毕业设计论文EBM技术在人工关节的应用.doc

北京工业大学成人教育本科毕业设计EBM 技术在人工关节的应用题 目_机械工程与自动化专 业_班 级_姓 名_指导教师_2010年 5 月 5 日毕业设计（论文）任务书 继续教育 学院 年级 机械工程与自动化 专业 层次：本科姓名性 别男学 号08题目EBM技术在人工关节的应用 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：1、 查阅国内外相关资料 ，了解目前EBM技术在人工关节的应用情况，并进行相关知识的学习。 2、 结合工作实际撰写论文。 基本要求：3月-4月：根据任务的要求进行相关知识的学习，进行论文资料的查找。4月-5月：完成论文要求的工作。5月-6月：撰写论文，进行答辩准备。主要参考资料：1 宗贵升. 快速成型技术.计算机辅助设计与制造2 马卫华，刘建国. 三维图形重建及个体化人工髋关节研究进展及现状J.骨与关节损伤杂志，20033 傅仕伟，严隽琪，姚振强，等. 快速成型技术及其在骨骼三维重构中的应用J.上海交通大学学报，19984 宋涛，归来，张智勇，等 个性化钛植入体修复大面积颅骨缺损J.创伤外科杂志，2007完成期限 年 月 日指导教师签章 年 月 日摘要 针对骨病、骨肿瘤，最理想的治疗方法是根据患者病骨的几何解剖状态，专门设计定制个体化关节治疗方案，个体化治疗中涉及到个性化植入物的应用，现存的人工关节植入物缺乏个体匹配性。基于逆向工程和EBM快速成形技术直接制造的个性化金属植入物，解决了传统制造技术无法制造,制造周期较长的问题。采用新型材料作原材料直接成型出个性化人工关节植入物将是快速成形技术在骨科应用的发展方向。针对医学领域中人工关节制造的多样性、复杂性和快速性的要求，提出利用CAD技术和快速成型技术来满足这种需求的解决方案：将骨骼的每层CT片扫描，输入计算机进行图象矢量化，所得数据点用CAD软件经过曲线重构、曲面重构,以此作为人工关节设计的依据。对这一系统的实现过程进行研究，提出了一种基于CAD技术及EBM快速成型技术来制造人工关节的敏捷制造系统框架。关键词:快速成型，人工关节，计算机辅助设计，EBM目录1 绪论11.1 课题的来源及主要研究内容11.2 论文主要完成的工作12 人工关节的概述22.1 人工关节的定义22.2 人工关节的分类22.2.1 按置换部位分类22.2.2 按固定方式分类32.2.3 按对合方式分类32.3 人工关节的发展与展望32.3.1 人工关节的发展32.3.2 人工关节的展望43 计算机辅助设计与制造53.1 CAD/CAM技术53.2 CAD/CAM在关节假体设计中的应用54 EBM技术及其原理54.1 EBM技术简介64.2 EBM机床结构及原理64.3 EBM技术的优势85 个性化定制人工关节的设计与制造95.1整体方案95.2 CT扫描数据的处理(Mimics)105.3 人工关节的三维建模(Pro/e)125.3.1 人体股骨的三维重建125.3.2 人工股骨柄的设计135.4 EBM文件处理(Magics Rp)155.5 人工关节的EBM制造18结论18致谢18参考文献20北京工业大学毕业设计（论文）1绪论多年来人们就采用各种关节成形术治疗关节强直、关节畸形和各种破坏性骨关节疾病，力图将这些有病的关节矫正和恢复功能，使之成为稳定的、不疼的并有一定的功能的，为此许多学者做出了巨大的努力。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。人工关节在关节炎及退变性疾病的治疗中取得了巨大的成功,特别是膝关节被誉为20世纪骨科发展史中重要里程碑之一。