畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）EBM技術(shù)在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用

1、北京工業(yè)大學(xué)成人教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)ebm 技術(shù)在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用題 目_機(jī)械工程與自動化專 業(yè)_班 級_姓 名_指導(dǎo)教師_2010年 5 月 5 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 繼續(xù)教育 學(xué)院 年級 機(jī)械工程與自動化 專業(yè) 層次：本科姓名性 別男學(xué) 號08題目ebm技術(shù)在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等主要內(nèi)容：1、 查閱國內(nèi)外相關(guān)資料 ，了解目前ebm技術(shù)在人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用情況，并進(jìn)行相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。 2、 結(jié)合工作實(shí)際撰寫論文。 基本要求：3月-4月：根據(jù)任務(wù)的要求進(jìn)行相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，進(jìn)行論文資料的查找。4月-5月：完成論文要求的工作。5月-6月：撰寫論文，進(jìn)行答辯準(zhǔn)備。主要參考資料

2、：1 宗貴升. 快速成型技術(shù).計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造2 馬衛(wèi)華，劉建國. 三維圖形重建及個體化人工髖關(guān)節(jié)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀j.骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，20033 傅仕偉，嚴(yán)雋琪，姚振強(qiáng)，等. 快速成型技術(shù)及其在骨骼三維重構(gòu)中的應(yīng)用j.上海交通大學(xué)學(xué)報，19984 宋濤，歸來，張智勇，等 個性化鈦植入體修復(fù)大面積顱骨缺損j.創(chuàng)傷外科雜志，2007完成期限 年 月 日指導(dǎo)教師簽章 年 月 日摘要 針對骨病、骨腫瘤，最理想的治療方法是根據(jù)患者病骨的幾何解剖狀態(tài)，專門設(shè)計(jì)定制個體化關(guān)節(jié)治療方案，個體化治療中涉及到個性化植入物的應(yīng)用，現(xiàn)存的人工關(guān)節(jié)植入物缺乏個體匹配性?；谀嫦蚬こ毯蚭bm快速成形技術(shù)直接制造的個性

3、化金屬植入物，解決了傳統(tǒng)制造技術(shù)無法制造,制造周期較長的問題。采用新型材料作原材料直接成型出個性化人工關(guān)節(jié)植入物將是快速成形技術(shù)在骨科應(yīng)用的發(fā)展方向。針對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中人工關(guān)節(jié)制造的多樣性、復(fù)雜性和快速性的要求，提出利用cad技術(shù)和快速成型技術(shù)來滿足這種需求的解決方案：將骨骼的每層ct片掃描，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖象矢量化，所得數(shù)據(jù)點(diǎn)用cad軟件經(jīng)過曲線重構(gòu)、曲面重構(gòu),以此作為人工關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的依據(jù)。對這一系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行研究，提出了一種基于cad技術(shù)及ebm快速成型技術(shù)來制造人工關(guān)節(jié)的敏捷制造系統(tǒng)框架。關(guān)鍵詞:快速成型，人工關(guān)節(jié)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，ebm目錄1 緒論11.1 課題的來源及主要研究內(nèi)容11.

4、2 論文主要完成的工作12 人工關(guān)節(jié)的概述22.1 人工關(guān)節(jié)的定義22.2 人工關(guān)節(jié)的分類22.2.1 按置換部位分類22.2.2 按固定方式分類32.2.3 按對合方式分類32.3 人工關(guān)節(jié)的發(fā)展與展望32.3.1 人工關(guān)節(jié)的發(fā)展32.3.2 人工關(guān)節(jié)的展望43 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造53.1 cad/cam技術(shù)53.2 cad/cam在關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用54 ebm技術(shù)及其原理54.1 ebm技術(shù)簡介64.2 ebm機(jī)床結(jié)構(gòu)及原理64.3 ebm技術(shù)的優(yōu)勢85 個性化定制人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制造95.1整體方案95.2 ct掃描數(shù)據(jù)的處理(mimics)105.3 人工關(guān)節(jié)的三維建模(pro/

