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人工关节CAD/CAM相关理论及其关键技术研究

作　者: 陈作炳
导　师: 李世普
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
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/CAM
分类号: R318.17
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 623次
引　用: 6次
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内容摘要


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，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Marching Cubes算法抽取等值面的基本原理与实现方法。针对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，提出了基于分形武汉理工大学博士学位论文人工关节CAD/C胡相关理论及其关键技术研究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/CAM

全文目录


第1章 引言  10-24
  1．1 人工关节CAD／CAM概述  10-12
  1．2 人工关节CAD／CAM国内外研究现状  12-16
    1．2．1 医学图象处理  12-13
    1．2．2 三维几何重建  13-14
    1．2．3 人工关节仿生设计与制造  14-15
    1．2．4 生物陶瓷体内降解过程模拟  15-16
  1．3 人工关节CAD／CAM的研究内容及其关键技术  16-22
    1．3．1 人工关节CAD／CAM系统体系结构  16-17
    1．3．2 数据来源  17
    1．3．3 医学图像处理  17-18
    1．3．4 三维几何重建  18-19
    1．3．5 个性化人工关节设计与制造  19-20
    1．3．6 仿生设计与制造  20-21
    1．3．7 生物材料体内降解机理与降解过程模拟  21-22
  1．4 论文的研究内容与章节安排  22-24
第2章 医学图象处理与轮廓提取  24-39
  2．1 医学图像获取  24-27
    2．1．1 扫描输入  24
    2．1．2 直接获取  24-25
    2．1．3 DICOM协议  25-26
    2．1．4 符合DICOM协议的CT图像解码  26-27
    2．1．5 获取DICOM图片文件信息  27
  2．2 医学图像预处理  27-32
    2．2．1 滤波处理  27-29
    2．2．2 图像尖锐化处理  29-30
    2．2．3 图像分割  30-32
  2．3 轮廓提取  32-38
    2．3．1 基于特征的聚类轮廓分割  32-34
    2．3．2 轮廓跟踪  34-35
    2．3．3 轮廓矢量化  35-37
    2．3．4 三维数据场的建立  37-38
  2．4 本章小结  38-39
第3章 人工关节三维几何重建的理论与方法  39-72
  3．1 人工关节三维几何重建关键技术  39-43
    3．1．1 三维几何重建必须解决的主要问题  39-40
    3．1．2 三维几何重建中的B样条曲面重构  40-41
    3．1．3 纵线的合理选择  41-42
    3．1．4 连续断层截面定位  42
    3．1．5 分支问题的处理  42-43
  3．2 基于规则三维数据场的几何建模  43-45
  3．3 基于CT图象三维几何重建定位方法的实现  45-50
    3．3．1 重合度最大内定位法  45-46
    3．3．2 形状特征点内定位法  46-50
  3．4 基于体素的等值面重建  50-71
    3．4．1 体素模型与等值面定义  51-52
    3．4．2 MC算法的基本原理  52-55
    3．4．3 MC算法存在的问题  55-60
    3．4．4 MC算法的改进  60-64
    3．4．5 等值面的方向平滑处理  64-68
    3．4．6 三角Bernstein-Bezier曲面重构  68-71
  3．5 本章小结  71-72
第4章 人工关节微观仿生结构设计  72-85
  4．1 概述  72-73
  4．2 基于分形理论的人工骨微观结构描述  73-77
    4．2．1 分形的概念  73-75
    4．2．2 分形维数的计算  75-77
    4．2．3 人体骨截面微孔轮廓分形特性研究  77
  4．3 人工骨二维微观仿生结构设计  77-82
    4．3．1 孔隙率的控制  78-79
    4．3．2 自相似微孔结构的获取  79
    4．3．3 避免干涉的约束条件  79-81
    4．3．4 二维微观结构模型的建模  81-82
  4．4 人体骨三维微观结构模型的生成  82-84
  4．5 本章小结  84-85
第5章 人工骨仿生制造关键技术研究  85-96
  5．1 人工骨仿生制造技术路线  85-86
  5．2 快速成型制造技术  86-88
    5．2．1 快速成型技术原理  86-88
    5．2．2 快速成型技术的软件系统  88
  5．3 STL文件的自动生成  88-90
    5．3．1 STL文件格式  89
    5．3．2 STL文件的正确性：  89-90
    5．3．3 STL文件的自动生成：  90
  5．4 实时切片算法  90-95
    5．4．1 切片算法的数据结构  92-94
    5．4．2 人工关节切片算法的程序实现  94-95
  5．5 本章小结  95-96
第6章 生物材料体内降解过程模拟  96-109
  6．1 生物陶瓷人工骨的生物降解特点  96-97
  6．2 晶粒长大与材料降解  97-98
  6．3 多晶材料晶粒长大模型  98-101
    6．3．1 Metropolis模型  99
    6．3．2 Q-state potts算法  99-101
  6．4 生物陶瓷体内降解的物理模型  101-102
  6．5 生物材料体内降过程的模型与算法  102-104
    6．5．1 生物材料体内降解模型  102
    6．5．2 生物材料体内降解模型算法  102-104
  6．6 生物陶瓷体内降解过程模拟  104-107
    6．6．1 降解过程的理论仿真  105-106
    6．6．2 降解过程的实际模拟与作用  106-107
  6．7 本章小结  107-109
第7章 人工关节CAD／CAM系统开发  109-121
  7．1 系统框架与程序流程  109-112
  7．2 系统主要数据结构  112-118
  7．3 开发环境与系统界面  118-120
  7．4 本章小节  120-121
第8章 结论与展望  121-124
  8．1 结论  121-123
  8．2 展望  123-124
参考文献  124-134
博士期间已发表和待发表的论文  134-136
致谢  136

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 人工脏器与器官 > 运动器官
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