但关节解剖学及关节面几何学特征还存在较在的个体差异，特别是对于那些关节严重畸形的患都，按照统计数据进行等系列化，标准化设计的假体，往往难以满足他们的特殊需求， 缺乏个体匹配性。 若术前能针对不同的患者定制手术所需的人工假体，不仅使植入物与患区获得良好的匹配，而且缩短了手术时间。随着材料学和计算机辅助工程学的迅速发展，人工关节的加工工艺越来越精细，并使得个性化的设计、制造普及成为可能。一、个性化定制关节可以根据每个患都的实际情况量身定做，提高假体植入后的稳定性，并更为有效地恢复患者的生理状态下的关节解剖学及运动学特征，从而减少由于假体匹配不良及固定不合理而导致的过早松动。二、计算机技术以及现代制造技术的讯猛发展，特别是CAD/CAE/CAM与临床相结合,为个性化定制人工关节的开发提供了前所未有的手段。三、通过三维图形重建、快速成型、CAD/CAM等技术，保证了假体设计与制作的科学性与精确性。形成了以满足个体患者需要为目的的定制型人工关节制造体系，建立了生产速度、产品价格与质量监控均能符合临床要求的制造-应用流程。1.1 课题的来源及主要研究内容本课题是北京幸福曼德智能工程技术有限公司，运用EBM技术为患者提供个性化定制人工关节。目标是根据患者的实际情况设计最适合患者的人工关节，通过EBM快速成型机制造出具有特殊表面的人工关节。1.2 论文主要完成的工作本论文要完成的工作主要是： 设计安全可靠，能与患者髓腔精确匹配的人工关节。着重运用CAD/CAM及EBM技术及可行措施，确保人工关节具有可靠的稳定性、先进的性能,长久使用寿命和质量。一、了解人工关节的基本知识及发展。二、熟练掌握EBM技术及EBM原理。 三、个性化定制人工关节结构的三维设计: 运用CAD/CAM技术对患者的CT原关节CT 扫描图像经过计算机图像处理，得到了人体关节各层截面的几何轮廓，得到的原始数据是人工关节CAD模型三维重建的基础，并利用Pro ENGINEER软件进行个性化定制人工关节的建模。四、个性化定制人工关节的制造：将设计好的关节3D文件用MAGICS RP转换为EBM机器所支持的格式，用EBM快速成型机制造出人工关节。2人工关节的概述2.1 人工关节的定义          人工关节是人们为挽救已失去功能的关节而设计的一种人工器官，它在人工器官中属于疗效最好的一种。一般来说，其使用年限可达20年以上。随着科技进步，人工关节手术已经是一种十分成功和有把握的手术：它可以即刻消除关节疼痛、恢复关节的正常活动功能，使长期受关节病痛折磨的人们再次获得新生，手术后可以象正常人那样，行走、爬楼、外出旅行、外出工作、购物和体育锻炼等。个性化定制人工关节是以计算机辅助设计和快速成型技术为核心，立足于关节假体生物力学性，功能性、稳定性、可靠性及耐用性的设计原则，为患者量身定制的人工关节。2.2 人工关节的分类人工关节按照不同的分类原则可以有如下几种不同的分类:2.2.1 按置换部位分类按关节被置换的部分分,目前就用于临床的人工关节有:髋关节、人工股骨头、膝关节、肘关节、腕关节、肩关节、踝关节及指关节等。 最常见的人工髋关节和人工膝关节。2.2.2 按固定方式分类按关节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 按对合方式分类 按关节的对合方式分，有金属对聚乙烯，陶瓷对陶瓷，金属对金属等类型。总之，对人工关节正确而合适的选择是整个手术治疗过程中的一个非常重要甚至是决定性的环节。2.3 人工关节的发展与展望2.3.1 人工关节的发展人工关节的发展和我国骨科的发展同步前进，建立在人工关节成型术的基础上。人工髋关节则更具有代表性，体现在理论上的完善，技术上的成熟，国产化较早，临床应用较为广泛等。