5、e)125.3.1 人體股骨的三維重建125.3.2 人工股骨柄的設(shè)計(jì)135.4 ebm文件處理(magics rp)155.5 人工關(guān)節(jié)的ebm制造18結(jié)論18致謝18參考文獻(xiàn)20北京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1緒論多年來人們就采用各種關(guān)節(jié)成形術(shù)治療關(guān)節(jié)強(qiáng)直、關(guān)節(jié)畸形和各種破壞性骨關(guān)節(jié)疾病，力圖將這些有病的關(guān)節(jié)矯正和恢復(fù)功能，使之成為穩(wěn)定的、不疼的并有一定的功能的，為此許多學(xué)者做出了巨大的努力。迄今已研制出膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)假體用于臨床。人工關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)炎及退變性疾病的治療中取得了巨大的成功,特別是膝關(guān)節(jié)被譽(yù)為20世紀(jì)骨科發(fā)展史中重要里程碑之一。但關(guān)節(jié)解剖學(xué)及關(guān)節(jié)面幾何學(xué)特征還存在較在的

6、個體差異，特別是對于那些關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形的患都，按照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行等系列化，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的假體，往往難以滿足他們的特殊需求， 缺乏個體匹配性。 若術(shù)前能針對不同的患者定制手術(shù)所需的人工假體，不僅使植入物與患區(qū)獲得良好的匹配，而且縮短了手術(shù)時間。隨著材料學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助工程學(xué)的迅速發(fā)展，人工關(guān)節(jié)的加工工藝越來越精細(xì)，并使得個性化的設(shè)計(jì)、制造普及成為可能。一、個性化定制關(guān)節(jié)可以根據(jù)每個患都的實(shí)際情況量身定做，提高假體植入后的穩(wěn)定性，并更為有效地恢復(fù)患者的生理狀態(tài)下的關(guān)節(jié)解剖學(xué)及運(yùn)動學(xué)特征，從而減少由于假體匹配不良及固定不合理而導(dǎo)致的過早松動。二、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代制造技術(shù)的訊猛發(fā)展，特別是cad/cae/c

7、am與臨床相結(jié)合,為個性化定制人工關(guān)節(jié)的開發(fā)提供了前所未有的手段。三、通過三維圖形重建、快速成型、cad/cam等技術(shù)，保證了假體設(shè)計(jì)與制作的科學(xué)性與精確性。形成了以滿足個體患者需要為目的的定制型人工關(guān)節(jié)制造體系，建立了生產(chǎn)速度、產(chǎn)品價格與質(zhì)量監(jiān)控均能符合臨床要求的制造-應(yīng)用流程。1.1 課題的來源及主要研究內(nèi)容本課題是北京幸福曼德智能工程技術(shù)有限公司，運(yùn)用ebm技術(shù)為患者提供個性化定制人工關(guān)節(jié)。目標(biāo)是根據(jù)患者的實(shí)際情況設(shè)計(jì)最適合患者的人工關(guān)節(jié)，通過ebm快速成型機(jī)制造出具有特殊表面的人工關(guān)節(jié)。1.2 論文主要完成的工作本論文要完成的工作主要是： 設(shè)計(jì)安全可靠，能與患者髓腔精確匹配的人工關(guān)節(jié)。

8、著重運(yùn)用cad/cam及ebm技術(shù)及可行措施，確保人工關(guān)節(jié)具有可靠的穩(wěn)定性、先進(jìn)的性能,長久使用壽命和質(zhì)量。一、了解人工關(guān)節(jié)的基本知識及發(fā)展。二、熟練掌握ebm技術(shù)及ebm原理。 三、個性化定制人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì): 運(yùn)用cad/cam技術(shù)對患者的ct原關(guān)節(jié)ct 掃描圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理，得到了人體關(guān)節(jié)各層截面的幾何輪廓，得到的原始數(shù)據(jù)是人工關(guān)節(jié)cad模型三維重建的基礎(chǔ)，并利用pro engineer軟件進(jìn)行個性化定制人工關(guān)節(jié)的建模。四、個性化定制人工關(guān)節(jié)的制造：將設(shè)計(jì)好的關(guān)節(jié)3d文件用magics rp轉(zhuǎn)換為ebm機(jī)器所支持的格式，用ebm快速成型機(jī)制造出人工關(guān)節(jié)。2人工關(guān)節(jié)的概述2.1

