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基于RE/RP技术的人工膝关节设计与制造

作　者: 吴大将
导　师: 董黎敏
学　校: 天津理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 人工膝关节图像处理模型重构有限元分析仿真分析 RE/RP
分类号: R318.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 73次
引　用: 1次
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内容摘要

人工膝关节设计与制造是一个典型的多学科交叉领域，它涉及关节外科学、生物医学和力学、医学图像处理及CAD模型重构等技术，是医学与工程力学结合的结晶。国内人工膝关节市场以进口产品为主，价格昂贵。进口膝关节的设计参数通常以欧美人为标准，经常会出现与国人尺寸不匹配的状况。国人自行设计的人工膝关节寿命较短，翻修率较高。因此开展基于RE/RP技术的人工膝关节设计及制造具有重要的使用价值和社会意义。本文以进口人工膝关节假体为设计原型，提出了一种设计人工膝关节的新思想。主要的研究内容如下：1、阐述了人工膝关节的研究现状，总结了人工膝关节设计和制造中存在的问题，讨论了RE/RP技术的概念以及在国内外的研究现状，研究了RE/RP集成系统框架。2、以人体膝关节的组织结构和功能为依据，阐述了人工膝关节的设计理论和设计要求，建立了人工膝关节的设计流程。3、提出了一种构建人工膝关节模型的新思想，即将假体模型和人体骨骼分开建模，避免了金属CT扫描产生的误差。采用DIGIMETRIC系统获取假体的点云数据，运用GEOMAGIC STUDIO软件对点云进行处理并最终获得假体CAD模型；采用CT扫描技术获得人体膝关节图像，运用MIMICS软件对CT图像进行处理并最终获得股骨远端及胫骨近端模型；通过PRO/E端口导入模型并完成装配。4、阐述了有限元分析软件ANSYS在生物力学中的应用理论，介绍了利用软件进行生物力学分析的步骤。结合人体膝关节的组织结构研究，利用ANSYS软件对人工膝关节假体的装配模型进行了应力分析。5、阐述了动力学仿真软件LIFEMOD软件在生物力学中的应用理论，结合人体膝关节的运动功能研究，利用LIFEMOD软件实现了人工膝关节模型的动力学仿真。6、结合膝关节假体模型自身的特点，选用合适的成型工艺，对股骨骨髁模型进行了MEM工艺模型处理，并论述了模型的快速成型步骤及过程，实现了产品的快速制造。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-25
  1.1 引言  10-11
  1.2 人工膝关节的国内外研究现状  11-16
    1.2.1 人工膝关节的研究背景  11-12
    1.2.2 人工膝关节设计及制造的研究应用  12-15
    1.2.3 存在的问题  15-16
  1.3 RE/RP 系统的研究现状  16-21
    1.3.1 RE 技术概述  16-17
    1.3.2 RP 技术概述  17-19
    1.3.3 RE/RP 系统概述  19-20
    1.3.4 RE/RP 技术的研究现状  20-21
  1.4 人工膝关节设计与制造的研究内容及其关键技术  21-23
    1.4.1 医学图像三维重建技术  21
    1.4.2 人工膝关节生物力学研究及有限元分析应用  21-22
    1.4.3 人工膝关节的疲劳寿命分析应用  22-23
  1.5 论文的研究意义与章节安排  23-25
    1.5.1 本论文的研究目的及意义  23
    1.5.2 本论文的主要研究内容及各章节安排  23-25
第二章人体膝关节结构研究和假体的设计理论及设计流程  25-41
  2.1 人体膝关节的结构和功能分析  25-30
    2.1.1 人体膝关节的解剖结构  25-27
    2.1.2 人体膝关节的生物力学特征  27-29
    2.1.3 人体膝关节的动力学特征  29-30
    2.1.4 人体膝关节运动的生物基础  30
  2.2 人工膝关节的基本设计理论及设计要求  30-34
    2.2.1 人工膝关节假体的基本设计理念  30-31
    2.2.2 人工膝关节材料的设计  31
    2.2.3 股骨骨髁表面的设计  31-32
    2.2.4 滑车-髌骨关节面的设计  32
    2.2.5 假体固定方法的设计  32-33
    2.2.6 人工半月板的设计  33
    2.2.7 可转换和可组配的假体设计  33-34
  2.3 基于RE 技术的人工膝关节模型的设计流程  34-38
    2.3.1 基本建模思想  34-36
    2.3.2 设计流程  36-38
  2.4 相关软件介绍  38-40
    2.4.1 逆向工程软件介绍  38-39
    2.4.2 有限元分析软件介绍  39
    2.4.3 动力学仿真软件介绍  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章人工膝关节反求设计  41-59
  3.1 实验室资源  41-42
    3.1.1 DIGIMETRIC 三维摄影测量系统  41
    3.1.2 JPX 型全膝关节假体  41-42
  3.2 股骨骨髁模型的反求设计  42-53
    3.2.1 数据采集  42-43
    3.2.2 数据预处理  43-47
    3.2.3 锐化处理阶段  47-50
    3.2.4 曲面化阶段  50-53
  3.3 人体股骨远端和胫骨近端模型的反求设计  53-57
    3.3.1 数据采集  53
    3.3.2 数据预处理  53-54
    3.3.3 股骨远端模型的构建  54-57
  3.4 模型的装配  57-58
    3.4.1 股骨骨髁和股骨远端模型的装配  57-58
    3.4.2 人工半月板和基座及胫骨近端模型的装配  58
  3.5 本章小结  58-59
第四章人工膝关节的有限元分析  59-67
  4.1 有限元分析法在生物力学中应用的基本理论概述  59-61
    4.1.1 有限元分析法的基本原理及特点  59-60
    4.1.2 有限元分析法的假设  60
    4.1.3 有限元模型的建立  60
    4.1.4 有限单元的类型、材料性质与实常数的设定  60
    4.1.5 有限元网格的划分  60-61
    4.1.6 约束及加载  61
    4.1.7 结果分析  61
  4.2 人工膝关节的有限元分析  61-66
    4.2.1 人工膝关节有限元分析前的假设及评价标准  61-62
    4.2.2 人工膝关节的有限元分析  62-66
  4.3 本章小结  66-67
第五章人工膝关节的动力学仿真分析  67-71
  5.1 人工膝关节动力学仿真分析在生物力学中应用的基本理论概述  67-68
  5.2 人工膝关节动力学仿真分析  68-71
    5.2.1 材料和方法  68-69
    5.2.2 分析过程  69-70
    5.2.3 讨论  70
    5.2.4 本章小结  70-71
第六章人工膝关节的快速成型  71-77
  6.1 软件介绍  71-72
    6.1.1 前处理软件大法师  71
    6.1.2 控制软件CARK  71-72
  6.2 股骨骨髁假体的快速成型  72-76
    6.2.1 股骨骨髁的MEM 模型处理  72-74
    6.2.2 股骨骨髁的快速成型  74-76
  6.3 本章小结  76-77
第七章结论与展望  77-78
参考文献  78-81
发表论文和科研情况说明  81-82
致谢  82-83

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