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非正交系在线坐标测量系统的研究

非正交系在线坐标测量系统的研究

作者：裴延军汕头大学

学位级别：硕士

在线测量技术是以数控机床（CNC）为载体,在生产加工过程中融入测量技术,以减少生产辅助时间的技术。生产加工过程中既要对加工工件进行测量,还要对刀具磨损状况进行监测,为了能够通过一次定位就可以对工件及刀具进行测量,本文开展了数... 详细信息

在线测量技术是以数控机床（CNC）为载体,在生产加工过程中融入测量技术,以减少生产辅助时间的技术。生产加工过程中既要对加工工件进行测量,还要对刀具磨损状况进行监测,为了能够通过一次定位就可以对工件及刀具进行测量,本文开展了数控机床上非正交在线测量系统的研究。该测量系统是以关节机器人技术为基础,借鉴便携式关节测量机（PCMMS）的技术,对Unimation PUMA 560机器人的改进而来的四关节测量手臂。本文的主要研究内容如下:作者进行了四关节测量手臂的概念性设计,选用触发式测头组成测头系统;建立该测量手臂的运动学模型,利用齐次变换矩阵（D—H法）建立相应的运动学方程,通过图解法与Matlab工具软件两种方法对测量手臂进行位置仿真,验证了测量手臂的运动学方程;建立该测量手臂末端的误差分析模型,通过Matlab工具软件进行测量手臂末端的误差仿真,当该四关节测量手臂选用现有较精密的角度编码器时,其测量精度可以达到0.006mm,能够满足在线加工测量的要求;通过Pro/ENGINEER wildfire2.0 CAD软件建立了该四关节测量手臂的运动仿真模型,证明各杆件没有出现相互干涉现象,可以正常运动,该测量手臂在数控机床上的应用是可行的。本文研究的非正交系坐标在线测量系统对加工工件及刀具同时进行测量,不需要更换测头系统。因此,该测量系统能够保证工件加工精度,减少生产辅助时间,提高生产效率。

关键词：关节机器人四关节测量手臂非正交

3D打印个体化钛合金假体修复下肢骨肿瘤切除后骨缺损的临床应用研究

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3D打印个体化钛合金假体修复下肢骨肿瘤切除后骨缺损的临床应用研...

作者：裴延军中国人民解放军空军军医大学

学位级别：硕士

研究背景:骨肿瘤切除后结构与功能的重建是骨科临床长期以来面临的重大难题。与一般骨外科治疗有所不同,骨肿瘤的截骨范围视肿瘤的外科边界而定,传统假体往往很难与截骨范围相匹配,导致肿瘤切除后假体重建难度大、稳定性差,术后功能恢... 详细信息