人工关节的发展在我国可分为三个阶段：第一阶段：20世纪50年代我国老一辈骨科专家范国声教授(图1-1)应用聚甲基丙烯酸甲酯(methyl polymethacrylate)为材料的Judet型人工股骨头(图1-2)，为7例高龄股骨颈骨折病人半髋置换术(图1-3)。1963年报告其治疗结果,优良率为4/7，这是我国有关人工关节的最早报道。第二阶段：20世纪70年代后期，我国的骨科医生和工程师相结合，开始自行生产仿MOORE型自锁金属人工股骨头，分别在北京、上海进行批量生产，供应全国。分别采用不锈钢，钴-铬-钼合金及钛合金为材料，从而发展了生物医学工程。1981年在王桂生教授的领导及积极推动下，在中国生物医学学会内成立了中国人工关节二级学会。学会委员由医生和工程师共同组成，对我国人工关节的发展起到了促进作用，并在江西南昌召开了第一届全国人工关节会议，参加会议的有医生、工程师及技术人员，会上进行了论文报告及学术交流，更加密切了医,工的结合。此后各种类型人工关节相继生产并应用于临床，国产骨水泥在天津和上海相继研制成功，同时生产出配套的手术器械，我国人工关节技术进入了一个较快发展阶段，但假体在制作工艺和质量上仍处于初级阶段。第三阶段：20世纪90年代以后，由于国家的改革开放开放政策的影响，欧美等国各大人工关节公司的产品进入中国市场，多达二十余家，它们带来的不仅是产品，现时也带来了技术和经验。众多骨科医生出国留学，访问及参加国际学术会议；国外学者来华访问，进行学术交流，促进了中国人工关节的发展及产品质量的提升。近10余年来，虽然我国人工关节受到国外产品的很大立足于冲击，但产品质量已有了较大的提升，正处于提高发展阶段。回顾50年的历程，中国国产人工关节假体从无到有，关节种类由少到多，涉及内容从临床应用到基础研究，各个方面正逐步完善提高，已迈上了一个新台阶。但和国外相比，仍然有10年以上的差距，随着我国经济的发展和骨关节病病人的增多，对人工关节的需求也日益增加，我们相信在广大骨科医生和工程技术人员的共同努力下，我国人工关节假体及技术可望在较短时间内缩小同国外的差距，达到国际先进水平，更好的地服务于广大的患者。2.3.2 人工关节的展望 自从John Chamley首先开创人工关节置换到今已有四十多年的历史。在此期间，有许多模型设计和改变和固定技术的提高，但是，超高分子聚乙炳磨损和假体周围骨溶解仍是一个无法完全防止的难题.因此,新的研究热点集中于改进固定技术,减少磨损颗粒的产生,以延长人工关节在人体内的寿命。 材料科学的发展也将大大推动人工关节的进步。其中，由于钛及其合金不但具有良好的生物力学性能，而且具备良好的生物相容性，因此使用最为广泛。20世纪70年代末，假体生物学固定兴起，主要是利用骨长入假体的表面微孔，从而达到牢固固定。在假体的表面制作多孔结构，为细胞，组织的长入提供空间，促进新生组织与假体的长合，实现生物固定，是近几年国内外研究的一个热点。研究表明，假体表面的孔隙结构直接影响着组织的长入和新骨的形成。 目前，在假体表面制造多孔结构的主要方法有烧结和等离子喷涂技术。其中，等离子喷涂技术是目前普遍采用的一种在假体表面的局部制备多孔结构的方法。这一技术是采用等离子弧作为热源，将金属材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法，属于高温热处理技术。在向假体表面喷涂金属粉末的过程中，由于高温的作用，假体本身的力学性能就会受到影响，导致假体力学性能的降低，置换到人体后容易发生断裂。而且，所制备的孔隙十分不规则，无法保证孔隙之间的相互连通性。因此，在不降低假体力学性能的前提下，构建假体表面局部规则的，相互连通的孔隙结构，为细胞，组织长入提供空间，促进新生组织与假体的长合，具有重要的工程意义和临床应用价值。