9、 人工關(guān)節(jié)的定義人工關(guān)節(jié)是人們?yōu)橥炀纫咽スδ艿年P(guān)節(jié)而設(shè)計(jì)的一種人工器官，它在人工器官中屬于療效最好的一種。一般來說，其使用年限可達(dá)20年以上。隨著科技進(jìn)步，人工關(guān)節(jié)手術(shù)已經(jīng)是一種十分成功和有把握的手術(shù)：它可以即刻消除關(guān)節(jié)疼痛、恢復(fù)關(guān)節(jié)的正?；顒庸δ?，使長期受關(guān)節(jié)病痛折磨的人們再次獲得新生，手術(shù)后可以象正常人那樣，行走、爬樓、外出旅行、外出工作、購物和體育鍛煉等。個性化定制人工關(guān)節(jié)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和快速成型技術(shù)為核心，立足于關(guān)節(jié)假體生物力學(xué)性，功能性、穩(wěn)定性、可靠性及耐用性的設(shè)計(jì)原則，為患者量身定制的人工關(guān)節(jié)。2.2 人工關(guān)節(jié)的分類人工關(guān)節(jié)按照不同的分類原則可以有如下幾種不同的分類:2.2.

10、1 按置換部位分類按關(guān)節(jié)被置換的部分分,目前就用于臨床的人工關(guān)節(jié)有:髖關(guān)節(jié)、人工股骨頭、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及指關(guān)節(jié)等。 最常見的人工髖關(guān)節(jié)和人工膝關(guān)節(jié)。2.2.2 按固定方式分類按關(guān)節(jié)植入后的固定方式分，主要有骨水泥型，非骨水泥型和混合型。2.2.3 按對合方式分類 按關(guān)節(jié)的對合方式分，有金屬對聚乙烯，陶瓷對陶瓷，金屬對金屬等類型?？傊?，對人工關(guān)節(jié)正確而合適的選擇是整個手術(shù)治療過程中的一個非常重要甚至是決定性的環(huán)節(jié)。2.3 人工關(guān)節(jié)的發(fā)展與展望2.3.1 人工關(guān)節(jié)的發(fā)展人工關(guān)節(jié)的發(fā)展和我國骨科的發(fā)展同步前進(jìn)，建立在人工關(guān)節(jié)成型術(shù)的基礎(chǔ)上。人工髖關(guān)節(jié)則更具有代表性，體現(xiàn)在理論

11、上的完善，技術(shù)上的成熟，國產(chǎn)化較早，臨床應(yīng)用較為廣泛等。人工關(guān)節(jié)的發(fā)展在我國可分為三個階段：第一階段：20世紀(jì)50年代我國老一輩骨科專家范國聲教授(圖1-1)應(yīng)用聚甲基丙烯酸甲酯(methyl polymethacrylate)為材料的judet型人工股骨頭(圖1-2)，為7例高齡股骨頸骨折病人半髖置換術(shù)(圖1-3)。1963年報告其治療結(jié)果,優(yōu)良率為4/7，這是我國有關(guān)人工關(guān)節(jié)的最早報道。第二階段：20世紀(jì)70年代后期，我國的骨科醫(yī)生和工程師相結(jié)合，開始自行生產(chǎn)仿moore型自鎖金屬人工股骨頭，分別在北京、上海進(jìn)行批量生產(chǎn)，供應(yīng)全國。分別采用不銹鋼，鈷-鉻-鉬合金及鈦合金為材料，從而發(fā)展了生

12、物醫(yī)學(xué)工程。1981年在王桂生教授的領(lǐng)導(dǎo)及積極推動下，在中國生物醫(yī)學(xué)學(xué)會內(nèi)成立了中國人工關(guān)節(jié)二級學(xué)會。學(xué)會委員由醫(yī)生和工程師共同組成，對我國人工關(guān)節(jié)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，并在江西南昌召開了第一屆全國人工關(guān)節(jié)會議，參加會議的有醫(yī)生、工程師及技術(shù)人員，會上進(jìn)行了論文報告及學(xué)術(shù)交流，更加密切了醫(yī),工的結(jié)合。此后各種類型人工關(guān)節(jié)相繼生產(chǎn)并應(yīng)用于臨床，國產(chǎn)骨水泥在天津和上海相繼研制成功，同時生產(chǎn)出配套的手術(shù)器械，我國人工關(guān)節(jié)技術(shù)進(jìn)入了一個較快發(fā)展階段，但假體在制作工藝和質(zhì)量上仍處于初級階段。第三階段：20世紀(jì)90年代以后，由于國家的改革開放開放政策的影響，歐美等國各大人工關(guān)節(jié)公司的產(chǎn)品進(jìn)入中國市場，多達(dá)

