材料成型及控制工程专业论文范文参考 材料成型及控制工程专业毕业论文范文[精选]有关写作资料

目录

1. 第一篇材料成型及控制工程专业论文范文参考：挤出加工流场中聚合物成型机理及其工艺模拟与优化研究
2. 第二篇材料成型及控制工程专业论文样文：污泥复合燃料热利用特征与灰渣成型性能
3. 第三篇材料成型及控制工程专业论文范文模板：基于层合速凝原理的陶瓷件快速制造设备及材料成型研究
4. 第四篇材料成型及控制工程专业论文范例：规模扩张以来高校专业结构变化研究
5. 第五篇材料成型及控制工程专业论文范文格式：计算机辅助个体化导航模板在膝关节置换中的应用基础研究

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第一篇材料成型及控制工程专业论文范文参考：挤出加工流场中聚合物成型机理及其工艺模拟与优化研究

高分子材料、木材、金属和硅酸盐并称世界四大材料体系,是国民经济和国防建设中重要的生产材料.围绕高分子材料,目前已形成了门类齐全的高分子材料加工工业体系并在国民经济中占有重要地位.挤出是高分子材料成型加工中一类重要工艺,通过挤出模具能够模塑所有的热塑性材料和某些热固性材料,可以生产管材、板材、棒材、网材、单丝、薄膜、异型材、发泡型材、多种材料复合制品以及线缆等带包覆层的工业制品.挤出成型过程中,受温度、压强、应力以及作用时间等变化的影响,体系中聚合物熔体的聚集态结构和化学结构会发生变化.挤出工艺条件在很大程度上决定着材料的结构和性能,并最终影响成型制品的外观和质量.

由于挤出成型过程影响因素较多,借助常规实验方法,成本高且耗时费力.目前,围绕聚合物挤出流动过程所开展的实验研究大多在实验室中完成,其实验目的主要是从研究材料自身流变性出发,以简单剪切和拉伸流动为测试模型.由于先进测试方法难以直接引入挤出工艺现场,普通测试方法又不可避免会对挤出加工流场中聚合物熔体流动行为造成影响并导致大量系统误差,因此,实验方法只能定性但难以定量描述聚合物加工中的实际流变行为.数值模拟技术经过近几十年的发展,其对于大规模复杂物理和工程问题的优秀解算能力吸引了科研人员的目光,并逐步在力学、传热学、材料学等诸多领域得到广泛应用,加快了现代科技发展步伐.

本文探讨了数值模拟技术在聚合物流变学中的应用,研究了聚合物挤出成型过程的模型化理论和数值计算方法,构造了能够描述挤出过程中聚合物流变行为特点的物理和数学模型.通过数值模拟技术,成功预测挤出加工流场中聚合物熔体的流动速度、应力和温度等重要场变量分布特点及其变化规律,讨论并分析聚合物的复杂流变行为及其成型机理.将成型过程数值模拟技术与现代优化设计理论相结合,建立并运用相应的优化模型和算法,实现成型工艺与制品质量的优化控制.

在聚合物流变学基础上,结合流体动力学理论,建立了基于Euler描述的非牛顿流体三维非等温流动数学模型.采用基于低阶插值的罚函数有限元方法,成功避免了混合有限元方法中为稳定压力项求解所采用的高阶插值,从而有效利用运算资源,将求解空间扩展至三维.充分考虑了剪切速率和温度变化对材料流动性的影响,采用非线性粘度模型,实现了流动与传热的耦合求解.通过线性化交替迭代算法,在迭代过程中实现非线性项的线性化,减小了初始变量分布对计算收敛性影响.采用流线迎风Petrov-Galerkin(SUPG)方法,通过构造非对称权函数来增大流场中来流上游效应,克服了标准伽辽金(Galerkin)方法在处理对流扩散方程时因对流占优所引起的数值振荡问题.通过理论分析,推导了幂率流体圆管泊肃叶(Poiseuille)流动中的各场变量分布函数,将模拟与理论结果进行比较,以验证该非牛顿流动数学模型与数值计算方法的可靠性.