研究背景:骨肿瘤切除后结构与功能的重建是骨科临床长期以来面临的重大难题。与一般骨外科治疗有所不同,骨肿瘤的截骨范围视肿瘤的外科边界而定,传统假体往往很难与截骨范围相匹配,导致肿瘤切除后假体重建难度大、稳定性差,术后功能恢复不理想等一系列问题。同时,不同个体的骨骼结构存在较大差异,使标准化假体重建的可靠性再次大幅降低。如果能根据骨缺损参数,快速设计制备出具有解剖匹配、良好整合与远期稳定特点的个体化假体进行修复,将是解决骨肿瘤切除后骨缺损修复难题的有效途径。3D打印快速成型技术的工艺特点恰好适合个体化定制骨科植入物的制备,国内外已经报道过的很多成功案例但如果要实现个体化植入物的快速化和常规化生产,仍需要对其全流程进行深入的研究和优化。本研究通过对3D打印个体化假体的制备进行整合,通过介绍工程设计、应力分析、假体制备三个基本程序,简化设计流程,提高制备效率,最后以临床案例的方式展示直观的手术方案和术后疗效。目的:1.探索一种3D打印个体化假体的设计流程和制备方法;2.采用有限元分析计算3D打印个体化假体的应力分布情况,评价假体设计的合理性;3.通过临床试用检验3D打印个体化假体对骨肿瘤切除后骨缺损修复重建的有效性和实用性。方法:(1)通过CT扫描采集患者病变部位影像数据,应用Mimics19.0软件的阈值分割、区域增长、空缺填充和像素擦除四项基本功能,重建出所需要的三维模型。将所得STL格式文件进一步导入到Geomagic Studio 12软件和Magics 21.0软件中,经过流线型处理、抽壳、分割、打孔、多孔计算等过程,设计出假体数据模型。(2)使用Abaqus 6.14软件对数据模型进行有限元分析,根据假体应力分布计算结果,对模型进行修改优化。然后将假体三维数据模型导回Mimics19.0软件,体外模拟安装,验证假体匹配的精确性。假体模型验证确定后,采用电子束熔融成型(Electron beam melting,EBM)设备进行3D打印加工,制备出个体化骨肿瘤假体。经过去除支撑、高压吹粉、机加工处理等后处理程序,假体送供应室超声清洗,供应室超声清洗、高温高压灭菌后备用。(3)手术中使用个体化导板辅助确定病变截骨平面,精确截骨后将假体植入缺损部位并固定。术后行X线检查,评价假体安装位置和稳定性。结果:(1)CT数据采集清晰,以DICOM格式保存,断层间隔0.625mm。Mimics19.0软件作为假体设计的主导软件,贯穿整个设计流程,完成个性化假体模型设计;Geomagic Studio 12软件和Magics 21.0软件无缝对接,分别完成模型表面光顺处理和内部多孔结构设计。(2)有限元计算得出假体表面应力分布均匀,最大应力为77 MPa,出现在假体实体部分。骨骺断最大接触应力为9 MPa,胫骨远端最大接触应力为32MPa。(3)2014年1月至2017年12月,采用个体化3D打印假体治疗患者13例。假体在导板或导航辅助下均按术前设计完成精准安装,假体位置和术后即刻稳定效果满意。结论:通过课题研究的设计流程,可快速有效的为骨肿瘤切除后骨缺损设计出个体化定制假体。通过有限元分析,可对假体设计进行验证与优化。本研究设计制备的假体能够实现精确设计与精准安装,具有广阔的应用前景。

关键词： 3D打印钛合金假体骨缺损个体化

基于增材制造技术的手腕康复支具轻量化设计与开发

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机电工程技术 2023年第3期52卷 34-38页

作者：程律莎裴延军伍达杜赛飞周世豪深圳职业技术学院机电学院广东深圳518055 南方科技大学附属医院数字化创新中心广东深圳518055

传统石膏支具具有笨重、透气性差的缺点,若固定时间较长,会出现关节僵硬和肌肉萎缩等并发症等痛点问题,而增材制造技术在制造康复支具方面具有许多潜在优势,如快速定制、低成本、高精度等,然而如何实现更为符合人体学设计、结构强度最... 详细信息

传统石膏支具具有笨重、透气性差的缺点,若固定时间较长,会出现关节僵硬和肌肉萎缩等并发症等痛点问题,而增材制造技术在制造康复支具方面具有许多潜在优势,如快速定制、低成本、高精度等,然而如何实现更为符合人体学设计、结构强度最优化设计以及临床适用性设计的个性化外部固定支具仍然是保障临床康复治疗效果亟需解决的重要问题。以手腕支具为例,开发一整套完整的从数据获取、反求建模、轻量化设计到3D打印验证的数字解决方案。通过逆向扫描技术获取人体数据,对结构进行优化设计,以满足人体工学体验与支护需求,并通过3D打印技术快速定制化生产。这种技术能够为患者提供个性化康复支具数字解决方案,不仅避免了由于医师熟练程度的不同造成产品适用性的差别,也为医疗人力不足情况下医疗支具产品自动化生产提供可能。经过测试发现,与市场同类型支具相比,设计开发的新支具在效能、匹配度和舒适度等方面均得到了大大提升。

