畢業(yè)設計（論文）EBM技術在人工關節(jié)的應用

1、北京工業(yè)大學成人教育本科畢業(yè)設計ebm 技術在人工關節(jié)的應用題 目_機械工程與自動化專 業(yè)_班 級_姓 名_指導教師_2010年 5 月 5 日畢業(yè)設計（論文）任務書 繼續(xù)教育 學院 年級 機械工程與自動化 專業(yè) 層次：本科姓名性 別男學 號08題目ebm技術在人工關節(jié)的應用 主要內容、基本要求、主要參考資料等主要內容：1、 查閱國內外相關資料 ，了解目前ebm技術在人工關節(jié)的應用情況，并進行相關知識的學習。 2、 結合工作實際撰寫論文。 基本要求：3月-4月：根據任務的要求進行相關知識的學習，進行論文資料的查找。4月-5月：完成論文要求的工作。5月-6月：撰寫論文，進行答辯準備。主要參考資料

2、：1 宗貴升. 快速成型技術.計算機輔助設計與制造2 馬衛(wèi)華，劉建國. 三維圖形重建及個體化人工髖關節(jié)研究進展及現狀j.骨與關節(jié)損傷雜志，20033 傅仕偉，嚴雋琪，姚振強，等. 快速成型技術及其在骨骼三維重構中的應用j.上海交通大學學報，19984 宋濤，歸來，張智勇，等 個性化鈦植入體修復大面積顱骨缺損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患者病骨的幾何解剖狀態(tài)，專門設計定制個體化關節(jié)治療方案，個體化治療中涉及到個性化植入物的應用，現存的人工關節(jié)植入物缺乏個體匹配性。基于逆向工程和ebm快速成形技術直接制造的個性

3、化金屬植入物，解決了傳統(tǒng)制造技術無法制造,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節(jié)植入物將是快速成形技術在骨科應用的發(fā)展方向。針對醫(yī)學領域中人工關節(jié)制造的多樣性、復雜性和快速性的要求，提出利用cad技術和快速成型技術來滿足這種需求的解決方案：將骨骼的每層ct片掃描，輸入計算機進行圖象矢量化，所得數據點用cad軟件經過曲線重構、曲面重構,以此作為人工關節(jié)設計的依據。對這一系統(tǒng)的實現過程進行研究，提出了一種基于cad技術及ebm快速成型技術來制造人工關節(jié)的敏捷制造系統(tǒng)框架。關鍵詞:快速成型，人工關節(jié)，計算機輔助設計，ebm目錄1 緒論11.1 課題的來源及主要研究內容11.

4、2 論文主要完成的工作12 人工關節(jié)的概述22.1 人工關節(jié)的定義22.2 人工關節(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 人工關節(jié)的發(fā)展與展望32.3.1 人工關節(jié)的發(fā)展32.3.2 人工關節(jié)的展望43 計算機輔助設計與制造53.1 cad/cam技術53.2 cad/cam在關節(jié)假體設計中的應用54 ebm技術及其原理54.1 ebm技術簡介64.2 ebm機床結構及原理64.3 ebm技術的優(yōu)勢85 個性化定制人工關節(jié)的設計與制造95.1整體方案95.2 ct掃描數據的處理(mimics)105.3 人工關節(jié)的三維建模(pro/

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

6、個體差異，特別是對于那些關節(jié)嚴重畸形的患都，按照統(tǒng)計數據進行等系列化，標準化設計的假體，往往難以滿足他們的特殊需求， 缺乏個體匹配性。 若術前能針對不同的患者定制手術所需的人工假體，不僅使植入物與患區(qū)獲得良好的匹配，而且縮短了手術時間。隨著材料學和計算機輔助工程學的迅速發(fā)展，人工關節(jié)的加工工藝越來越精細，并使得個性化的設計、制造普及成為可能。一、個性化定制關節(jié)可以根據每個患都的實際情況量身定做，提高假體植入后的穩(wěn)定性，并更為有效地恢復患者的生理狀態(tài)下的關節(jié)解剖學及運動學特征，從而減少由于假體匹配不良及固定不合理而導致的過早松動。二、計算機技術以及現代制造技術的訊猛發(fā)展，特別是cad/cae/c