本文所建立的非牛顿流体三维非等温流动数值模拟技术不仅可用于分析一般非牛顿流动问题,在处理目前流动模拟技术难以预测的复杂工艺问题时也表现出较强的适应性.基于该方法,本文首次针对一类新型复合共挤出工艺——异型材钢塑共挤工艺过程开展了数值建模及其工艺分析工作.根据其不同于常规挤出工艺的特点,建立了该工艺过程中聚合物成型的数学模型,通过模拟计算,得到聚合物熔体由测向导入至复合成型整个流动过程的速度、温度、应力和压力等各场变量的分布,掌握了聚合物熔体的流动特点与成型规律,讨论了体积流量和钢衬移动速度变化对各场变量分布的影响.定义流速分布相对均差作为判断挤出流动平衡性的依据,模拟并得到不同导入角角度和分流段长度对挤出流动平衡的影响,分析结论可为实际异型材钢塑共挤工艺设计提供理论指导与支持.

挤出加工流场中的聚合物熔体除了具有非牛顿流动特性外,还表现出较强的弹性流动特点.针对该问题,本文建立了能够真实反映成型过程中聚合物熔体粘弹流变特性的三维粘弹非等温流动数学模型,构造了稳定的有限元数值求解方法并将其成功应用于聚合物挤出工艺模拟与分析中.采用PTT(Phan-Thien—Tanner)本构模型描述聚合物熔体的粘弹流变行为,在反映聚合物熔体剪切流动特点的同时,能较真实地反映其拉伸流动特点.考虑粘弹介质特有的能量耗散模式,在热力学第一定律基础上,根据非平衡不可逆热力学理论首次推导了该粘弹介质的能量守恒方程.将粘弹性附加应力张量作为有限元基本解,采用解耦方法实现了三维空间中速度场、温度场和流动应力场的多物理场稳定求解.将应力张量作为拟体力项处理后,动量方程会失去椭圆性并导致计算结果发散.通过分离粘弹分裂(DEVSS)方法,引入稳定化因子对动量方程进行椭圆化处理,提高了速度场求解的稳定性.采用非协调流线迎风(SU)方法克服了本构方程在对流占优时的数值振荡问题,实现了应力场的稳定求解.通过对粘弹流体4:4:1收缩流动模拟结果与polyflow软件模拟结果的比较,证明本文所建立的粘弹流动模型和数值计算方法的合理与可靠性.将该模型与方法成功应用于异型材挤出工艺过程模拟,讨论了网格密度、罚数和能量分割系数等计算控制参数对模拟结果的影响.分析了中空异型材挤出过程中聚合物熔体的流动速度、温度和应力分布,讨论了加工流场中聚合物熔体的粘弹流动特点,获得了工艺条件和口模结构参数变化对聚合物流变行为的影响规律.

挤出胀大是聚合物挤出成型工艺中无法回避的一个问题.由于加工中聚合物熔体的粘弹流变特性,熔体离开口模时,形变回复等会导致聚合物熔体的挤出胀大,表现为挤出物截面形状和尺寸发生变化,对挤出制品的尺寸和精度造成影响.本文在粘弹流动数值模拟技术基础上,建立了聚合物熔体三维挤出胀大的数学模型和数值求解方法并编制了相应的有限元模拟程序.针对一种工业用低密度聚乙烯(LDPE)的挤出胀大问题开展了实验及其数值模拟研究.通过控制应变流变仪分别得到小幅振荡剪切流动中储能和耗能模量的分布以及稳态剪切流动中剪切粘度和第一法向应力差的分布.采用非线性回归方法拟合流变测量实验结果,得到以PTT本构模型表征的材料线性和非线性粘弹流变参数.通过间接测量,得到不同螺杆转速时LDPE通过圆形口模时的出口挤出胀大比.采用本文所建立的聚合物挤出胀大数学模型及其数值求解方法,对实验条件下LDPE的挤出胀大过程进行模拟,比较了挤出胀大比的实验和模拟结果.通过挤出胀大数值模拟,进一步讨论了LDPE通过圆环口模时的出口挤出胀大问题,得到实验中难以测得的流动速度和应力等场变量分布,可对挤出胀大特点及其形成机理进行定性与定量分析和预测.

聚合物挤出成型过程数值模拟是被动式的,实际应用中需依靠专业工程技术人员的智力、知识和经验,对计算结果进行分析、评价,然后修改设计.本文将挤出成型过程数值模拟技术与优化设计理论相结合以实现成型过程与制品质量的优化控制.在成型过程模拟技术基础上,提出了一种基于数值模拟、前馈神经网络和遗传算法的聚合物挤出工艺与模具优化设计方法.根据挤出流动平衡原则,建立了以出口流动均匀性为目标,以工艺和模具结构参数为设计变量的优化模型.通过成型过程数值模拟获得目标函数值以建立训练神经网络模型的样本库,采用反向误差传播算法进行网络学习,建立用于预测隐目标函数的神经网络模型,从而有效减小有限元模拟计算量.通过遗传算法与神经网络的交互运算,得到优化结果,使设计建立在科学分析的基础上从而提高挤出加工工艺设计水平.探讨了该优化设计方法各模块计算实施中的关键技术问题,编制了聚合物挤出工艺与模具优化设计程序.分别针对异型材钢塑共挤工艺过程和片材挤出工艺过程进行优化设计并达到相应的优化目标.