关键词：增材制造技术手腕支具轻量化设计

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骨库同种异体肌腱和半月板的取材

中国矫形外科杂志 2013年第14期21卷 1420-1422页

作者：刘民李丹毕龙刘崟裴延军刘建胡蕴玉第四军医大学西京医院全军骨科研究所综合骨库西安710032

骨组织库虽然在我国已有20余年的历史，但主要集中在骨的获取、加工、保存和临床应用，有关肌腱及半月板获取、加工处理和临床应用的报道则相对较少[1]。本文从复习分析国内外有关肌腱和半月板移植最新文献入手，结合自身所在骨库经验，

关键词：骨库供体肌腱韧带半月板

多种3-D打印手术导板在骨肿瘤切除重建手术中的应用

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中国修复重建外科杂志 2014年第3期28卷 304-308页

作者：付军郭征王臻栗向东范宏斌李靖裴延军裴国献李丹第四军医大学西京骨科医院骨肿瘤科西安710032

目的使用多种3-D打印技术制作手术导板,探讨其在骨肿瘤切除重建手术中的应用效果,并对比不同3-D打印技术制备的手术导板优缺点。方法回顾分析2012年9月-2014年1月符合选择标准的31例骨肿瘤患者临床资料,其中男19例,女12例;年龄6~67岁,... 详细信息

目的使用多种3-D打印技术制作手术导板,探讨其在骨肿瘤切除重建手术中的应用效果,并对比不同3-D打印技术制备的手术导板优缺点。方法回顾分析2012年9月-2014年1月符合选择标准的31例骨肿瘤患者临床资料,其中男19例,女12例;年龄6~67岁,中位年龄23岁。病程15 d^12个月,中位病程2个月。其中恶性肿瘤13例,良性肿瘤18例;肿瘤位于股骨9例、脊柱7例、胫骨6例、骨盆5例、肱骨3例、腓骨1例。根据术前薄层(0.625 mm)CT扫描等影像学检查所得数据行术前肿瘤切除设计,根据切除计划设计手术导板。术前加工导板使用的3-D打印技术和材料分别为:熔融沉积成型9例(ABS树脂)、光固化立体成型14例(光敏树脂)、3-D印刷工艺5例(石膏)、选择性激光烧结3例(铝合金);导板灭菌后按术前计划应用于术中。通过对比导板制作加工时间分析4种3-D打印技术效率,记录术前设计时间、手术时间、术中透视次数,与同期同类常规手术28例(对照组)进行比较。结果 4种导板制作加工时间分别为:熔融沉积成型(19.3±6.5)h、光固化立体成型(5.2±1.3)h、3-D印刷工艺(8.6±1.9)h、选择性激光烧结(51.7±12.9)h,选择性激光烧结导板制作加工时间明显长于另外3种。31例均成功进行术前设计、导板制作并应用于手术;除3例术中导板断裂变形(ABS树脂1例、石膏2例),改为常规手术治疗外;余28例定位针均成功导入,根据定位针指引准确按术前手术设计截骨。与对照组比较,28例患者术前设计时间延长、手术时间缩短、术中透视次数减少,差异均有统计学意义(P<0.05)。28例均获随访,随访时间1~12个月,平均3.7个月。术后X线片及CT检查示肿瘤均完整切除,大段同种异体骨重建稳定。结论 3-D打印手术导板很好地适应了骨肿瘤手术个体化要求,可在术中实现术前设计,不同3-D打印技术制备的手术导板各有优势,需根据具体手术方式选择。

关键词： 3-D打印技术手术导板骨肿瘤修复重建

聚醚醚酮(PEEK)棒用于羊颈椎固定的生物力学评价

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中国矫形外科杂志 2018年第5期26卷 448-452页

