断层医学图像处理技术及其在骨科手术中的应用

提出从断层图像序列到目标组织几何建模及快速成形制造的技术路线，并通过在全髋翻修手术中的实际应用检验该技术的适用性和可靠性．将断层图像序列通过线性插值构造成3D数据场，采用种子区域生长方法分割出目标组织后，利用等值面提取获得患骨的三角面几何模型．对获得的三角面模型进行碎片清除和三角面精简后，应用快速原形技术制造患骨模型．患骨实物模型对术前计划、假体设计和手术模拟至关重要．     

三角网格模型多轴数控雕刻刀轨生成算法

提出一种基于三角网格模型的多轴数控雕刻刀轨生成算法,用于解决三角网格模型的多轴数控雕刻刀轨的生成效率低、存在刀轨干涉等问题.该算法采用R*S树动态空间索引结构组织三角面片的拓扑近邻关系,并依据三角网格模型的型面特征规划刀位驱动点,获取各驱动点的瞬时加工区域;根据刀具与瞬时加工区域中各三角面片的相切关系采用面相切、边相切...     

面向快速成型的CAD三角网格模型局部细分技术研究

为解决快速成型应用中STL模型的表面光滑度与数据量之间的矛盾,提出一种基于边界控制的网格模型局部细分方法.分析STL模型的边界特点,将边界特征点作为型值点构建三次B样条插值曲线求解细分点;创建边界三角形的细分模式实现三角网格模型局部区域的细分,消除边界线细分过程的收缩现象.试验表明了该方法的有效性.     

快速成形技术在临床外科手术中的潜在应用

为了解决复杂外科手术的规划和修复假体的制作问题 ,该文采用了基于 CT图像的快速成形技术。通过 CT图像滤波、分割、开操作等图像处理方法以及轮廓提取和采样等建模方法 ,得到了假体的快速成形数据接口 ,在此基础上使用快速成形技术制造了假体的三维原尺寸实物模型 ,最后根据此实物模型进行手术规划和修复假体制作。该方法经过临床医疗的验证 ,在人体右侧半骨盆置换手术中取得成功。结果证实 ,使用基于 CT图像的快速成形技术是辅助临床外科手术的有效方法。     

基于有符号距离场的矿山三维模型布尔运算

针对复杂形态的矿山三维模型构建,提出一种基于三角网格的有符号距离场的三维模型布尔运算算法.首先借助方向包围盒层次树快速计算三角形之间的交线,然后通过约束德洛内三角剖分对候选的三角形逐个进行拆分,分别计算三角网格模型的顶点、边和面的角度加权伪法矢,建立要运算的2个三角网格的有符号距离场,从而根据有符号距离场确定拆分后三角形单元与另一个模型的位置关系,最终根据布尔运算类型进行取舍得到表面模型的运算结果.该算法能有效的对三角网格表面模型实施布尔运算,适用于各种复杂的矿山三维模型.     

个性化聚醚醚酮颅骨植入物多点柔性注塑工艺

针对目前增材制造聚醚醚酮(PEEK)个性化颅骨植入物强度远不如注塑工艺的问题,提出了增材制造与注塑工艺相结合的新方法——多点柔性注塑工艺。首先,将连续的平面离散化,采用增材制造靠模的方式,使用大量的活动方形钢针完成柔性模具形腔内表面的构建;其次,用注塑的方式制造PEEK个性化颅骨植入物;最后,研磨抛光去除台阶效应,获得高性能的PEEK个性化颅骨修复植入物。通过工艺分析、精度分析和体外细胞毒性实验进行研究评价,结果表明:采用该方法制作出的颅骨模型样品的平均偏差为0.475~-0.409mm,所制作的拉伸样件的强度为72.15~83.26 MPa,可以满足颅骨修复植入物对于精度和力学性能的要求。在体外细胞毒性实验中,注塑原料组和试制样品组浸提液所培养的细胞存活率均达90%以上,证明了多点柔性注塑工艺所使用的材料无毒,在注塑成形过程中没有引入新的毒性物质,可以满足颅骨修复植入物对于生物相容性的要求。因此,该方法可制造出低成本、高性能、无细胞毒性的个性化颅骨修复植入物,在颅骨修复中具有重要的应用前景。     

