基于反求工程的人工骨三维重建研究

发布时间：2017-08-13 04:12

  本文关键词：基于反求工程的人工骨三维重建研究

  更多相关文章： 人工骨 反求工程 图像处理 三维重建

【摘要】：目前,人工关节主要是按标准系列生产,但由于患者关节存在外形、尺寸等各种各样的差异,人工关节假体与骨骼不能形成紧密的匹配,从而使负荷传递、应力分布偏离正常水平,易导致术后并发症,降低人工关节的使用寿命。因此,精确获取病患骨的相关几何参数,设计并制造个性化的人工关节对提高患者假体与骨的匹配程度,从而提高人工关节使用寿命具有十分重要的意义。 首先,本工作以人体下肢的CT切片为原始数据,利用反求工程技术对人体下肢的骨骼进行三维重构,实现由二维图像向三维立体图形的转化。三维重建过程中,通过图像处理,以及NURBS曲面的拟合生成了三维实体模型。并且将所获得的实体模型与所获得的初始点云进行了对比,确保了模型的精度。将所获得的CAD模型以STL格式输出,可以输入到快速原型机加工出骨骼实体。完成了CAD/CAM的接口的建立,实现人工骨骼由设计到制造的一体化。为个性化人工关节的设计和制造提供模型基础及几何设计依据,为其能在临床上得以应用提供科学理论依据并奠定坚实的基础。 其次,髋关节是人体所受载荷最大的关节之一,而在髋关节中股骨起着最重要的作用。本工作将三维重构获得的股骨实体模型进行有限元网格划分并进行仿真分析。将与股骨相连接的肌肉对股骨的作用力进行了合并与简化,股骨本身的材料也简化为分布均匀且各向同性的材料。研究了人体站立及行走两种情况下,股骨的应力应变。仿真结果显示,应力集中部分主要是股骨干的中下端部位。在站立时,股骨内侧压应力为20.8MPa,而股骨的外侧所受的拉应力为18.5Mpa。在行走时,股骨的内侧压应力值为27MPa,外侧的拉应力为20MPa。人体在运动过程中,对股骨的受载情况以及容易发生骨折的部位进行了分析讨论,从而为人工关节的性能方面提供了一定的理论依据。
【关键词】：人工骨 反求工程 图像处理 三维重建
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.17
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景与意义10
• 1.2 反求工程10-13
• 1.2.1 图像数据采集11-12
• 1.2.2 图像数据预处理12
• 1.2.3 曲面重构12-13
• 1.3 国内外研究现状13-14
• 1.4 论文的主要研究内容14
• 1.5 论文创新点14-15
• 第2章 研究方法15-20
• 2.1 图像处理及阈值分割15-17
• 2.2 三维重建17-18
• 2.3 曲面缝合与有限元分析18
• 2.4 本章小结18-20
• 第3章 图像采集与处理20-36
• 3.1 CT图像的采集20-21
• 3.1.1 传统X线法20
• 3.1.2 螺旋CT法20-21
• 3.2 图像质量的评价21-23
• 3.2.1 图像的评价方法21-23
• 3.2.2 图像的格式23
• 3.3 图像预处理23-28
• 3.3.1 滤波处理24-26
• 3.3.2 图像锐化处理26-28
• 3.4 人体下肢CT图像的处理28-35
• 3.4.1 滤波去噪处理28-29
• 3.4.2 锐化处理29
• 3.4.3 阈值分割及计算29-32
• 3.4.4 区域增长运算32-33
• 3.4.5 动脉的去除33-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 人体下肢的三维重建36-55
• 4.1 曲线、曲面的函数及其性质36-39
• 4.1.1 B样条曲线及曲面36-38
• 4.1.2 NURBS曲线及曲面38-39
• 4.2 曲线、曲面和曲片面的拟合39-42
• 4.2.1 曲线拟合39-41
• 4.2.2 曲面拟合41
• 4.2.3 曲面片的拟合41-42
• 4.3 点云数据的处理42-47
• 4.3.1 平滑处理43
• 4.3.2 点云的精简43-45
• 4.3.3 点云的网格化45-47
• 4.3.4 点云数据的划分47
• 4.4 曲面片的创建47-49
• 4.4.1 轮廓线的建立与调整48
• 4.4.2 曲面片的分割48-49
• 4.5 栅格的建立与NURBS曲面拟合49-50
• 4.6 曲面的缝合50-54
• 4.7 本章小结54-55
• 第5章 仿真分析55-63
• 5.1 人体下肢关节55-58
• 5.1.1 骨的性质55-56
• 5.1.2 骨所承受的载荷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 人体站立时的仿真分析58-60
• 5.2.2 人体行走时的仿真分析60-62
• 5.3 本章小结62-63
• 结论与展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王相海;张洪为;李放;;遥感图像高斯与椒盐噪声的PDE混合去噪模型研究[J];测绘学报;2010年03期

2 张美超,史风雷,赵卫东,欧阳钧,钟世镇;髋关节外展不同角度股骨颈应力分布的有限元分析[J];第一军医大学学报;2005年10期

3 姜海波;葛世荣;;基于CT扫描人体股骨的有限元分析[J];工程力学;2007年10期

4 谢驰;吕育梅;王萍;;基于神经网络的曲面拟合方法研究[J];工具技术;2006年12期

5 林天毅,段会龙,吕维雪;医学数字图像通讯(DICOM)标准及在我国的实施策略[J];国外医学.生物医学工程分册;1998年02期

6 谭莹,漆兰芬;一种曲面拟合方法在电磁散射计算中的应用[J];华中科技大学学报;2000年12期

7 罗大兵,高明,王培俊;逆向工程中数字化测量与点云数据处理[J];机械设计与制造;2005年09期

8 王蕊;董黎敏;叶金铎;张春秋;杨青;;膝关节三维模型的构建[J];机械设计与制造;2011年09期

9 胡影峰;;Geomagic Studio软件在逆向工程后处理中的应用[J];制造业自动化;2009年09期

10 孙玉文,吴宏基,刘健;基于NURBS的自由曲面精确拟合方法研究[J];机械工程学报;2004年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 庞建新;图像质量客观评价的研究[D];中国科学技术大学;2008年

，

本文编号：665316