基于CT图像的人工假体3D打印建模技术研究

摘要

科学技术的进步促进了人类社会的快速发展，给人们的生活方式带来了极大的改变和影响，也为人类的医疗健康带来方便。随着人们生活节奏的变化及生活方式的改变，各种腰、脊椎疾病已经越来越成为困扰各类人员的常见疾病。虽然医学诊疗技术和腰脊椎外科手术也取得了一定的成果，但是对于一些特定的，靠手术无法恢复的病症来说，合适的人工假体就变得非常有必要了。人工假体主要用于替换人体受损的组织或部位，而3D打印作为新兴的制造技术，其个性化制造特点能有效解决传统假体生产中的假体结构、厚度及位置不对应等问题。由于目前假体3D打印国内还没有颁发临床许可，仍处于临床试验研究阶段。因此，对假体3D打印在材料性能、三维建模、镂空厚度和受力形变分析等方面的研究是迫切的。
　　本文依托计算机可视化技术，以医学CT图像和脊椎医学理论为基础，深入分析了基于脊椎CT图像数据的三维建模技术。文章工作主要分为三大部分，首先，主要针对面绘制和体绘制算法进行实现并比较研究选出了可以减少脊椎三维重建计算量的绘制方法，同时对三维建模中区域生长算法进行了验证实现和缺陷弥补，进行了有效的模型切割；其次，通过对输入图像和构建模型的深入分析，设计改进了一种基于高斯曲率值的特征点标注方法，一定程度上解决了脊椎假体模型分析中的特征点标注精确度的问题，后续构建了脊椎节段的有限元体网格模型；最后，对假体模型进行有限元力学分析得出假体的结构特性、载荷边界条件等，通过和正常模型进行比对，及时发现结构缺陷，有助于进一步优化结构设计。通过分析3D打印的分层切片算法对模型生成镂空的拓扑结构、分层处理后得到可以进行3D打印最终椎体模型。从数据读入到模型建立，从模型有限元分析再到3D打印输出，论文为3D打印个性化假体模型提炼总结出了所要经历的全部流程，为后续医学诊断和手术操作提供可循的依据。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1 .1研究背景与意义

1 .2国内外研究现状

1 .3本文的研究内容

1 .4论文章节安排

第二章 相关理论和技术

2 .1 CT图像格式及成像原理

2 .2人体脊椎的构造

2 .3有限元方法介绍

2.4 Simpleware架构及应用

2 .5本章小结

第三章 脊椎模型三维重建及特征点标注

3 .1脊椎模型三维重建算法的研究和实现

3 .2基于图像分割法的脊腰椎分割建模技术

3 .3特征点标注选择算法

3 .4本章小结

第四章 脊椎假体模型的有限元力学分析

4 .1脊椎的有限元模型

4 .2假体模型和正常模型的力学分析比较结果

4 .3本章小结

第五章 假体模型3D打印设计实现

5.1 3D打印切片算法

5.2 3D假体模型待打印处理

5.3 3D假体模型的实际应用效果

5 .4本章小结

第六章 总结与展望

6 .1工作总结

6 .2未来展望

参考文献

致谢

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