数值模拟技术在聚合物加工工程领域的应用已成为计算流变学的重要分支之一.近年来,尽管流体力学数值方法取得了较大进展,但在处理复杂流动问题时,其解算能力仍受到流动区域和计算稳定性的限制.尤其对于复杂工程与工艺问题,其数学建模和数值模拟关键技术研究鲜有报道.本文针对挤出加工流场中聚合物熔体非牛顿粘性和弹性流动特点所建立的数学模型以及所构造的稳定数值计算方法,对于丰富计算流变学具有一定的理论意义.针对挤出工艺过程中聚合物熔体的复杂流变行为及其成型机理所作的分析与研究,以及基于此所开展的成型工艺模拟与优化工作具有较大的工程应用价值.

第二篇材料成型及控制工程专业论文样文：污泥复合燃料热利用特征与灰渣成型性能

城市污泥是污水处理工艺过程中产生的固体废弃物.随着我国城市化进程的加快,污水处理设施的建设完善,污泥产生量也越来越大.污泥具有含水率高、力学性质差、含有大量的有毒有害物质,且占地面积大等特点,如果得不到妥善地处理处置,将会带来严重的环境问题.

随着人们观念的转变和技术进步,各类所谓的“污染物”开始被视作“放错位置的资源”而加以回收利用.有研究表明,污泥中含有大量的有机组分,占污泥干重的50%左右,其热值与褐煤相当,可以进行能源化利用.到目前为止,污泥作为能源而加以利用的方法主要包括厌氧消化、微生物燃料电池、气化和热解、燃烧和混烧等.其中,燃烧和混烧可直接实现能量转化,且设备技术相对成熟,被认为是当前最经济可行的污泥能源转化方式.

本文采用污泥-煤混合成型→干化→热利用→灰渣利用的过程,在不增加能耗基础上,实现污泥中能量的回收利用之目的,并对产生的灰渣进行完全利用.

80%左右的含水率是污泥燃烧利用的主要障碍,通过将煤和污泥复合成型制备成复合燃料,可以实现燃烧过程的能量供给平衡,同时可加速复合燃料中污泥含水的干化速率.本文研究了污泥含水率、污泥添加比例和冷压成型压力等因素对复合燃料成型的影响,以及不同温度条件下复合燃料的干化特点,结果表明利于复合燃料成型的工艺条件为：污泥初始含水率60-70%,成型时固含70-80%.10-30MPa范围内的成型压力对落下强度影响较小.制备得到的成型燃料的落下强度可达到采用商用黏结剂制备得到的型煤水平.混合成型后的污泥复合燃料,和污泥相比明显有利于水分的扩散和挥发,可在室温及不高于100℃条件下快速干化,同时实现了污泥脱水及能源化利用的目的.

对污泥、煤以及二者的复合燃料在空气及氮气条件下进行热分析,研究了总失重量、失重速率、热效应、燃烧及热解参数特点及焦炭生成等内容.结果表明,与煤相比,污泥具有较高的灰分和挥发分,但所含的有机组分的燃烧和热解温度均低于煤.污泥的加入可以降低复合燃料的着火点,提高燃料的活化能.复合燃料的燃烧和热解过程中,污泥和煤表现各自的热特征,无明显的交互作用.污泥中的焦炭含量低于煤,且不稳定,在1000℃热过程中几乎完全分解.

研究了污泥、煤以及复合燃料燃烧的污染物排放特征,分析了不同复合比例燃料及温度条件下SO2、NOX等污染物的排放特征,以及灰渣的重金属浸出特征.结果表明燃烧过程中,复合燃料中污泥具有一定的固硫和固氮作用,污泥中的s、N含量较高,燃烧过程中SO2、NOX排放的绝对量有所上升但固硫率、固氮率随复合燃料中污泥含量的升高而提高.灰渣的重金属浸出均可达到国家的相关标准规定.