7、am與臨床相結合,為個性化定制人工關節(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，保證了假體設計與制作的科學性與精確性。形成了以滿足個體患者需要為目的的定制型人工關節(jié)制造體系，建立了生產速度、產品價格與質量監(jiān)控均能符合臨床要求的制造-應用流程。1.1 課題的來源及主要研究內容本課題是北京幸福曼德智能工程技術有限公司，運用ebm技術為患者提供個性化定制人工關節(jié)。目標是根據患者的實際情況設計最適合患者的人工關節(jié)，通過ebm快速成型機制造出具有特殊表面的人工關節(jié)。1.2 論文主要完成的工作本論文要完成的工作主要是： 設計安全可靠，能與患者髓腔精確匹配的人工關節(jié)。

8、著重運用cad/cam及ebm技術及可行措施，確保人工關節(jié)具有可靠的穩(wěn)定性、先進的性能,長久使用壽命和質量。一、了解人工關節(jié)的基本知識及發(fā)展。二、熟練掌握ebm技術及ebm原理。 三、個性化定制人工關節(jié)結構的三維設計: 運用cad/cam技術對患者的ct原關節(jié)ct 掃描圖像經過計算機圖像處理，得到了人體關節(jié)各層截面的幾何輪廓，得到的原始數據是人工關節(jié)cad模型三維重建的基礎，并利用pro engineer軟件進行個性化定制人工關節(jié)的建模。四、個性化定制人工關節(jié)的制造：將設計好的關節(jié)3d文件用magics rp轉換為ebm機器所支持的格式，用ebm快速成型機制造出人工關節(jié)。2人工關節(jié)的概述2.1

9、 人工關節(jié)的定義人工關節(jié)是人們?yōu)橥炀纫咽スδ艿年P節(jié)而設計的一種人工器官，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20年以上。隨著科技進步，人工關節(jié)手術已經是一種十分成功和有把握的手術：它可以即刻消除關節(jié)疼痛、恢復關節(jié)的正?；顒庸δ?，使長期受關節(jié)病痛折磨的人們再次獲得新生，手術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。個性化定制人工關節(jié)是以計算機輔助設計和快速成型技術為核心，立足于關節(jié)假體生物力學性，功能性、穩(wěn)定性、可靠性及耐用性的設計原則，為患者量身定制的人工關節(jié)。2.2 人工關節(jié)的分類人工關節(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節(jié)被置換的部分分,目前就用于臨床的人工關節(jié)有:髖關節(jié)、人工股骨頭、膝關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、肩關節(jié)、踝關節(jié)及指關節(jié)等。 最常見的人工髖關節(jié)和人工膝關節(jié)。2.2.2 按固定方式分類按關節(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瑢θ斯りP節(jié)正確而合適的選擇是整個手術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 人工關節(jié)的發(fā)展與展望2.3.1 人工關節(jié)的發(fā)展人工關節(jié)的發(fā)展和我國骨科的發(fā)展同步前進，建立在人工關節(jié)成型術的基礎上。人工髖關節(jié)則更具有代表性，體現在理論

11、上的完善，技術上的成熟，國產化較早，臨床應用較為廣泛等。人工關節(jié)的發(fā)展在我國可分為三個階段：第一階段：20世紀50年代我國老一輩骨科專家范國聲教授(圖1-1)應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(圖1-3)。1963年報告其治療結果,優(yōu)良率為4/7，這是我國有關人工關節(jié)的最早報道。第二階段：20世紀70年代后期，我國的骨科醫(yī)生和工程師相結合，開始自行生產仿moore型自鎖金屬人工股骨頭，分別在北京、上海進行批量生產，供應全國。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)學工程。1981年在王桂生教授的領導及積極推動下，在中國生物醫(yī)學學會內成立了中國人工關節(jié)二級學會。學會委員由醫(yī)生和工程師共同組成，對我國人工關節(jié)的發(fā)展起到了促進作用，并在江西南昌召開了第一屆全國人工關節(jié)會議，參加會議的有醫(yī)生、工程師及技術人員，會上進行了論文報告及學術交流，更加密切了醫(yī),工的結合。此后各種類型人工關節(jié)相繼生產并應用于臨床，國產骨水泥在天津和上海相繼研制成功，同時生產出配套的手術器械，我國人工關節(jié)技術進入了一個較快發(fā)展階段，但假體在制作工藝和質量上仍處于初級階段。第三階段：20世紀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節(jié)公司的產品進入中國市場，多達

13、二十余家，它們帶來的不僅是產品，現時也帶來了技術和經驗。眾多骨科醫(yī)生出國留學，訪問及參加國際學術會議；國外學者來華訪問，進行學術交流，促進了中國人工關節(jié)的發(fā)展及產品質量的提升。近10余年來，雖然我國人工關節(jié)受到國外產品的很大立足于沖擊，但產品質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，中國國產人工關節(jié)假體從無到有，關節(jié)種類由少到多，涉及內容從臨床應用到基礎研究，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，隨著我國經濟的發(fā)展和骨關節(jié)病病人的增多，對人工關節(jié)的需求也日益增加，我們相信在廣大骨科醫(yī)生和工程技術人員的共同努力下，我國人工關節(jié)假體及技