基于点数据集三维空间曲面三角化算法实现

在地质、医学等科学研究领域中,基于原始数据建立三维空间图像模型的研究具有较高价值;特别在三维地质构造建模中,测量获取的原始数据采用点数据集形式表示。基于点数据构建三维空间曲面三角化网格模型能够很好地还原点数据集所表示的曲面形态和展布,在现有的三角化剖分算法研究的基础上,提出一种基于点数据集三维空间曲面三角化网格模型生成算法;该算法生成的网格模型质量较高,能够较好地描述点集所表示的曲面形态。采用描述地质界面的点数据集进行算法验证与测试,根据边界数据实际情况,生成三维空间曲面三角化模型并更新网格模型边界,效果比较理想。     

逆向工程中带有孔洞曲面重建算法的研究

提出了一种针对3D离散数据点的空间三角网格生成算法，该算法具有接近线性的复杂度，并有效地解决了一般算法不能处理的带有孔洞表面的情况。给出了三角网格生成过程及算法的数据结构，以及用此法进行三角网格生成的若干实例，验证了该算法的有效性。     

采用R*-tree的三角网格曲面非均匀精简算法

提出了一种三角网格曲面非均匀精简算法.该算法采用R*-tree组织三角网格曲面的空间拓扑结构,实现了三角面片拓扑邻域的快速查询.结合三角网格曲面模型的曲率分布状况,对三角网格曲面进行聚类分簇处理,通过对分簇网格进行局部精简,实现了三角网格曲面模型的整体保形性精简.与同类精简算法的对比实验表明,该算法的数据适应性强,有效地保留了三角网格曲面的型面特征,精简后的网格模型与原网格模型的面片偏差降低了20%～45%,精简时间减少了10%～35%.     

钛金属板颅骨修复体数字化制造研究

集成运用逆向工程技术与多点快速成形技术，基于患的CT或MRI图像，实现钛金属板颅骨修复体的快速设计与制作，解决了目前修复体制备中存在的配合精度差、制作成本高、周期长等问题，完美地满足了患的个性化需求。     

Personalized Cranium Defects Restoration Technique Based on Reverse Engineering

The purpose of this paper is to overcome the limitations of the traditional cranial defects restoration technique and better satisfy the aesthetic and comfort demands of different patients. An arithmetic profile curve blending technique was used based on a well-proportioned points cloud data obtained by analyzing computer tomography (CT) images of the patients. This technique uses reverse engineering technique to reconstruct a model of the defective cranium, taking all the characteristics of the protruding cranium into consideration to check the form and appropriateness of the restoration and to adjust the surface in real time to obtain the ideal shape. Then, the model is transferred to a multiple-point forming (MPF) pressure machine to produce a titanium alloy restoration model. The system has greater flexibility, shorter production cycles, and lower cost through the use of digital production technology, guarantees the quality of the cranial defects restoration model, reduces the surgical risks, and alleviates the patients' pain. In addition, an improved contour curved bridge algorithm technique is used to repair any cranium defects on the contour curve to make the contour more complete and closed.     

钛合金表面织构的光纤激光加工多参数耦合研究

针对钛合金作为生物医用材料具有耐磨性差、表面容易划伤等缺点,采用光纤激光表面织构提高其抗磨性能.因诸多激光工作参数共同制约其加工效率,对钛合金TC4进行多参数耦合实验研究,提出了一套适用于凹坑形和凹槽形两种表面图案的理想工作参数组.实验结果表明,该参数组能有效地提高表面织构的精度和速度.     

Multi-Point Forming Technology for Sheet Metal

Multi-point forming (MPF) is an advanced manufacturing technology for three-dimensional sheet metal parts. In this paper, the MPF integrated system is described that can form a variety of part shapes without the need for solid dies, and given only geometry and material information about the desired part. The central component of this system is a pair of matrices of punches, and the desired discrete die surface is constructed by changing the positions of punches though the CAD and control system. The basic M...     

钛合金网板多点成形起皱缺陷的数值模拟

采用动态显式有限元软件,针对不同厚度、不同曲率半径的带孔网板和无孔板球形面的无压边多点成形过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在相同的成形条件下,带孔网板成形球形件时不易起皱,成形效果较好.分析表明,带孔网板成形时不易起皱的原因是网孔吸收了部分金属变形,从而减小了网板起皱的趋势.通过模拟得到了带孔网板和无孔板成形球面件时不起皱成形极限与板厚的关系曲线.实验结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好,且满足与不起皱成形极限图的对应关系.     