13、二十余家，它們帶來的不僅是產(chǎn)品，現(xiàn)時也帶來了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。眾多骨科醫(yī)生出國留學(xué)，訪問及參加國際學(xué)術(shù)會議；國外學(xué)者來華訪問，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)了中國人工關(guān)節(jié)的發(fā)展及產(chǎn)品質(zhì)量的提升。近10余年來，雖然我國人工關(guān)節(jié)受到國外產(chǎn)品的很大立足于沖擊，但產(chǎn)品質(zhì)量已有了較大的提升，正處于提高發(fā)展階段?；仡?0年的歷程，中國國產(chǎn)人工關(guān)節(jié)假體從無到有，關(guān)節(jié)種類由少到多，涉及內(nèi)容從臨床應(yīng)用到基礎(chǔ)研究，各個方面正逐步完善提高，已邁上了一個新臺階。但和國外相比，仍然有10年以上的差距，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和骨關(guān)節(jié)病病人的增多，對人工關(guān)節(jié)的需求也日益增加，我們相信在廣大骨科醫(yī)生和工程技術(shù)人員的共同努力下，我國人工關(guān)節(jié)假體及技

14、術(shù)可望在較短時間內(nèi)縮小同國外的差距，達(dá)到國際先進(jìn)水平，更好的地服務(wù)于廣大的患者。2.3.2 人工關(guān)節(jié)的展望 自從john chamley首先開創(chuàng)人工關(guān)節(jié)置換到今已有四十多年的歷史。在此期間，有許多模型設(shè)計(jì)和改變和固定技術(shù)的提高，但是，超高分子聚乙炳磨損和假體周圍骨溶解仍是一個無法完全防止的難題.因此,新的研究熱點(diǎn)集中于改進(jìn)固定技術(shù),減少磨損顆粒的產(chǎn)生,以延長人工關(guān)節(jié)在人體內(nèi)的壽命。 材料科學(xué)的發(fā)展也將大大推動人工關(guān)節(jié)的進(jìn)步。其中，由于鈦及其合金不但具有良好的生物力學(xué)性能，而且具備良好的生物相容性，因此使用最為廣泛。20世紀(jì)70年代末，假體生物學(xué)固定興起，主要是利用骨長入假體的表面微孔，從而達(dá)到

15、牢固固定。在假體的表面制作多孔結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞，組織的長入提供空間，促進(jìn)新生組織與假體的長合，實(shí)現(xiàn)生物固定，是近幾年國內(nèi)外研究的一個熱點(diǎn)。研究表明，假體表面的孔隙結(jié)構(gòu)直接影響著組織的長入和新骨的形成。 目前，在假體表面制造多孔結(jié)構(gòu)的主要方法有燒結(jié)和等離子噴涂技術(shù)。其中，等離子噴涂技術(shù)是目前普遍采用的一種在假體表面的局部制備多孔結(jié)構(gòu)的方法。這一技術(shù)是采用等離子弧作為熱源，將金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法，屬于高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)。在向假體表面噴涂金屬粉末的過程中，由于高溫的作用，假體本身的力學(xué)性能就會受到影響，導(dǎo)致假體力學(xué)性能的降低，置換到人體

