一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法技术

本发明专利技术公开了一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法,包括体积磨损数据的测量和体积磨损量的计算；体积磨损数据的测量利用测量软件中的UV扫描命令基于假体模型特征自动生成触测路径和触测矢量；通过迭代给机器提供更准确的理论值，从而获得更为精确的测量结果。利用磨损前的测量数据对磨损后的数据进行优化，最大程度上降低了测量误差对体积计算结果的影响；同时通过对原始的Delaunay三角剖分算法进行优化，获得了更为理想的三角剖分结果，进而使单次体积计算结果更为精确。本发明专利技术中使用的测量方法提高了体积分析法的重复测量精度和计算得到的体积磨损量的准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术适用于人工膝关节摩擦磨损领域，具体涉及一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，通过对测量过程，测量结果，计算程序的优化，提高得到的体积磨损量的精度。
技术介绍
在人工膝关节体外磨损实验中，需要一种测量方法来给出人工膝关节衬垫在实验过程中的磨损量，进而评估该膝关节假体产品的磨损性能。膝关节假体主要包括股骨髁和胫骨衬垫两个部分。相对于钴铬钼合金材料的股骨髁，超高分子量聚乙烯材料的胫骨衬垫更易磨损损坏。国际标准已经规定了一种用于人工膝关节磨损实验的磨损测量方法——重量分析法(ISO14243-2)，标准中详细规定了利用高精度天平称量衬垫质量的流程，以及计算磨损率的方法。目前该方法作为黄金准则被普遍采用。但重量分析法存在一些不可避免的影响结果精度的问题：首先，超高分子量聚乙烯衬垫的吸水会导致自身质量增加；其次，磨损实验过程中钴铬钼合金产生的小金属磨粒嵌入衬垫，超声清洗也很难去除；再次，称重过程中环境温度湿度的变化都会影响称重结果。相对于重量分析法，在人工髋关节体外磨损实验中，广泛采用另一种评估磨损量的方法——体积分析法，该方法作为人工髋关节体外磨损测量方法的一种被列入国际标准(ISO14242-2)。体积分析法有效避免了重量分析法的存在的缺陷，同时利用该方法得到的数据能直观的看到假体表面的磨损形貌，这可以为改进假体设计提供重要的依据。但由于人工膝关节衬垫相对髋关节臼杯表面形状复杂，导致不易测量，测量重复精度低等一系列问题，所以国际标准一直没有给出用于人工膝关节体外磨损测量的体积分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术不足，提出一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，提高了体积分析法的重复测量精度和计算得到的体积磨损量的准确度，保证得到的体积磨损量具有较高的精度。本专利技术的技术方案包括以下步骤：(1)体积磨损数据的测量：a)在假体衬垫上不参与磨损的区域找出足够的特征，用于在假体衬垫上建立坐标系，应保证坐标系的XOY平面与假体衬垫底面平行，且Z轴的正方向竖直向上；b)若衬垫上没有足够的特征，则需要找出磨损实验中不参与磨损的区域，在该区域上二次加工出缺少的特征，以用于建立坐标系，并对假体衬垫的三维模型做相应的修改；c)将假体衬垫的三维模型导入三坐标测量机，利用测量软件PC-DMISCAD中的UV扫描命令，调整U、V参数至所需的相邻两点之间的距离的点密度，基于假体衬垫的三维模型自动生成触测路径和触测矢量，测量得到原始测量数据；d)利用PC-DMISCAD软件中的自由扫描命令，将测得的原始数据作为理论值输入，进行迭代测量，完成测量后，得到最终测得的点云数据；e)保存基于自由扫描编写好的测量程序，利用该程序分别对磨损前后的假体衬垫体积进行测量，得到假体衬垫体积磨损前的点云数据和体积磨损后的点云数据；(2)体积磨损量计算：a)依据假体衬垫体积磨损前的测量结果，对磨损后的数据进行优化，以减小测量误差的影响；b)利用Delaunay三角剖分算法，将点云数据中相邻的三个点连接为三角面片；c)对Delaunay三角剖分结果进行优化，去除边界的异常三角面片；d)连接每一个三角面片与其在一固定Z＝m平面的投影三角形，计算所构成的斜截三棱柱的体积，所有斜截三棱柱的体积和即为该组点云数据的体积；e)体积磨损前后两次计算结果的差值，即为体积磨损量，由该体积磨损量评估人工膝关节聚乙烯衬垫的体积磨损。步骤(1)-a)中，在假体衬垫不参与磨损的区域上找出足够的特征包括三个相互正交的平面、或两个相交平面和一个圆柱、或一个平面和两个中心轴线与该平面相交的圆柱。步骤(1)-c)中，调整假体模型坐标系应与工件坐标系重合，从而保证基于假体模型生成测量曲面的触测路径和触测矢量与实际工件相匹配。步骤(1)-c)中，将假体衬垫的三维模型导入三坐标测量机，调出PC-DMISCAD软件中的UV扫描命令，在假体衬垫的三维模型上选取所需测量的曲面，依据选定点密度n调整U、V参数后，PC-DMISCAD软件基于选定的曲面和U、V参数自动生成触测路径和触测矢量，然后依据触测路径和触测矢量测量得到选定曲面的点云数据；该数据为均匀分布在选定曲面上的各个点坐标的实测值和曲面在该点的法向量，将该数据导出为.txt文档格式，即得到测量的原始数据。