总之，近年来人工关节的设计，制造和手术等方面均有长足的进步，假体的寿命也相对延长，临床效果更有显著的进步，设想一个人工关节能够如同人体的正常关节一样，具有几十年的寿命而没有其它副作用，仍需在许多方面继续深入研究与改进，相信这种“理想”的人工关节在将来一定会产生。3计算机辅助设计与制造临床和实验研究均表明：非骨水泥固定关节假体在髓腔内的初始稳定性对骨组织而非纤维组织长入假体和提高假体在人体内的存留率非常重要，因此，利用计算机收集CT扫描信息，进行三维重建，并在此基础上进行计算机辅助设计和制造，生产出个性化的关节假体将成为今后人工关节的研究方向之一。3.1 CAD/CAM技术CAD/CAM为英文 computer aided design/computer aided manufacture 的缩写，意思为计算机辅助设计和制造。CAD/CAM技术经常同在规模生产有关，过去的30年里，由于CAD/CAM技术的应用，变革了航天，汽车等工业。近20年来，CAD/CAM技术在骨科领域里逐渐应用于人工关节的设计和生产。1978年Herman和Liu首先提出利用CT扫描片进行三维重建，20世纪80年代开始应用于临床。近年来，随着计算机技术的飞速发展，借助计算机的快速运算能力和成像功能，可将一系列的二维图像的位置变化构成三维图像，并可通过旋转和剖切等功能，提高三维重建的精度和速度。3.2 CAD/CAM在关节假体设计中的应用首先对要患者修复关节进行CT扫描，然后提取CT扫描图像和数据，建立关节的三维立体图像。通过几何变换，设计出符合病人关节几何形状和术者要求“精确匹配”的假体的三维结构。 4EBM技术及其原理EBM(Electron Beam Melting) 电子束熔融技术是由瑞典ARCAM公司开发，广泛应用于医疗，航空航天工业，汽车制造等行业。EBM设备中利用高能电子束逐层熔融金属粉末,制造出致密的金属零件。每一层的几何形状都依据3D模型精确熔融。EBM技术利用高能量电子束提供高的熔融能力和高生产率。制造零件设计 4.1 EBM技术简介EBM制造过程是一个精确控制的过程，确保在制造过程中的每一步都能够输入适量的能量，这是制造出优异性能零件的关键。电子束采用电磁线圈控制，而不是光学和机械运动部件控制， 电磁线圈能够很好的控制电子束和电子束极快的移动。一、真空技术真空系统的设计旨在保证在整个制造周期中，真空度高于1x10-4 。洁净的制造环境对于产品的力学性能是至关重要的。 零件在真空下制造，力学性能明显优于铸造,可与锻造相媲美。二、热量控制制造过程中，每一层粉未电子束都自动加热到材料熔融的最佳温度。因此，用EBM制造的零件没有残余应力和扭曲变形。三、多波束技术Arcam的多波电子束技术利用了EBM技术中电子束极快偏转的特性，允许多个电子束同时融化粉未。精确控制每个电子束的能源输入得到更精细的产品表面。4.2 EBM机床结构及原理该设备是由瑞典Arcam 公司制造，使用Arcam的电子束熔融专利技术。目前将该设备用于医疗的主要客户有:-Nakashima Medical, Japan-Medical Modeling, USA-Lima Corporate Italy -NC State University USA-北京幸福曼德智能工程技术有限公司，中国一、EBM机床结构二、电子束原理 EBM®1.电子枪内产生高能量电子束2.电子束按理想几何熔化每层金属粉末，控制系统可以控制速度极快的电子束的移动3.真空熔化过程消除杂质并保证了材料性能的高强度4.高温环境使的零件得到了很好的稳定性和很低的内部残余应力5.低成本4.3 EBM技术的优势目前市场上的快速成型技术大多数只能用于塑料和纸制品模型的制造，其制成品一般用于设计仿真验证。只有少数几家公司具备基于粉末烧结方法的金属快速制造技术，烧结法对金属材料的选用、粘接剂的指标性能均有着很高要求，而电子束熔融技术在上述各方面具有明显优势。