14、術可望在較短時間內縮小同國外的差距，達到國際先進水平，更好的地服務于廣大的患者。2.3.2 人工關節(jié)的展望 自從john chamley首先開創(chuàng)人工關節(jié)置換到今已有四十多年的歷史。在此期間，有許多模型設計和改變和固定技術的提高，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,新的研究熱點集中于改進固定技術,減少磨損顆粒的產生,以延長人工關節(jié)在人體內的壽命。 材料科學的發(fā)展也將大大推動人工關節(jié)的進步。其中，由于鈦及其合金不但具有良好的生物力學性能，而且具備良好的生物相容性，因此使用最為廣泛。20世紀70年代末，假體生物學固定興起，主要是利用骨長入假體的表面微孔，從而達到

15、牢固固定。在假體的表面制作多孔結構，為細胞，組織的長入提供空間，促進新生組織與假體的長合，實現生物固定，是近幾年國內外研究的一個熱點。研究表明，假體表面的孔隙結構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構的主要方法有燒結和等離子噴涂技術。其中，等離子噴涂技術是目前普遍采用的一種在假體表面的局部制備多孔結構的方法。這一技術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)，并以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法，屬于高溫熱處理技術。在向假體表面噴涂金屬粉末的過程中，由于高溫的作用，假體本身的力學性能就會受到影響，導致假體力學性能的降低，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，在不降低假體力學性能的前提下，構建假體表面局部規(guī)則的，相互連通的孔隙結構，為細胞，組織長入提供空間，促進新生組織與假體的長合，具有重要的工程意義和臨床應用價值?？傊?，近年來人工關節(jié)的設計，制造和手術等方面均有長足的進步，假體的壽命也相對延長，臨床效果更有顯著的進步，設想一個人工關節(jié)能夠如同人體的正常關節(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，相信這種“理想”的人工關節(jié)在將來一定會產生。3計算機輔助設計與制造臨床和實驗研究均表明：非骨水泥固定關節(jié)假體在髓腔內的初始穩(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的存留率非常重要，因此，利用計算機收集ct掃描信息，進行三維重建，并在此基礎上進行計算機輔助設計和制造，生產出個性化的關節(jié)假體將成為今后人工關節(jié)的研究方向之一。3.1 cad/cam技術cad/cam為英文 computer aided design/computer aided manufacture 的縮寫，意思為計算機輔助設計和制造。cad/cam技術經常同在規(guī)模生產有關，過去的30年里，由于cad/cam技術的應用，變革了航天，汽車等工業(yè)。近20年來，cad/cam技術在骨科領域里逐漸應用于人工關節(jié)的設計和生產。1978年herman和liu首先提出利

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

19、m設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3d模型精確熔融。ebm技術利用高能量電子束提供高的熔融能力和高生產率。制造零件設計4.1 ebm技術簡介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)異性能零件的關鍵。電子束采用電磁線圈控制，而不是光學和機械運動部件控制， 電磁線圈能夠很好的控制電子束和電子束極快的移動。一、真空技術真空系統(tǒng)的設計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)境對于產品的力學性能是至關重要的。零件在真空下制造，力學性能明顯優(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力和扭曲變形。三、多波束技術arcam的多波電子束技術利用了ebm技術中電子束極快偏轉的特性，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的產品表面。4.2 ebm機床結構及原理該設備是由瑞典arcam 公司制造，使用arcam的電子束熔融專利技術。目前將該設備用于醫(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、能工程技術有限公司，中國一、ebm機床結構二、電子束原理 ebm1.電子槍內產生高能量電子束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并保證了材料性能的高強度4.高溫環(huán)境使的零件得到了很好的穩(wěn)定性和很低的內部殘余應力5.低成本4.3 ebm技術的優(yōu)勢目前市場上的快速成型技術大多數只能用于塑料和紙制品模型的制造，其制成品一般用于設計仿真驗證。只有少數幾家公司具備基于粉末燒結方法的金屬快速制造技術，燒結法對金屬材料的選用、粘接劑的指標性能均有著很高要求，而電子束熔融技術在上述各方面具有明顯優(yōu)勢。電子束熔融技術使得自由形體制造（fff）使用金

