基于人体假体设计的计算机几何辅助技术研究

摘要

假体为人体各个部分的人工修复物、替代物或辅助装置,它们或被用来修复人体某一部分因疾病或创伤而形成的解剖形态或功能性缺损,辅助或增强某些衰弱的功能;或出于美观原因被用来改变人体的某一部分.现代医学与工程学结合,计算机辅助技术的广泛应用并贯穿于假体设计、制造的全过程中,使得假体设计和制造的水平有了长足的发展和提高,为提升人类的生活水平和生命质量提供了保证.一般情况下,人体被认为是关于矢状面完全对称的,因此在设计假体时,往往将对称侧的对应部分信息直接作为患侧缺失部分的假体信息来应用,如此设计的结果,往往造成假体与人体组织的不自然过渡和连接,影响了生理功能的恢复、修复后的人体外观,并且还将影响其他组织的正常生长.然而,人体关于矢状面仅仅为基本对称,在假体设计中需要利用该特性,但也需要正确、合理的利用.本文认为构造假体的同时,需要考虑假体与周围组织的配合和过渡,为此需要正确的确定和构造假体设计所需的数据.本文采用基于AFT的空间曲面的直接接剖方法、按照一定的容差要求对曲面边界线完成了离散化处理.在剖分过程中,需要使曲面上的网格形状因子尽量接近1,本文采用空间直接构造离散点、然后将空间点沿曲面法向向曲面投影的技术路线.在保持曲面剖分自动完成的同时,保证了三角网格的良好形状因子和较小的差异性.其中,空间数据点向三维曲面上的投影是非常关键的算法,本文采用迭代的方法获得最优形状因子的投影点.为与其他CAD/CAM软件的接口考虑,将离散结果的集合按照STL格式输出,方便了输出数据的进一步处理,如快速原型制造,实体有限元网格划分等.基于本文研究工作的部分内容已经发表在《计算机辅助设计与图形学学报》、《上海交通大学学报》、《华东大学学报》等EI索源杂志上,得到了同行们的好评和认可.