电子束熔融技术使得自由形体制造（FFF）使用金属材料具有可能性，这给工业产品的高效发展提供了全新的机会。以物理细节形体输出CAD 文件的机会已对工业世界产生了重大的冲击。在现代产品发展中，快速生产原型、功能性细节和生产工具的能力非常重要。5个性化定制人工关节的设计与制造5.1整体方案 MimicsPro/EMagics RPEBM图5-1如图5-1所示：1运用Mimics(交互式的医学影像控制系统)，将患者的CT扫描数据转化为我们所需要的3D文件格式。2运用Pro/E根据患者的骨骼设计股骨柄3D文件。3运用Magics RP对设计好的股骨柄进行处理，转换为EBM设备所支持的格式。4运用EBM设备制造出股骨柄。5.2 CT扫描数据的处理（Mimics）Mimics是利时Materialise公司开发的介于医学与机械领域之间的一套逆向软件。可以快捷的将CT或是MRI的断层扫描的二维图像转化为机械领域中CAD/CAM软件或完全的三维模型。1将患者的股骨的dicom格式CT扫描数据导入Mimics,打开Mimics，文件-导入图像。2.设置视角3选择Masks-New，新建蒙层结构。4选择3D Objects-New ,选择刚建好的蒙层，自动计算生成股骨的3D模型，通过修改每一层图像的方式，修复3D模型删除我们不需要的一些组织。5选择Masks-STL+,将自动生成的3D模型转化为STL格式。5.3 人工关节的三维建模（Pro/E） Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。5.3.1 人体股骨的三维重建1.新建文档命名为BONE，选择“插入小平面特征”，导入Mimics生成的STL文件。选择“重新定义细化网格”,得到更精细的三角面，以便建模更加精确。2.运用造型工具,根据小平面特征,绘制出患者股骨轮廓线及部分截面线。用边界混合工具扫描出股骨各面，完成股骨的建模。如下图所示：5.3.2 人工股骨柄的设计1新建ASM档，装配BONE，新建BONE_HIP股骨柄文件，参考BONE文件，草绘出如图曲线。股骨柄应与股骨预留合适的间隙。旋转生成股骨柄柄部曲面,并用曲面光滑连接上下曲面。2旋转生成股骨柄头部，大小及锥度根据与之配套的髋臼杯设计。并用曲面光滑连接两部分曲面，合并所有曲面生成实体，并将网格部分（厚度1000）修剪出，如图所示：3复制出网格面部分曲面并生成实体，用实体剪切的方法设计出网格面，其孔隙尺寸设计为，孔隙率设计为，孔隙之间完全相互连通，并与股骨柄实体相连接。如下图所示：4如图所示为设计完成的股骨柄装配档，从图中可以看出股骨柄与患者股骨完全吻合。可以利用PRO/E的间隙检测功能来检查有无干涉。并将设计好的多孔结构体数据存储为文件格式。5.4 EBM文件处理(Magics Rp)Magics RP 软件是全球著名的STL编辑处理平台，专注于STL技术的研发与创新，是该领域的领导者，有着一整套的基于STL的解决方案。将上述多孔结构体CAD模型输入到快速成形系统，该系统主要用于控制电子束的扫描路径，利用该系统中的Materialises Magics RP软件对CAD数据进行分层切片处理，获取多孔结构体的二维信息数据，并进行快速成型制造。1.用Magics打开设计好的人工股骨柄模型（STL格式）文件。2点击工具自动修复文件如下图所示，仔细检查3D模型，确保生成的制造文件正确。 3将关节如下图位置摆放，制造两件，一件做为备用产品。4选择设备为Arcam EBM S12(mm)，自动生成制造时关节所需要的支撑，如下图红色部分，人工修整后如下图黄色部分所示。5.选择运用“分割预览”仔细检查每一层的几何形状是否完好，选择“分割所有”，设置层厚为0.1MM,将3D模型保存为SLC格式文件,完成对STL文件的修复及分割。