22、屬材料具有可能性，這給工業(yè)產品的高效發(fā)展提供了全新的機會。以物理細節(jié)形體輸出cad 文件的機會已對工業(yè)世界產生了重大的沖擊。在現代產品發(fā)展中，快速生產原型、功能性細節(jié)和生產工具的能力非常重要。5個性化定制人工關節(jié)的設計與制造5.1整體方案 mimicspro/emagics rpebm圖5-1如圖5-1所示：1運用mimics(交互式的醫(yī)學影像控制系統(tǒng))，將患者的ct掃描數據轉化為我們所需要的3d文件格式。2運用pro/e根據患者的骨骼設計股骨柄3d文件。3運用magics rp對設計好的股骨柄進行處理，轉換為ebm設備所支持的格式。4運用ebm設備制造出股骨柄。5.2 ct掃描數據的處理（m

23、imics）mimics是利時materialise公司開發(fā)的介于醫(yī)學與機械領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化為機械領域中cad/cam軟件或完全的三維模型。1將患者的股骨的dicom格式ct掃描數據導入mimics,打開mimics，文件-導入圖像。2.設置視角3選擇masks-new，新建蒙層結構。4選擇3d objects-new ,選擇剛建好的蒙層，自動計算生成股骨的3d模型，通過修改每一層圖像的方式，修復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模型轉化為stl格式。5.3 人工關節(jié)的三維建模（pro/e）

24、pro/e（pro/engineer操作軟件）是美國參數技術公司（parametric technology corporation，簡稱ptc）的重要產品。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械cad/cae/cam領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現今最成功的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”，導入mimics生成的stl文件。選擇“重新定義細化網格”,得到更精細的三角面，以便建模更加精確。2.運用造型工具,根據小平面特征,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 人工股骨柄的設計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。股骨柄應與股骨預留合適的間隙。旋轉生成股骨柄柄部曲面,并用曲面光滑連接上下曲面。2旋轉生成股骨柄頭部，大小及錐度根據與之配套的髖臼杯設計。并用曲面光滑連接兩部分曲面，合并所有曲面生成實體，并將網格部分（厚度1000）修剪出，如圖所示：3復制出網格面部分曲面并生成實體，用實體剪切的方法設計出網格面，其孔隙尺寸設計為，孔隙率設計為，孔隙之間完全相互連通，并與股骨柄實體相連接。如下圖所示：4如圖所示為設計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。并將設計好的多孔結構體數據存儲為文件格式。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技術的研發(fā)與創(chuàng)新，是該領域的領導者，有著一整套的基于stl的解決方案。將上述多孔結構體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數據進行分層切片處理，獲取多孔結構體的二維信息數據，并進行快速成型制造。1.用magics打開設計好的人工股骨柄模型（stl格式）文件。2點擊工具自動修復文件如下圖所示，

27、仔細檢查3d模型，確保生成的制造文件正確。 3將關節(jié)如下圖位置擺放，制造兩件，一件做為備用產品。4選擇設備為arcam ebm s12(mm)，自動生成制造時關節(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.選擇運用“分割預覽”仔細檢查每一層的幾何形狀是否完好，選擇“分割所有”，設置層厚為0.1mm,將3d模型保存為slc格式文件,完成對stl文件的修復及分割。5.5 人工關節(jié)的ebm制造1.將設計好的關節(jié)slc格式文件調入ebm設備中,確認機器真空度,設定參數,當溫度到達后,自動開始加工。具體為：送粉機構將粉體材料送至預定區(qū)域，由鋪粉機構將粉體鋪平，然后，電子束在計算機控制

28、下按照所獲得的二維信息數據進行掃描，熔化燒結粉體材料，然后再送粉、鋪粉、熔化燒結粉體，重復此過程，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,減少磨損顆粒的產生,以延長人工關節(jié)在人體內的壽命。從而完成了關節(jié)的制造。結論一、ebm技術制造人工關節(jié)的特點1ebm技術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，同時又促進了設計思想的變革，由三維直接到三維，而不是傳統(tǒng)的三維到二維，再返回到三維的設計思路。2ebm技術大大縮短了新產品的設計周期，降低設計成本，同時在模具制造業(yè)、空氣動力試驗、工程結構分析、醫(yī)學領域中有廣泛的應用。3人工關節(jié)技術的開發(fā)若借助于ebm快速成型技術，可直接驗證設計出的關節(jié)其合理性與可靠性。4基于ebm快速成型技術的敏捷制造系統(tǒng)可縮短手術方案的論證過程，并保證手術的成功率。二、個性化定制人工關節(jié)的優(yōu)勢多孔結構表面與患者髓腔吻合1微動很小普通關節(jié)不能適合每一患者的關節(jié)，