16、后容易發(fā)生斷裂。而且，所制備的孔隙十分不規(guī)則，無法保證孔隙之間的相互連通性。因此，在不降低假體力學(xué)性能的前提下，構(gòu)建假體表面局部規(guī)則的，相互連通的孔隙結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞，組織長入提供空間，促進(jìn)新生組織與假體的長合，具有重要的工程意義和臨床應(yīng)用價值?？傊陙砣斯りP(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，制造和手術(shù)等方面均有長足的進(jìn)步，假體的壽命也相對延長，臨床效果更有顯著的進(jìn)步，設(shè)想一個人工關(guān)節(jié)能夠如同人體的正常關(guān)節(jié)一樣，具有幾十年的壽命而沒有其它副作用，仍需在許多方面繼續(xù)深入研究與改進(jìn)，相信這種“理想”的人工關(guān)節(jié)在將來一定會產(chǎn)生。3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造臨床和實(shí)驗(yàn)研究均表明：非骨水泥固定關(guān)節(jié)假體在髓腔內(nèi)的初始穩(wěn)定性對骨組織而非

17、纖維組織長入假體和提高假體在人體內(nèi)的存留率非常重要，因此，利用計(jì)算機(jī)收集ct掃描信息，進(jìn)行三維重建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，生產(chǎn)出個性化的關(guān)節(jié)假體將成為今后人工關(guān)節(jié)的研究方向之一。3.1 cad/cam技術(shù)cad/cam為英文 computer aided design/computer aided manufacture 的縮寫，意思為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造。cad/cam技術(shù)經(jīng)常同在規(guī)模生產(chǎn)有關(guān)，過去的30年里，由于cad/cam技術(shù)的應(yīng)用，變革了航天，汽車等工業(yè)。近20年來，cad/cam技術(shù)在骨科領(lǐng)域里逐漸應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。1978年herman和liu首先提出利

18、用ct掃描片進(jìn)行三維重建，20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于臨床。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力和成像功能，可將一系列的二維圖像的位置變化構(gòu)成三維圖像，并可通過旋轉(zhuǎn)和剖切等功能，提高三維重建的精度和速度。3.2 cad/cam在關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用首先對要患者修復(fù)關(guān)節(jié)進(jìn)行ct掃描，然后提取ct掃描圖像和數(shù)據(jù)，建立關(guān)節(jié)的三維立體圖像。通過幾何變換，設(shè)計(jì)出符合病人關(guān)節(jié)幾何形狀和術(shù)者要求“精確匹配”的假體的三維結(jié)構(gòu)。4ebm技術(shù)及其原理ebm(electron beam melting) 電子束熔融技術(shù)是由瑞典arcam公司開發(fā)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療，航空航天工業(yè)，汽車制造等行業(yè)。eb

19、m設(shè)備中利用高能電子束逐層熔融金屬粉末,制造出致密的金屬零件。每一層的幾何形狀都依據(jù)3d模型精確熔融。ebm技術(shù)利用高能量電子束提供高的熔融能力和高生產(chǎn)率。制造零件設(shè)計(jì)4.1 ebm技術(shù)簡介ebm制造過程是一個精確控制的過程，確保在制造過程中的每一步都能夠輸入適量的能量，這是制造出優(yōu)異性能零件的關(guān)鍵。電子束采用電磁線圈控制，而不是光學(xué)和機(jī)械運(yùn)動部件控制， 電磁線圈能夠很好的控制電子束和電子束極快的移動。一、真空技術(shù)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在保證在整個制造周期中，真空度高于1x10-4 。潔凈的制造環(huán)境對于產(chǎn)品的力學(xué)性能是至關(guān)重要的。零件在真空下制造，力學(xué)性能明顯優(yōu)于鑄造,可與鍛造相媲美。二、熱量控制制

20、造過程中，每一層粉未電子束都自動加熱到材料熔融的最佳溫度。因此，用ebm制造的零件沒有殘余應(yīng)力和扭曲變形。三、多波束技術(shù)arcam的多波電子束技術(shù)利用了ebm技術(shù)中電子束極快偏轉(zhuǎn)的特性，允許多個電子束同時融化粉未。精確控制每個電子束的能源輸入得到更精細(xì)的產(chǎn)品表面。4.2 ebm機(jī)床結(jié)構(gòu)及原理該設(shè)備是由瑞典arcam 公司制造，使用arcam的電子束熔融專利技術(shù)。目前將該設(shè)備用于醫(yī)療的主要客戶有:-nakashima medical, japan-medical modeling, usa-lima corporate italy -nc state university usa-北京幸福曼德智