步骤(1)-d)中，调出PC-DMISCAD中的自由扫描命令，选择以导入数据的方式生成触测路径和触测矢量，将得到原始数据读入命令中，来生成触测路径和触测矢量，然后依据触测路径和触测矢量测量得到选定曲面的点云数据；将该数据导出为.txt文档格式，即得到最终测得的点云数据。步骤(1)-c)中，点密度应小于0.7mm。步骤(2)-a)中，对磨损后的数据进行优化，包括下述方法：1)将磨损前后两组点云数据读入MATLAB中，判断两组数据对应点的Z坐标值差值是否在测量误差w；2)如果测量误差|z1-z2|＜w，z1、z2分别表示磨损前后同一测量点的Z坐标值，则用磨损前该点的测量数据替代磨损后的数据，逐点优化完成后，得到优化的磨损后测量结果。步骤(2)-c)中，体积计算程序中利用了优化的Delaunay三角剖分算法，去除边界的异常三角面片，判断组成三角形的三个顶点是否为相邻点，具体方法为：读取组成三角面的三个顶点的X、Y坐标值，计算其两两之间差值的绝对值，若其中的最大值超出点密度的容差范围，则认为其为异常三角面。点密度的容差范围，利用公式表示如下：max{|x1-x2|，|x2-x3|，|x1-x3|，|y1-y2|，|y2-y3|，|y1-y3|本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)体积磨损数据的测量：a)在假体衬垫上不参与磨损的区域找出足够的特征，用于在假体衬垫上建立坐标系，应保证坐标系的XOY平面与假体衬垫底面平行，且Z轴的正方向竖直向上；b)若衬垫上没有足够的特征，则需要找出磨损实验中不参与磨损的区域，在该区域上二次加工出缺少的特征，以用于建立坐标系，并对假体衬垫的三维模型做相应的修改；c)将假体衬垫的三维模型导入三坐标测量机，利用测量软件PC‑DMIS CAD中的UV扫描命令，调整U、V参数至所需的相邻两点之间的距离的点密度，基于假体衬垫的三维模型自动生成触测路径和触测矢量，测量得到原始测量数据；d)利用PC‑DMIS CAD软件中的自由扫描命令，将测得的原始数据作为理论值输入，进行迭代测量，完成测量后，得到最终测得的点云数据；e)保存基于自由扫描编写好的测量程序，利用该程序分别对磨损前后的假体衬垫体积进行测量，得到假体衬垫体积磨损前的点云数据和体积磨损后的点云数据；(2)体积磨损量计算：a)依据假体衬垫体积磨损前的测量结果，对磨损后的数据进行优化，以减小测量误差的影响；b)利用Delaunay三角剖分算法，将点云数据中相邻的三个点连接为三角面片；c)对Delaunay三角剖分结果进行优化，去除边界的异常三角面片；d)连接每一个三角面片与其在一固定Z＝m平面的投影三角形，计算所构成的斜截三棱柱的体积，所有斜截三棱柱的体积和即为该组点云数据的体积；e)体积磨损前后两次计算结果的差值，即为体积磨损量，由该体积磨损量评估人工膝关节聚乙烯衬垫的体积磨损。...

【技术特征摘要】
1.一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)体积磨损数据的测量：a)在假体衬垫上不参与磨损的区域找出足够的特征，用于在假体衬垫上建立坐标系，应保证坐标系的XOY平面与假体衬垫底面平行，且Z轴的正方向竖直向上；b)若衬垫上没有足够的特征，则需要找出磨损实验中不参与磨损的区域，在该区域上二次加工出缺少的特征，以用于建立坐标系，并对假体衬垫的三维模型做相应的修改；c)将假体衬垫的三维模型导入三坐标测量机，利用测量软件PC-DMISCAD中的UV扫描命令，调整U、V参数至所需的相邻两点之间的距离的点密度，基于假体衬垫的三维模型自动生成触测路径和触测矢量，测量得到原始测量数据；d)利用PC-DMISCAD软件中的自由扫描命令，将测得的原始数据作为理论值输入，进行迭代测量，完成测量后，得到最终测得的点云数据；e)保存基于自由扫描编写好的测量程序，利用该程序分别对磨损前后的假体衬垫体积进行测量，得到假体衬垫体积磨损前的点云数据和体积磨损后的点云数据；(2)体积磨损量计算：a)依据假体衬垫体积磨损前的测量结果，对磨损后的数据进行优化，以减小测量误差的影响；b)利用Delaunay三角剖分算法，将点云数据中相邻的三个点连接为三角面片；c)对Delaunay三角剖分结果进行优化，去除边界的异常三角面片；d)连接每一个三角面片与其在一固定Z＝m平面的投影三角形，计算所构成的斜截三棱柱的体积，所有斜截三棱柱的体积和即为该组点云数据的体积；e)体积磨损前后两次计算结果的差值，即为体积磨损量，由该体积磨损量评估人工膝关节聚乙烯衬垫的体积磨损。2.如权利要求1所述的一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，其特征在于：步骤(1)-a)中，在假体衬垫不参与磨损的区域上找出足够的特征包括三个相互正交的平面、或两个相交平面和一个圆柱、或一个平面和两个中心轴线与该平面相交的圆柱。3.如权利要求1所述的一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，其特征在于：步骤(1)-c)中，调整假体模型坐标系应与工件坐标系重合，从而保证基于假体模型生成测量曲面的触测路径和触测矢量与实际工件相匹配。4.如权利要求1所述的一种人工膝关节聚乙烯衬垫体积磨损评估方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳忠民，张骁，李涤尘，李云龙，张静，于东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61