔跑过程中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力。
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