不同条件下对燃烧后的污泥灰及复合燃料燃烧后的灰渣进行团粒或压力成型,形成烧结坯料,采用两步烧结法制备得到不同性能的陶粒产品.表征并分析了产物的吸水率、密度及物相.对于污泥／污泥灰,采用两步烧结,在低温烧结后,在温度1050℃,时间5-20min条件下,可以烧结得到吸水率45.32-4.11%,密度1.67-0.84g/cm3的陶粒产品.对于复合燃料,在低温烧结后,在温度1150℃,时间5-30min条件下,可以烧结得到吸水率56.35-1.12%,密度1.609-0.758g/cm3的陶粒产品.和纯污泥/污泥灰的烧结条件相比,复合燃料灰需要更高的烧结温度和更长的烧结时间.物相分析表明,随着温度的升高,污泥灰逐渐发生变化,石英相峰值明显降低,转化出现莫来石、斜方钠沸石等物相,并有非晶态无定形物相出现.复合燃料灰渣的烧结过程中,莫来石等物相的存在可能是引起烧结温度提高的原因.

通过本研究的工艺过程,充分利用现有燃烧设备,解决了污泥含水率高不利于热利用弊端,在不增加能耗的基础上实现了对污泥中能量的回收,具有良好的实用性和推广性.同时,充分利用污泥灰及复合燃料灰渣的材料特征,对最终的灰渣进行了陶瓷化利用,实现了污泥“零排放”及完全的资源化利用.

第三篇材料成型及控制工程专业论文范文模板：基于层合速凝原理的陶瓷件快速制造设备及材料成型研究

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、强度高、硬度大、抗氧化等优点,陶瓷材料的直接成型已经成为快速成型技术的研究热点和发展方向之一.由于陶瓷件的快速成型技术在国内外尚处于起步阶段,现有工艺及设备大都存在造价高、材料性能要求高、制件质量差等缺点,目前仍未有专门用于陶瓷件生产的快速成型设备.为解决以上难题,陕西科技大学提出了层合速凝成型陶瓷件的技术,本课题就是以该理论为基础,并结合陶瓷材料和石蜡的特性,设计出一种新的陶瓷件快速成型装置,该装置适用于以陶瓷为成型材料,石蜡为支撑及粘结材料的快速成型制造.将该装置与啄木鸟DX3017型雕刻机进行配合工作,加工出的产品理化性能优异,品种丰富,得到了国内行业专家、政府领导和消费者的一致好评.该设备的成功研制对陶瓷产品快速生产具有十分重要的应用价值.

该陶瓷件快速成型机的加工过程是建立在层合速凝成型的基础上,其加工步骤为：首先用Pro/E建立零件的三维实体模型,然后利用分层软件对该模型进行分层处理,从而把该三维实体切成一片片的二维截面轮廓,随后把这些信息传送到机床,指引成型运动.前期工作完成之后,分别在盛放陶瓷浆料以及石蜡浆料的料斗内加注材料,开启加热装置同时启动搅拌装置.然后在铺料台上铺一层石蜡,待石蜡凝固后,由计算机发出指令控制刻刀在石蜡板上刻出零件截面形状,并由吹风装置吹走石蜡碎屑,清空镂空部分,再铺一层陶瓷浆料,用刮板将多余的浆料刮走,镂空部分被陶瓷浆料填充.重复上述步骤,逐层叠加,形成实体.最后取出实体,进行排蜡、烧结,即可得到陶瓷件.

本课题主要取得了以下创造性成果：

1.以层合速凝技术为理论基础,结合陶瓷快速成型的工作原理,对陶瓷快速成型设备的机械部分进行了设计、计算和选取,最终确定了该设备的机械系统结构.

2.利用目前国内应用较广的大型三维软件Pro/E对所设计的机械系统部分进行了建模及装配,并通过该软件的三维仿真模块对其实际的运动规律进行了模拟,验证了该设计的合理性.并且利用了大型有限元分析软件ANSYS对铺料台在加工过程中的变形进行分析,根据分析的结果对铺料台结构进行优化,优化后的铺料台结构在满足运动规律的前提下工作精度大大提高.