薄材多点成形中回弹的预测

多点成形技术是三维曲面板类件柔性成形的新技术.在薄板边多点成形中,回弹是一个必须解决的问题.论文中采用显-隐式算法分析了板材厚度、曲率半径对柱面、球面等典型曲面的多点成形回弹的影响,得到了回弹趋势和回弹分布规律,这些结果对多点成形技术具有一定的参考价值.     

个性化下颌钛支架植入体的设计与生物力学评价

基于CT断层扫描图像数据,利用CAD、有限元分析技术重建正常下颌骨的三维几何、有限元模型.对模型进行分割,模拟下颌骨右侧体部缺损,参照天然下颌骨几何形态设计下颌钛支架植入体,并对其重建下颌骨的生物力学效果进行三维有限元分析.结果表明,钛支架植入体在咀嚼力作用下,义齿基桩颈部及预留种植孔周围应力较大,其他部位应力值较低且分布均匀;颈部的应力值随孔道直径的增加而明显降低,基桩高度与预留孔道深度的比例变化对应力大小及分布特性基本没有影响;钛支架植入体重建下颌骨在咀嚼力作用下,支架的应力比自然骨应力大1个数量级,呈现明显的应力遮挡效应;根据钛支架植入体上的应力分布状态对其进行镂孔设计,应力分析结果显示其强度依然满足功能要求.由以上分析结果可知,义齿预留孔道的深度在保证螺纹强度的前提下,可尽量减小,以减小钛支架的体积;钛支架植入体的镂孔设计在满足功能强度前提下,可以降低其整体尺寸,同时提高其结构生物相容性和临床实用性.     

钛合金Ti6Al4V铣削加工过程阻尼模型稳定性预报

钛合金的导热系数小、化学亲和性大,易与摩擦表面产生黏附现象,在加工过程中容易产生变形,导致切削力的波动,引起系统的振动.针对这种难加工材料,往往采取低速切削.在低速加工过程中,刀具与工件加工表面之间产生的过程阻尼对系统的稳定性影响尤为显著.以钛合金Ti6Al4V为研究对象,进行铣削加工实验,以基于摩擦颤振原理的过程阻尼模型为动力系统模型,给出其稳定性分析的全离散预报方法,得到的稳定性Lobe图与加工实验数据相吻合,有效地预报了钛合金Ti6Al4V在低切削速度条件下的加工稳定性,可以减少刀具磨损,提高加工质量.     

复合胫骨半关节结构优化设计与制造工艺

应用解剖学建模技术对钛合金／多孔生物陶瓷复合胫骨人工半关节假体进行了个体匹配性设计，通过有限元技术对所构建的复合型人工关节进行结构优化，然后利用快速成型技术制造最优模型的树脂模具，并分别通过离心铸造和粉末烧结技术来实现复合型胫骨人工半关节假体的定制化制造．研究结果显示，提出的结构优化设计方法在保证假体个体匹配性和机械强度的条件下，使钛合金型假体的体积减少了51．7％，使复合型假体能够保持最大的生物活性，而以快速成型技术为基础的定制化制造方法可实现假体的快速且精确制造．临床应用表明，通过该方法设计制造的复合型胫骨人工半关节假体可恢复受损关节的功能，因此具有广泛的医学应用前景．     

纳秒激光制备钛表面纹理结构及其润湿性研究

激光加工技术可在材料表面形成多种纹理结构,为了研究激光加工所得不同纹理结构对材料润湿性的影响,通过纳秒激光加工技术在金属钛表面分别加工直线、网格和点阵的表面纹理结构。采用扫描电子显微镜、接触角测量仪、粗糙度分析仪和X射线光电子能谱分别对激光加工后的钛表面进行表面形貌、接触角、粗糙度与化学成分的表征与分析。结果表明:初经激光纹理加工后试样表面的粗糙度较激光加工前均显著提高,但此时3种纹理结构试样表面接触角均小于90°;随着时间的推移,被加工材料表面化学成分的改变带来了材料表面自由能的变化,进而使被加工表面接触角总体呈现上升趋势;待试样表面化学成分稳定后接触角也基本保持不变,并且对于每种纹理结构而言,其接触角随粗糙度的增加而升高。直线、网格和点阵纹理结构试样表面接触角最终可达157.2°,153.1°和134.6°,从而实现了钛表面润湿性由亲水性向疏水性的转变。     

求解LGP模型的MPF法的完善与证明

本文完善了文献[1]提出的解线性目标规划模型的“量化优先因子法”(简称MPF法)，给出MPF法的理论证明，最后通过实例进一步说明MPF法的算法．