人工关节cadcam相关理论及其关键技术研究

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1、武汉理工大学博士学位论文人工关节CAD／CAM相关理论及其关键垫查堑壅摘要人工关节种类繁多，每位患者的关节形状和尺寸也不相同，目前人工关节主要是进行标准化系列化生产。标准系列化的人工关节产品，由于人工关节柄与骨髓腔不能形成紧密的解剖匹配，从而使负荷传递、应力分布不均，容易导致手术后的并发症，降低人工关节的使用寿命。将CAD／CAM技术应用于人工关节和人造骨的外形以及微观仿生设计、制造和模拟生物材料在生物体内的降解过程，使得个性化人工关节的设计、制造以及应用成为现实。从而可实现人工关节与患者股骨解剖结构匹配，

2、在几何学和力学上实现了针对单个患者的最优设计，植入区应力分布得到良好的控制，人工关节获得了最佳固定，使患者的关节功能获得最好的恢复。这不仅可以极大地减轻患者痛苦，而且提高了手术的成功率和治疗效果。本文针对人工关节CAD／CAM系统中的一些共性问题和关键技术开展了研究，内容涉及医学图像处理与分析、人工关节三维重建的理论与方法、基于RP技术的人工骨仿生设计与制造以及生物材料在生物体内降解过程的模拟研究。同时开发了一个基于医学图像处理、三维重建、快速成型技术以及生物材料降解模拟的人工关节CAD／CAM系统。通过对

3、这些方面重点和系统的研究，主要研究内容和结论如下：1．实现了对符合DICOM协议的cT文件解码，对获得的人体关节CT文件图象进行图象处理，实现了以CT值为特征值的K．均值聚类分割以及基于B样条的轮廓提取和矢量化方法，建立了基于断层图象轮廓数据的三维数据场。2．研究了人工关节三维几何重建中的关键技术，根据生物体的几何形状具有连续性和完整性的特点，提出采用重合度最大和形状特征点几何变换的内定位法。并对内定位法进行了改进，取得了较好的效果。3．论述了MarchingCubes算法抽取等值面的基本原理与实现方法。针

4、对MC算法数据量大和显示速度慢的不足，提出采用边界跟踪确定边界立方体和采用立方体棱边的中点代替三次插值计算作为三角片的顶点，减少处理的立方体数量和计算时间，提高了显示和重建的效率。4．首次尝试将分形理论运用于人体骨微观结构建模之中，提出了基于分形——茎望堡三查兰堡主兰垡笙兰叁三苎堇!!!!!坐塑茎些垦墨茎茎壁塾查型壅——一理论和蒙特卡洛方法的人体骨仿生微观结构设计的算法。该方法能有效地描述人体骨多连通非均质细胞载体框架以及人体骨仿生微观结构设计和建模技术，并在可视化环境下设计人工骨支架的三维结构。5．开发出

5、适用于生物陶瓷人工关节的CAD／CAM接口软件，能自动生成STL文件，并采用双向链表数据结构，对STL数据模型进行分段切片处理，提高实时切片效率，为人工骨的结构设计和快速成型制造联结了一座桥梁。6．研究了材料的晶粒长大与材料降解之间的关系，应用晶粒长大理论，建立了材料降解的理论模型，同时对六边形细胞模型进行了研究。7．首次提出并建立了生物材料降解三维模型及其模拟算法，实现了生物材料降解过程的可视化仿真，并将模拟结果与实际研究结果进行对比，两者具有较好的相关性，证明了生物材料在体降解过程的模型的合理性。为仿真

6、模型应用于生物材料的优化设计与新材料研究提供了科学手段和方法。8．开发了以项目管理为中心的个性化人工关节的CAD／CAM系统，给出了系统的结构框架，并对各功能模块进行了定义。提出应用面向对象技术对系统中的数据进行组织，建立相应的数据结构，从而能很好地描述人工关节CAD／CAM系统数据的结构层次。关键词：人工关节，图象处理，图象分割，三维几何重建，仿生设计与制造降解过程模拟，CAD／CAMIl堕堡堡三查兰竖．!兰堡堡兰△三墨羔!!!!!型塑苎些笙丝墨茎堡塑苎型竖王———一AbstractThereisawid

7、evarietyofartificialjoint．Differentpatienthasartificialjointofdifferentsizeandshape．Atpresent，themanufactureofartificialisstandardizedandserialized．Becausethatthestemofartificialjointcannotmatchwithmarrowcavityclosely,thedistributionofstressandloadtransmis

8、sionisuneven．Asaresult．thestandardartificialjointproductseriationmayleadstocomplicationsafteroperationaswellasthedecreaseofartificialjointlife．WeapplytheCAD&CAMtechnologyintothebionicdesignandmanufactureofart