3.设计完成了陶瓷件快速成型机",IPC+PMAC",的控制系统.在比较分析几种开放式数控系统的基础上,结合陶瓷件快速成型机的控制要求,提出",IPC+PMAC",的控制方案,配以交流伺服控制系统,搭建了陶瓷件快速成型机的控制系统.对系统电气驱动部件如主轴变频器、交流伺服驱动器、交流伺服电机等进行了计算选取,设计完成了硬件系统连接图.交流伺服系统的控制性能很大程度上影响了零件的加工精度,因此,本文建立了交流伺服控制系统的数学模型,在经典控制理论的基础上,运用Matlab/SIMULINK对进给交流伺服控制系统进行了PID仿真分析,得出了系统的响应曲线,并分析得出了系统的稳态误差.为了使系统得到更好的性能,利用PEWIN软件对系统进行了调试仿真.

4.搭建了陶瓷件快速成型机的数控系统软件部分,采用模块化的设计思路,对程序的上载和下载,系统的PMAC插补模块,PMAC的PLC,和数据采集分别作了分析.

5.结合现有的控制系统硬件,设计了另一种采用西门子S7-200PLC对陶瓷快速成型机的进行控制的控制方案,并成功地实现了该设备的运动控制要求.至此该陶瓷快速成型机的样机已经成功研制完成,从调试运行的实验结果分析可得,整个系统的管理和控制任务能比较顺利地完成,达到了预期的效果.

6.利用快速成型设备按照层合速凝技术原理制备了95Al203陶瓷凸轮件及性能测试样品并进行了性能测试.SEM显微结构表明：断面颗粒较均匀,晶粒尺寸在4μm左右,晶粒呈短柱状.层间间隙已经消失,样品烧结为一体,且具有一定的增韧效果.一体成型的95氧化铝陶瓷样品SEM显微结构表明,晶粒分布较均匀,晶粒呈短柱状,晶粒尺寸为3μ m左右；通过相关性能测试,快速成型设备制备的样品性能与一体成型的95氧化铝陶瓷样品的性能基本一样,差别较小；因此快速成型制备陶瓷部件方法是可行的.

在对样机进行加工实验的过程中也发现了不少不足之处：样机运行过程中的安全性和稳定性有待提高；样机加工的效率有待优化；与雕刻机的配合功能有待完善,数据传输有待改进等等.

第四篇材料成型及控制工程专业论文范例：规模扩张以来高校专业结构变化研究

无论是高等教育规模的扩张,还是经济体制的改革,都在要求我国高等教育功能的扩大.近年来毕业生就业难问题的严峻化,恰恰表明高等教育功能的扩大受到了阻碍.追问阻力来自何方,将我们引向了对扩招过程中高校专业结构变化的探究.因为只有弄明白扩招过程中高校专业结构变化的基本状况,并找出影响其变化的主要因素,才可能找到有效的调整策略,使高等教育的人才培养更好地满足市场需求,进而推动高等教育功能的扩大与实现.

遵循提出问题——分析问题——解决问题的基本路径,本研究分为三部分:

第一部分通过对高校专业外部结构和内部结构变化的现状描述,借助分专业毕业生就业率统计,指出扩招过程中高校专业结构的变化,无论专业设置,还是专业内部课程的安排,都与市场需求存在一定的错位与脱节,由此加剧了毕业生的结构性失业.并指出,我国高等教育毕业生的结构性失业,更多的不是高校专业设置上不适应市场需求,而是由于专业内部知识结构与市场对人才知识结构需求的脱节造成的.本部分由第一章和第二章构成.

第二部分包括第三章、第四章和第五章.在前一部分的基础上,本部分进一步分析影响高校专业结构变化的主要原因.研究发现:规模扩张的经费来源结构制约了高校对成本较高且社会普遍需要的理工类专业的增设,在有限的收入以及对专业办学成本考虑不多的拨款制度面前,高校更多地选择增设一些低成本的人文社会科学类专业来实现扩招,原有专业管理制度中,理论型专业和单一学科专业为主的专业目录,加上其规范性特点,不但不利于新专业品种的产生,而且强化了学科壁垒,加上与专业制度配套的高校教学资源分配制度,分割了有限的课程资源,使专业内部的课程设置难以根据市场需要实现跨学科组合,影响人才知识结构适应市场的需要.此外,在对两所本科院校部分学生选报志愿情况的调查基础上,第五章第一节分析了信息不对称情况下考生的选择对高校专业结构变化的影响.在本部分的最后,还指出了独立学院这一规模扩张过程中的“制度创新”,其实在一定程度上加剧了人文社会科学类专业的迅速发展,影响着高等教育科类结构和专业结构的变化.

