基于快速原型制造技术的人体骨骼修复及生物力学分析研究

发布时间：2018-03-11 03:12

本文选题：快速原型制造　切入点：计算机辅助设计(CAD)　出处：《东北大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：快速原型技术是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术,它将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透,将对未来制造业生产模式与人类生活方式产生深远的影响。由于快速原型制造技术独特的成型原理,以及在制作不规则曲面、模型方面具有的独特优势,使得该技术非常适合制造结构复杂的生物医学模型,如人体的骨骼等。计算机建模与仿真技术为人体骨骼的生物力学仿真分析等提供了重要手段。如何利用现有技术有效地进行人体骨骼在实际咬合中的生物力学仿真,来达到提高手术精度、缩短手术时间、优化手术方案、减轻患者痛苦的目的,已经成为人体骨骼生物力学仿真分析亟待解决的问题。在相关项目基金的资助下,进行了先进制造技术与生物医学工程的交叉学科研究,通过采用快速原型制造和计算机建模与仿真技术对基于快速原型制造技术的人体骨骼修复及生物力学分析的若干关键技术进行了建模、仿真分析和临床实验研究,为其结构优化、临床手术方案的规划和设计提供重要参考依据,并进行了基于快速原型的骨骼修复远程指导系统的研究。全文的主要研究内容如下：(1)采用基于逆向工程的CT数据三维重建技术,开发了基于逆向工程的人体骨骼三维重建可视化系统,该平台基于VC++6.0和OpenGL可视化技术,在软件中可以通过虚拟手术过程,对人体骨骼模型进行旋转、平移、切割等操作。完成从人体骨骼二维CT数据到人体骨骼三维数字模型的重建过程,可以帮助医生术前准确诊断患者病情、优化手术方案的目的。(2)采用面向特定患者的个性化修复体建模技术,针对传统人体骨骼重建手术中标准化植入体与人体骨骼缺损不匹配等问题,研究针对特定患者的个性化修复体建模方法,建立修复体的个性化模型,达到优化设计个性化修复体3D模型的目的。并针对个性化植入体在使用过程中的疲劳损坏问题,对钛板进行疲劳仿真分析,优化钛板结构,从而达到提高钛板使用寿命的目的。(3)采用基于逆向工程的人体骨骼FEA建模方法,研究建立人体骨骼的FEA模型的方法。并基于此模型采用骨生物力学和有限元集成的仿真技术,进行人体骨骼模型在不同载荷情况下的生物力学分析,达到优化手术指导设计方案、提高手术精度、降低手术风险的目的。(4)采用快速成型加工方法,针对中国医科大学附属第一医院和中国医科大学附属口腔医院临床中存在的实际需求,将课题的研究成果和快速原型技术应用于赝复体制作、下颌骨手术指导、大面积颅骨损伤修复手术指导。通过临床验证并对比分析,在上颌骨赝复体制作应用中,可有效缓解患者因为上颌骨缺损而造成的面部轮廓塌陷等情况；在下颌骨重建和颅骨缺损修复手术中应用,应用快速原型技术可以缩短约2小时的手术时间,同时可以提高人体骨骼修复质量和手术精度,减轻患者痛苦,降低手术风险等。(5)采用基于快速原型技术的网络化远程诊断方法,针对地方医院下颌骨修复手术没有术前规划的问题,开发了带有技术服务、远程诊断、快速成型任务处理的网络化远程指导系统。地方医院申请专家远程诊断技术指导,采用快速原型技术生产出用于手术指导的手术修复体的模型,地方医院的医生术前制造个性化修复体,地方医院在优势资源的帮助下可以完成比较复杂的手术,通过规划好的手术方案,术前设计并制造出下颌骨的RP模型以及个性化的修复体,达到了缩短手术时间、提高手术成功率的结果。
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【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318;TP391.72

【参考文献】