5.5 人工关节的EBM制造1.将设计好的关节SLC格式文件调入EBM设备中,确认机器真空度,设定参数,当温度到达后,自动开始加工。具体为：送粉机构将粉体材料送至预定区域，由铺粉机构将粉体铺平，然后，电子束在计算机控制下按照所获得的二维信息数据进行扫描，熔化烧结粉体材料，然后再送粉、铺粉、熔化烧结粉体，重复此过程，直到形成整个试件。2等制造好的试件放置在真空室中的粉体堆里慢慢冷却，进一步冷却至室温后取出，去除沾粘在试件上的多余粉体，去除支撑部位。3如下图所示，车削股骨柄头部，并抛光其它部位,减少磨损颗粒的产生,以延长人工关节在人体内的寿命。从而完成了关节的制造。结论一、EBM技术制造人工关节的特点1EBM技术采用了材料层层精确堆积的思想，突破了传统的“毛坯成品”的模式，同时又促进了设计思想的变革，由三维直接到三维，而不是传统的三维到二维，再返回到三维的设计思路。2EBM技术大大缩短了新产品的设计周期，降低设计成本，同时在模具制造业、空气动力试验、工程结构分析、医学领域中有广泛的应用。3人工关节技术的开发若借助于EBM快速成型技术，可直接验证设计出的关节其合理性与可靠性。4基于EBM快速成型技术的敏捷制造系统可缩短手术方案的论证过程，并保证手术的成功率。二、个性化定制人工关节的优势多孔结构表面与患者髓腔吻合1微动很小普通关节不能适合每一患者的关节，假体与骨之间留有较大空隙，假体与骨之间产生微动。定制式人工关节能与髓腔高度吻合，大大减少假体与骨之间的空隙，减少了微动的发生，降低了假体松动的发生率。2骨吸收少假体与髓腔的高度吻合，使假体所受力均匀传至骨骼，减少应力遮挡作用产生的骨萎缩和骨吸收。定制式假体与骨的密切锁配减少或阻止了膜屑在假体和骨间的存在和移动，从而防止了骨的吸收和界膜形成。3良好的稳定性 CAD/CAM 定制式假体最大限度占据了髓腔并在安装时损失的骨量很小，增加了其稳定性，可显著延长假体的使用寿命和质量。 4EBM技术制造的表面特殊多孔结构，利用骨长入假体，从而达到牢固固定。在假体的表面制作多孔结构，为细胞，组织的长入提供空间，促进新生组织与假体的长合。三、展望骨科是临床应用金属植入物最多的学科，除了人工关节，还有众多个体化金属植入物可在骨科推广应用，这将使骨科的手术治疗提升到个性化治疗阶段，极大地提高手术的效率和准确性。解决目前个性化钛植入物翻模制造、周期较长的问题，有利于个体化金属植入物在骨科的广泛应用。EBM快速成型技术正朝着精密化、高精度、标准化、低成本等方向发展，并且可以实现真正意义上的绿色制造，采用新型材料作为原材料直接成型出个性化金属植入物将是RP技术在骨科应用的发展方向。致谢在本论文的写作过程中，我的导师裴魏老师倾注了大量的心血，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，她给了我耐心的指导和无私的帮助，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。参考文献1 宗贵升. 快速成型技术.计算机辅助设计与制造2 马卫华，刘建国. 三维图形重建及个体化人工髋关节研究进展及现状J.骨与关节损伤杂志，20033 傅仕伟，严隽琪，姚振强，等. 快速成型技术及其在骨骼三维重构中的应用J.上海交通大学学报，19984 宋涛，归来，张智勇，等 个性化钛植入体修复大面积颅骨缺损J.创伤外科杂志，20076 李祥、王成焘，局部可控多孔结构人工关节假体的制备方法 上海交通大学 20087 罗先正，邱贵兴，人工髋关节学 中国协合医科大学出版社 20038 尚永刚，姜保国 ，计算机辅助股骨近段髓腔结构三维重建及个体化股骨假体设计 北京大学人民医院创伤骨科21