第三部分由第六章和第七章组成.综合前两部分的研究所得,第六章从专业结构变化的事实和影响因素入手,指出当前情况下,顺应规模扩张和经济体制转型需要,我国高等教育功能扩大的关键,在于将市场力量更多地引入高等教育内部,在拓宽经费来源的基础上,利用办学体制的改革,同时变革专业管理制度,借助办学体制变革和专业分化来推进高等教育的分化,以增强人才培养与市场需求的联系.

第五篇材料成型及控制工程专业论文范文格式：计算机辅助个体化导航模板在膝关节置换中的应用基础研究

研究背景

随着社会老龄化,骨性关节炎(osteoarthritis,OA)己成为人类最常见的骨关节疾病.目前,骨性关节炎的治疗仍然是医学界的一大难题,早期通常采取保守治疗,但往往不能达到预期的疗效,其结局多是需要进行人工关节置换术,这可以解决患者疼痛,提高生活质量.

人工全膝关节置换术的成功与否及对临床疗效的影响因素研究,一直是人们关注的问题,要取得好的临床远期疗效,对于适应症的选择、假体的选定、手术技巧的准确及围手术前的管理都很重要,尤其在很大程度上对手术技巧的要求,既要在三维空间上准确截骨、假体立体安置,实现膝关节置换术后生物力学的再复制.文献报道除了感染、脂肪栓塞等一般并发症之外,高达50%的早期翻修术与力线不当、假体摆位不当及关节失稳有关.因此,为了获得更好的远期随访效果,解剖重建下肢生物力学轴线和假体旋转轴线是人们不断探索和追求的最终目标.

传统全膝关节置换手术通过术前X线片检查和术中机械导向装置进行髓内、髓外定位截骨,术者凭借肉眼、手感和经验来定位解剖标志、下肢力线和假体旋转轴线,然后手工划线截骨、假体放置和软组织平衡.这种基于肉眼对肢体和假体的观察完成的对位、对线有很大的主观性,直接影响了该定位方式的可靠性和手术的精确性,甚至导致手术的失败.而且传统的髓内定位有潜在感染和脂肪栓塞的风险.

随着计算机科学与技术的快速发展,使得人类社会进入了数字化时代,人们纷纷结合本学科或本专业工作实际,充分借助以数字输入为特色的计算机技术,探究、开发和应用了一大批功能实用、性能卓越的软件系统,从而应用于实际工作,极大地提高了工作质量和效率.医学领域也不例外,为了突破传统TKA术式的局限性,计算机辅助骨科技术(CAOS)就是数字医学发展的产物,它是医学影像技术、计算机技术和空间示踪技术的发展与结合,此技术亦称计算机手术导航,有对手术精确化、标准化控制的优势.计算机辅助人工膝关节置换手术系统旨在以其特有的精确度,解决手术医生困惑己久的难题,达到理想的手术效果.

自1997年1月Ken Krakow采用Opti-trak红外导航设备完成第一例全膝关节置换术后,导航技术在欧美得到了较为广泛的开展.对于导航系统而言,减小导航系统的误差,提高假体安装精确性的关键在于术前配准(registration),这是不同类型计算机辅助人工膝关节置换手术系统的基础,也是手术的关键步骤,它是通过体表标志或解剖标志定位,将病人个体骨关节信息与计算机系统进行几何学对应的输入与成型过程.因此,导航系统术前配准时会存在一定误差,因为,(1)、所有导航系统髋关节中心的确定依赖髋关节小范围运动,Victor和Hoste报道了导航下运动中心和影像学资料获得的懿关节中心相比有平均1.6mm的偏差(0-5mm)；(2)、骨性标志的定位依然凭借术者肉眼、手感和经验判断；(3)、骨性标志的变异对导航结果的影响；三、指示器在骨性标志移动同样会影响导航测量轴线的准确性；(4)、导航系统无法准确定位假体旋转轴线,因为选择正确的外科参数仍没有得到解决；(5)、导航测量的轴线是在非负重位、髌骨完全脱位及内侧副韧带深层松弛的情况下,同正常轴线有一定的差异；(6)、导航系统本身存在的不稳定性.

文献报道导航可以提高假体对位、对线准确性,但导航系统仍采用传统术式相同的解剖标志定位下肢力线和假体旋转轴线,从而校准传统的截骨导板进行截骨,依然没有摆脱传统的定位参照和截骨器械,只是基于验证和校正错误力线的基础上提高手术准确性.所以,导航系统本身也没有很好的解决解剖重建下肢生物力学轴线和假体旋转轴线问题.另外,高昂的费用和较高的技术要求也限制了导航系统广泛推广应用.

