本文關(guān)鍵詞：基于反求工程的人工骨三維重建研究

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【摘要】：目前,人工關(guān)節(jié)主要是按標準系列生產(chǎn),但由于患者關(guān)節(jié)存在外形、尺寸等各種各樣的差異,人工關(guān)節(jié)假體與骨骼不能形成緊密的匹配,從而使負荷傳遞、應力分布偏離正常水平,易導致術(shù)后并發(fā)癥,降低人工關(guān)節(jié)的使用壽命。因此,精確獲取病患骨的相關(guān)幾何參數(shù),設計并制造個性化的人工關(guān)節(jié)對提高患者假體與骨的匹配程度,從而提高人工關(guān)節(jié)使用壽命具有十分重要的意義。 首先,本工作以人體下肢的CT切片為原始數(shù)據(jù),利用反求工程技術(shù)對人體下肢的骨骼進行三維重構(gòu),實現(xiàn)由二維圖像向三維立體圖形的轉(zhuǎn)化。三維重建過程中,通過圖像處理,以及NURBS曲面的擬合生成了三維實體模型。并且將所獲得的實體模型與所獲得的初始點云進行了對比,確保了模型的精度。將所獲得的CAD模型以STL格式輸出,可以輸入到快速原型機加工出骨骼實體。完成了CAD/CAM的接口的建立,實現(xiàn)人工骨骼由設計到制造的一體化。為個性化人工關(guān)節(jié)的設計和制造提供模型基礎及幾何設計依據(jù),為其能在臨床上得以應用提供科學理論依據(jù)并奠定堅實的基礎。 其次,髖關(guān)節(jié)是人體所受載荷最大的關(guān)節(jié)之一,而在髖關(guān)節(jié)中股骨起著最重要的作用。本工作將三維重構(gòu)獲得的股骨實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分并進行仿真分析。將與股骨相連接的肌肉對股骨的作用力進行了合并與簡化,股骨本身的材料也簡化為分布均勻且各向同性的材料。研究了人體站立及行走兩種情況下,股骨的應力應變。仿真結(jié)果顯示,應力集中部分主要是股骨干的中下端部位。在站立時,股骨內(nèi)側(cè)壓應力為20.8MPa,而股骨的外側(cè)所受的拉應力為18.5Mpa。在行走時,股骨的內(nèi)側(cè)壓應力值為27MPa,外側(cè)的拉應力為20MPa。人體在運動過程中,對股骨的受載情況以及容易發(fā)生骨折的部位進行了分析討論,從而為人工關(guān)節(jié)的性能方面提供了一定的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：人工骨 反求工程 圖像處理 三維重建
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R318.17
【目錄】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 緒論10-15
• 1.1 課題研究背景與意義10
• 1.2 反求工程10-13
• 1.2.1 圖像數(shù)據(jù)采集11-12
• 1.2.2 圖像數(shù)據(jù)預處理12
• 1.2.3 曲面重構(gòu)12-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容14
• 1.5 論文創(chuàng)新點14-15
• 第2章 研究方法15-20
• 2.1 圖像處理及閾值分割15-17
• 2.2 三維重建17-18
• 2.3 曲面縫合與有限元分析18
• 2.4 本章小結(jié)18-20
• 第3章 圖像采集與處理20-36
• 3.1 CT圖像的采集20-21
• 3.1.1 傳統(tǒng)X線法20
• 3.1.2 螺旋CT法20-21
• 3.2 圖像質(zhì)量的評價21-23
• 3.2.1 圖像的評價方法21-23
• 3.2.2 圖像的格式23
• 3.3 圖像預處理23-28
• 3.3.1 濾波處理24-26
• 3.3.2 圖像銳化處理26-28
• 3.4 人體下肢CT圖像的處理28-35
• 3.4.1 濾波去噪處理28-29
• 3.4.2 銳化處理29
• 3.4.3 閾值分割及計算29-32
• 3.4.4 區(qū)域增長運算32-33
• 3.4.5 動脈的去除33-35
• 3.5 本章小結(jié)35-36
• 第4章 人體下肢的三維重建36-55
• 4.1 曲線、曲面的函數(shù)及其性質(zhì)36-39
• 4.1.1 B樣條曲線及曲面36-38
• 4.1.2 NURBS曲線及曲面38-39
• 4.2 曲線、曲面和曲片面的擬合39-42
• 4.2.1 曲線擬合39-41
• 4.2.2 曲面擬合41
• 4.2.3 曲面片的擬合41-42
• 4.3 點云數(shù)據(jù)的處理42-47
• 4.3.1 平滑處理43
• 4.3.2 點云的精簡43-45
• 4.3.3 點云的網(wǎng)格化45-47
• 4.3.4 點云數(shù)據(jù)的劃分47
• 4.4 曲面片的創(chuàng)建47-49
• 4.4.1 輪廓線的建立與調(diào)整48
• 4.4.2 曲面片的分割48-49
• 4.5 柵格的建立與NURBS曲面擬合49-50
• 4.6 曲面的縫合50-54
• 4.7 本章小結(jié)54-55
• 第5章 仿真分析55-63
• 5.1 人體下肢關(guān)節(jié)55-58
• 5.1.1 骨的性質(zhì)55-56
• 5.1.2 骨所承受的載荷56
• 5.1.3 下肢骨56-57
• 5.1.4 股骨57-58
• 5.2 股骨有限元分析58-62
• 5.2.1 人體站立時的仿真分析58-60
• 5.2.2 人體行走時的仿真分析60-62
• 5.3 本章小結(jié)62-63
• 結(jié)論與展望63-64
• 參考文獻64-68
• 致謝68-69
• 附錄A 攻讀學位期間所發(fā)表的學術(shù)論文目錄69

【參考文獻】

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本文編號：665316