21、能工程技術(shù)有限公司，中國一、ebm機(jī)床結(jié)構(gòu)二、電子束原理 ebm1.電子槍內(nèi)產(chǎn)生高能量電子束2.電子束按理想幾何熔化每層金屬粉末，控制系統(tǒng)可以控制速度極快的電子束的移動3.真空熔化過程消除雜質(zhì)并保證了材料性能的高強(qiáng)度4.高溫環(huán)境使的零件得到了很好的穩(wěn)定性和很低的內(nèi)部殘余應(yīng)力5.低成本4.3 ebm技術(shù)的優(yōu)勢目前市場上的快速成型技術(shù)大多數(shù)只能用于塑料和紙制品模型的制造，其制成品一般用于設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。只有少數(shù)幾家公司具備基于粉末燒結(jié)方法的金屬快速制造技術(shù)，燒結(jié)法對金屬材料的選用、粘接劑的指標(biāo)性能均有著很高要求，而電子束熔融技術(shù)在上述各方面具有明顯優(yōu)勢。電子束熔融技術(shù)使得自由形體制造（fff）使用金

22、屬材料具有可能性，這給工業(yè)產(chǎn)品的高效發(fā)展提供了全新的機(jī)會。以物理細(xì)節(jié)形體輸出cad 文件的機(jī)會已對工業(yè)世界產(chǎn)生了重大的沖擊。在現(xiàn)代產(chǎn)品發(fā)展中，快速生產(chǎn)原型、功能性細(xì)節(jié)和生產(chǎn)工具的能力非常重要。5個性化定制人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制造5.1整體方案 mimicspro/emagics rpebm圖5-1如圖5-1所示：1運(yùn)用mimics(交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng))，將患者的ct掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為我們所需要的3d文件格式。2運(yùn)用pro/e根據(jù)患者的骨骼設(shè)計(jì)股骨柄3d文件。3運(yùn)用magics rp對設(shè)計(jì)好的股骨柄進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為ebm設(shè)備所支持的格式。4運(yùn)用ebm設(shè)備制造出股骨柄。5.2 ct掃描數(shù)據(jù)的處理（m

23、imics）mimics是利時materialise公司開發(fā)的介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件?？梢钥旖莸膶t或是mri的斷層掃描的二維圖像轉(zhuǎn)化為機(jī)械領(lǐng)域中cad/cam軟件或完全的三維模型。1將患者的股骨的dicom格式ct掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics,打開mimics，文件-導(dǎo)入圖像。2.設(shè)置視角3選擇masks-new，新建蒙層結(jié)構(gòu)。4選擇3d objects-new ,選擇剛建好的蒙層，自動計(jì)算生成股骨的3d模型，通過修改每一層圖像的方式，修復(fù)3d模型刪除我們不需要的一些組織。5選擇masks-stl+,將自動生成的3d模型轉(zhuǎn)化為stl格式。5.3 人工關(guān)節(jié)的三維建模（pro/e）

24、pro/e（pro/engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（parametric technology corporation，簡稱ptc）的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械cad/cae/cam領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的cad/cam軟件之一。5.3.1 人體股骨的三維重建1.新建文檔命名為bone，選擇“插入小平面特征”，導(dǎo)入mimics生成的stl文件。選擇“重新定義細(xì)化網(wǎng)格”,得到更精細(xì)的三角面，以便建模更加精確。2.運(yùn)用造型工具,根據(jù)小平面特征,繪制出患者股骨輪廓線及部分截面線。用邊界混合工具掃描出股骨各面，完成股骨

25、的建模。如下圖所示：5.3.2 人工股骨柄的設(shè)計(jì)1新建asm檔，裝配bone，新建bone_hip股骨柄文件，參考bone文件，草繪出如圖曲線。股骨柄應(yīng)與股骨預(yù)留合適的間隙。旋轉(zhuǎn)生成股骨柄柄部曲面,并用曲面光滑連接上下曲面。2旋轉(zhuǎn)生成股骨柄頭部，大小及錐度根據(jù)與之配套的髖臼杯設(shè)計(jì)。并用曲面光滑連接兩部分曲面，合并所有曲面生成實(shí)體，并將網(wǎng)格部分（厚度1000）修剪出，如圖所示：3復(fù)制出網(wǎng)格面部分曲面并生成實(shí)體，用實(shí)體剪切的方法設(shè)計(jì)出網(wǎng)格面，其孔隙尺寸設(shè)計(jì)為，孔隙率設(shè)計(jì)為，孔隙之間完全相互連通，并與股骨柄實(shí)體相連接。如下圖所示：4如圖所示為設(shè)計(jì)完成的股骨柄裝配檔，從圖中可以看出股骨柄與患者股骨完全