因此,现行全膝关节置换方法均没有从根本上解决下肢生物力学轴线和假体旋转轴线的定位问题,仍然采用传统的手指触摸法,依靠个人经验和手感来判断和辨认骨性标志,从而定位截骨器械,依然没有摆脱主观性.

反求(RE)技术是通过扫描现有实物,在计算机内形成实物模型,再对模型进行调整和修改,从而达到设计目的.快速成型(RP)技术是在计算机的控制下,根据物体的CAD模型或CT数据等,通过材料的精确堆积制造物体的数字化成型技术.由于反求技术和快速成型技术相辅相成,从而组成了一种新的系统“反求技术复合系统”.

反求技术和快速成型技术均是新型工程学研究的方向,目前已显示了其重要的理论与现实意义,把两者相结合,应用于生物医疗领域,已逐渐成为该领域的研究新方向,其突出特点是分层叠加、善于制造复杂实体且具有极高的精确度,目前已广泛应用于颌面外科、神经外科、矫形外科等领域.近年来,该技术在骨科中的应用研究也逐渐增多,主要集中在实物模型和个体化导航模板两个方面.自Goffin1999年报道导航模板技术在椎弓根置钉的应用后,相继有文献报道采用导航模板在髋关节置换中髋臼中心的精确定位.我们团队在国内最早研究报道了脊柱椎弓根和髋臼中心准确定位的个体化导航模板技术,临床证实导航模板精确性,降低了手术复杂性.

但是,利用反求技术在关节置换方面的应用,国、内外文献报道很少,主要集中于关节三维实体模型重建和个体化假体制作.2006年Hafez等人首次提出了个体化截骨模板在膝关节置换中的应用,并在尸体上进行了预实验,取得了极好的效果,具体方法是利用反求技术制作出与股骨远端和胫骨近端匹配的个体化截骨模板.这种新的膝关节置换方法,打破了传统采用厂家提供的截骨器械截骨,采用计算机辅助配准技术获得假体型号和患膝截骨平面,再利用反求技术制作出个体化截骨模板,实现了膝关节置换的解剖截骨.但该方法设计过程复杂,截骨模板设计结构粗大.同时该模板设计的主要缺点是没有术前下肢机械轴和旋转轴的合理计划、模板体积过大、制作时间长、缺乏足够的稳定性等问题.

因此,如何进一步应用数字化医学技术进行膝关节置换术前详细的规划与设计,探讨三维CT辅助下肢生物力学轴线的精确定位,研究如何通过逆向工程技术实现个体化精确截骨,获得准确的假体旋转轴线及正确的对线、对位,从而实现膝关节生物力学特性的再复制,最终利用快速成型技术制作简便易行的个体化导航模板实现全膝关节置换的精确操作,不仅是当前医学界面临的挑战,也是提高患者生活质量,保护我国有限的医药卫生资源,关乎社会经济发展的重要课题.

目的

本项目拟在数字医学研究的基础上探讨膝关节置换的虚拟化操作与设计,利用现代影像学、电脑图形图像处理、计算医学、现代临床解剖学和骨科学相结合进行跨学科、多学科交叉研究,探索二维与三维空间内下肢相关轴线的客观、精确定位,设计一款能辅助精确定位截骨平面和相关力学轴线的导航模板,从而保证膝关节置换截骨的准确性,最后利用快速成型机制作得到实体模板进行实际临床应用.

方法

(1)、CT原始数据与下肢三维模型数据库的建立：64排螺旋CT连续扫描下肢,扫描条件：电压120Kv,电流150mA,层厚0.625mm,512×,512矩阵.在CT工作站中,通过调整图像灰度、增加对比度等对图像观察细节进行调整,得到清晰骨窗断层图像后,将其保存DICOM格式的文件.将DICOM格式文件导入图像三维重建软件Mimics10.01中,利用软件自带的域值设定Bone(CT),三维重建模型,建立备用数据库,最后,数据以“STL”格式保存于电脑.

(2)、应用Geomagic Dtudio10.0软件对",STL",格式的数据进行实体化操作,重建步骤包括了点云数据处理,曲面重建和三维实体,分析下肢生物力学轴线的定位方法,最后数据以",IGS",格式保存于电脑.

