面向人工骨的3D打印机结构设计及骨三维重建方法研究

摘要

随着医疗以及工业领域的快速发展，人们对于医疗手术的先进性，高效性有着迫切的要求。在人工骨医疗研究领域中，骨三维重建技术与3D打印机技术相结合制备人工骨具有重要地位，人工骨的用途有两方面，其一是制备人体骨骼模型用于临床研究实验，其二是对于像粉碎性骨折患者这样无法通过常规手术的固定方法来固定骨折部位的情况，可以通过基于CT图片三维重建的方式对骨折部位的骨骼进行虚拟复位重组，建立比较完整的骨折块，通过3D打印的形式制备人工骨用于骨折患者的手术中去，帮助骨折患者恢复正常的行动能力。本文主要设计了一种新型的熔融沉积(FDM)型人工骨3D打印机的机械结构，并对骨三维重建方法进行研究。
　　为满足打印制备人工骨的要求，提出以熔融沉积原理为基础的人工骨3D打印机机械结构总体设计方案，以提高打印机加工难易度、结构紧凑、降低经济成本等方面为出发点，为打印机的执行机构进行选型;通过设计尽可能的减弱复杂机构加工、装配误差影响，设计以Delta机构以及附属机构为主体的执行机构，根据尺寸关系设计打印机各个部件，根据打印人工骨的材料理化性质对喷头进行优化设计。
　　推导Delta机构运动学逆解并对执行器末端进行运动空间仿真分析，确定打印机执行器末端的可达空间;完成打印机装置元器件的选型工作，设计控制系统。
　　分析通过CT图片进行三维重建方法的可行性;基于CT图片对人体骨骼进行三维重建，通过体渲染的方式对骨骼模型进行重建前的可视化观察分析，对CT图片进行预处理，最后重建出可以用于人工骨3D打印机制备人工骨的骨骼模型。
　　研究分离目标骨骼的方法，通过对比观察优选出最有效的分离提取目标骨骼的方法;设计实验方法对提取出的目标骨骼隐蔽处的骨骼像素缺失部位进行修复并进行光滑处理提高模型美观度;针对粉碎性骨折的病人需要骨折虚拟复位的问题，采用常用的骨折复位方法进行复位，提出高效的新方法进行骨折复位，并对两种进行分析比较，最终确定最合适的骨折复位方法，准确地得到患者健康状态下的骨骼模型，保存为适用于3D打印的文件格式。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及意义

1．1．1课题背景

1．1．2目的及意义

1．23D打印技术及三维重建技术的简介

1．2．1 3D打印技术简介

1．2．2三维重建技术简介

1．3 3D打印技术与三维重建技术在人工骨方向上的研究现状

1．3．1国外3D打印技术与三维重建技术在人工骨方向上的研究现状

1．3．2国内3D打印技术与三维重建技术在人工骨方向上的研究现状

1．4论文研究的主要内容

第2章人工骨3D打印机结构设计

2．1面向人工骨3D打印机的总体方案

2．2．1 Delta机构选型

2．2．2静平台结构设计

2．2．3主动臂结构设计

2．2．4从动杆结构设计

2．2．5齿轮减速器结构设计

2．2．6 Delta机构总体设计

2．3 3D打印打印机喷头结构设计

2．4工作平台结构设计

2．4．1工作平台调平机构结构设计

2．4．2工作平台升降机构结构设计

2．4．3 3D打印系统成形室设计

2．4．4工作平台总体结构设计

2．5箱体结构设计

2．6面向人工骨的3D打印机总体结构设计

2．7本章小结

第3章Delta机构运动学分析及控制系统方案与选型

3．1运动学逆解推导

3．1．1坐标系建立

3．1．2位置逆解分析

3．1．3工作空间分析

3．1．4基于Matlab的Delta机构运动空间仿真

3．2测控系统总体方案

3．2．1测控系统的系统组成

3．2．2测控系统总体方案

3．3测控系统硬件设计

3．3．1工控机

3．3．2运动控制卡

3．3．3驱动器

3．3．4步进电机

3．3．5零位开关

3．3．6信号调理模块

3．3．7数据采集卡

3．3．8传感器的选型

3．4本章小结

第4章基于CT图片的骨三维重建方法的研究

4．1骨体渲染与初始蒙版建立

4．1．1 CT数据的导入

4．1．2 体渲染

4．1．3 CT值分布

4．1．4初始蒙版的建立

4．2蒙版预处理

4．2．1初始蒙版的整体像素填充处理

4．2．2蒙版的几何运算

4．2．3蒙版图填充处理

4．3骨三维重建

4．4本章小结

第5章目标骨骼分离与骨折虚拟复位方法研究

5．1．1基于区域增长功能进行模型分割

5．1．2修复重建模型的像素缺失表面

5．1．3解决重建模型的表面粗糙问题

5．2在三维模型上分离目标骨骼的方法研究

5．2．1基于三维蒙版编辑的目标骨分离方法研究

5．2．2基于三维蒙版编辑的目标骨无干涉提取方法研究

5．3针对粉碎性骨折复位的实验

5．3．1三维重建粉碎性骨折患者的骨折模型

5．3．2目标骨骼模型提取法在建立骨折患者骨三维模型中的应用

5．3．3平移旋转法虚拟复位骨折模型

5．3．4点对点的半拟合骨折虚拟复位

5．4．1三维重建骨缺损模型

5．4．2基于MATIC的虚拟骨片建立

5．4．3建立骨缺损部位的破损轮廓线

5．4．4建立骨缺损部位的空间轮廓线

5．4．5建立虚拟骨片

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