26、吻合。可以利用pro/e的間隙檢測功能來檢查有無干涉。并將設(shè)計(jì)好的多孔結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)存儲為文件格式。5.4 ebm文件處理(magics rp)magics rp 軟件是全球著名的stl編輯處理平臺，專注于stl技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，有著一整套的基于stl的解決方案。將上述多孔結(jié)構(gòu)體cad模型輸入到快速成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于控制電子束的掃描路徑，利用該系統(tǒng)中的materialises magics rp軟件對cad數(shù)據(jù)進(jìn)行分層切片處理，獲取多孔結(jié)構(gòu)體的二維信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行快速成型制造。1.用magics打開設(shè)計(jì)好的人工股骨柄模型（stl格式）文件。2點(diǎn)擊工具自動修復(fù)文件如下圖所示，

27、仔細(xì)檢查3d模型，確保生成的制造文件正確。 3將關(guān)節(jié)如下圖位置擺放，制造兩件，一件做為備用產(chǎn)品。4選擇設(shè)備為arcam ebm s12(mm)，自動生成制造時關(guān)節(jié)所需要的支撐，如下圖紅色部分，人工修整后如下圖黃色部分所示。5.選擇運(yùn)用“分割預(yù)覽”仔細(xì)檢查每一層的幾何形狀是否完好，選擇“分割所有”，設(shè)置層厚為0.1mm,將3d模型保存為slc格式文件,完成對stl文件的修復(fù)及分割。5.5 人工關(guān)節(jié)的ebm制造1.將設(shè)計(jì)好的關(guān)節(jié)slc格式文件調(diào)入ebm設(shè)備中,確認(rèn)機(jī)器真空度,設(shè)定參數(shù),當(dāng)溫度到達(dá)后,自動開始加工。具體為：送粉機(jī)構(gòu)將粉體材料送至預(yù)定區(qū)域，由鋪粉機(jī)構(gòu)將粉體鋪平，然后，電子束在計(jì)算機(jī)控制

28、下按照所獲得的二維信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，熔化燒結(jié)粉體材料，然后再送粉、鋪粉、熔化燒結(jié)粉體，重復(fù)此過程，直到形成整個試件。2等制造好的試件放置在真空室中的粉體堆里慢慢冷卻，進(jìn)一步冷卻至室溫后取出，去除沾粘在試件上的多余粉體，去除支撐部位。3如下圖所示，車削股骨柄頭部，并拋光其它部位,減少磨損顆粒的產(chǎn)生,以延長人工關(guān)節(jié)在人體內(nèi)的壽命。從而完成了關(guān)節(jié)的制造。結(jié)論一、ebm技術(shù)制造人工關(guān)節(jié)的特點(diǎn)1ebm技術(shù)采用了材料層層精確堆積的思想，突破了傳統(tǒng)的“毛坯成品”的模式，同時又促進(jìn)了設(shè)計(jì)思想的變革，由三維直接到三維，而不是傳統(tǒng)的三維到二維，再返回到三維的設(shè)計(jì)思路。2ebm技術(shù)大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，同時在模具制造業(yè)、空氣動力試驗(yàn)、工程結(jié)構(gòu)分析、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。3人工關(guān)節(jié)技術(shù)的開發(fā)若借助于ebm快速成型技術(shù)，可直接驗(yàn)證設(shè)計(jì)出的關(guān)節(jié)其合理性與可靠性。4基于ebm快速成型技術(shù)的敏捷制造系統(tǒng)可縮短手術(shù)方案的論證過程，并保證手術(shù)的成功率。二、個性化定制人工關(guān)節(jié)的優(yōu)勢多孔結(jié)構(gòu)表面與患者髓腔吻合1微動很小普通關(guān)節(jié)不能適合每一患者的關(guān)節(jié)，