(3)、“IGS",格式的数据在逆向工程软件ProE中进行相关操作处理,包括：①虚拟操作膝关节置换过程；②设计一个与股骨髁和胫骨平台匹配的能定位股骨远端和胫骨近端截骨面以及股骨外旋轴的个体化导航模板,

(4)、利用快速成型机,通过光固、烧结、粘结等工艺将材料逐层添加上去,最终转化成实体模型进行实际膝关节置换操作,

(5)、影像学扫描,测量置换前后在冠状位、矢状位及轴线位上的各轴线及下肢力线,最后统计学分析实验数据,得出实验结果.

研究内容

(1)、CT原始数据与下肢三维模型数据库的建立：健康成人下肢CT连续扫描数据6例(年龄65～70岁,平均68.5岁),扫描条件：电压120Kv,电流150mA,层厚0.625mm,512×,512矩阵.在CT工作站中,通过调整图像灰度、增加对比度等对图像观察细节进行调整,得到清晰骨窗断层图像后,将其保存DICOM格式的文件.将DICOM格式文件导入图像三维重建软件Mimics10.01中,利用软件白带的域值设定Bone (CT),三维重建模型,建立备用数据库.重建得到的数据以STL格式保存于电脑,应用Geomagic Dtudio10.0软件进行点云数据的实体化操作,重建步骤包括了点云数据处理,曲面重建和三维实体.

(2)、成年尸体下肢标本20具,男10具,女10具；年龄50～65岁,平均60岁.标本随机分为导航模板组和传统方法组,每组10具20个膝关节行全膝关节置换术.术前导航模板组采用CT扫描下肢全长,利用逆向工程软件对CT数据进行处理,计算机内设计得到一款与股骨远端和胫骨近端匹配的可定位截骨平面和外旋轴的导航模板,最后通过快速成型机制作模板实物用于导航模板组尸体标本的全膝关节置换手术操作.实验由同一位具有临床经验但无实际关节置换操作经验的骨科医生分别采用传统方法和导航模板法行全膝关节置换手术.术前观察导航模板与股骨髁和胫骨平台匹配性,术后通过CT扫描比较两种方法定位截骨的准确性.

(3)、临床30例临床患者进行导航模板定位截骨手术,术前CT扫描下肢全长,利用逆向工程软件对CT数据进行处理,计算机内设计得到一款与股骨远端和胫骨近端匹配的可定位截骨平面和外旋轴的导航模板,最后通过快速成型机制作模板实物用于术中全膝关节置换手术操作.实验由同一位骨科医生完成全膝关节置换手术.术前观察导航模板与股骨髁和胫骨平台匹配性,术后通过CT扫描比较两种方法定位截骨的准确性,术前、术后测量相关参数.

结果

Geomagic Dtudio10.0软件能准确重建下肢三维数字化模型,并精确定位下肢相关轴线,包括：下肢机械轴和胫骨平台倾斜轴线.

本组研究共设计和制作了70个数字化导航模板,辅助全膝关节置换50例.术前所有的导航模板和股骨髁与胫骨平台骨性解剖结构贴合紧密,无明显移动.

尸体实验导航模板组术后下肢力线偏差均小于3°,,而传统组术后下肢力线只有11例偏差角度在3°,以内,两者间术后纠正下肢力线疗效差异有统计学意义(x2等于10.384,P等于0.016).

临床应用证实,组件的额面测量：术后导航模板组FFC角平均偏差角度小于传统组,差异有统计学意义(t等于-17.911,P等于0.000).导航模板组全部患者内/外翻茎3.,传统组有25例患者内/外翻≤3°,.下肢力线导航模板组基本无明显偏差,传统组最高偏差7°,,术后下肢力线纠正差异有统计学意义(t等于-11.299,P等于0.000).导航模板组FTC角平均偏差小于传统组,差异有统计学意义(t等于-22.609,P等于0.000)；组件的矢状面测量：导航模板组LFC角和LTC角平均偏差角度均小于传统组,差异均有统计学意义(P等于0.000).导航模板组平均手术时间比传统组缩短26分钟,差异有统计学意义(t等于-25.487,P等于0.000).导航模板组术中失血量比传统组少410～440ml,差异有统计学意义(t等于-38.112,P等于0.000).

结论

计算机辅助下能精确定位下肢相关轴线和模拟膝关节置换过程,经过虚拟化设计制作的导航模板与股骨髁和胫骨平台解剖贴合紧密,无明显移动,保证了术中定位解剖轴线的精确性.采用导航模板进行的膝关节置换其股骨远端、胫骨近端和股骨外旋截骨准确性均高于传统方法,而

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