作者：吴杰郭征石磊李小康樊博裴延军杨迪王海亮第四军医大学附属西京医院骨肿瘤科陕西西安710032

[目的]评估直径3.2 mm PEEK棒应用于羊颈椎固定的生物力学稳定性,对比PEEK棒与传统钛合金棒固定的生物力学特点。[方法]取6具新鲜羊C_(3、4)椎体标本,通过非损伤性加载方式分别对完整标本、失稳标本、PEEK棒固定标本、钛合金棒固定标本... 详细信息

[目的]评估直径3.2 mm PEEK棒应用于羊颈椎固定的生物力学稳定性,对比PEEK棒与传统钛合金棒固定的生物力学特点。[方法]取6具新鲜羊C_(3、4)椎体标本,通过非损伤性加载方式分别对完整标本、失稳标本、PEEK棒固定标本、钛合金棒固定标本进行生物力学测试。记录在垂直压缩方向的压缩位移及刚度、椎体前缘微应变,以及前屈、后伸、左右侧弯四个方向的移动度。[结果]PEEK棒固定组和钛合金棒固定组各方向移动度均较完整组减小(P<0.05),在左右侧弯方向,PEEK棒固定组移动度大于钛合金棒组(P<0.05)。轴向压缩实验显示,两种固定后较完整组刚度均有显著增加(P<0.05),PEEK棒固定组刚度小于钛合金棒固定组(P<0.05)。颈椎前缘应变结果显示,钛合金棒固定组椎体前缘应变显著低于完整组及PEEK棒固定组(P<0.05),PEEK棒固定组应变与完整组未见显著差异。[结论]直径3.2 mm的PEEK棒可以满足离体羊颈椎即刻生物力学稳定的要求,其较钛合金棒固定增加了椎间应力,有利于促进骨性融合。

关键词：颈椎聚醚醚酮 PEEK棒钛合金棒生物力学

增强现实技术辅助3D打印儿童上颈椎模型椎弓根螺钉植入的实验研究

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中华神经外科杂志 2021年第9期37卷 903-907页

作者：刘柏麟裴延军陈亮靳俊功李张珂贺世明西安国际医学中心医院神经外科 710100 南方科技大学医院神经外科深圳518055 长安大学西安710043

目的评估增强现实(AR)技术辅助下,在3D打印的儿童上颈椎模型椎弓根植入螺钉模拟内固定技术的可行性和准确性。方法随机调取2019年12月至2021年3月在西安国际医学中心医院神经外科因颈椎疾病行手术治疗的8例患儿和2例颈椎正常患儿的颈椎C... 详细信息

目的评估增强现实(AR)技术辅助下,在3D打印的儿童上颈椎模型椎弓根植入螺钉模拟内固定技术的可行性和准确性。方法随机调取2019年12月至2021年3月在西安国际医学中心医院神经外科因颈椎疾病行手术治疗的8例患儿和2例颈椎正常患儿的颈椎CT资料,根据颈椎CT资料3D打印制备实体颈椎模型。并将CT数据导入Mimics软件,模拟重建3D模型并设计进针点及针道。AR设备辅助下在10具3D打印颈椎模型双侧C_(1)~C_(2)椎弓根植入螺钉模拟内固定操作。术后行CT扫描,采用Gertzbein-Robbins分级标准评估螺钉植入的准确性(A级和B级为准确植入)。结果共植入40枚椎弓根螺钉,螺钉植入的准确率为100%。螺钉植入后CT扫描显示螺钉位置均良好,完全在椎弓内部,其中Gertzbein-Robbins分级A级37枚,B级3枚。3枚螺钉穿破椎弓根(均<2.0mm),其中穿破内侧壁1枚,穿破下内侧壁1枚,穿破下外侧壁1枚。8具有颈椎病变的颈椎模型共植入32枚螺钉,其中Gertzbein-Robbins分级A级30枚;2具正常颈椎模型共植入8枚螺钉,其中Gertzbein-Robbins分级A级7枚,两者差异无统计学意义(P=0.498)。结论AR技术辅助3D打印儿童上颈椎模型椎弓根植入螺钉模拟内固定操作技术的成功率和植入准确性均高,但其安全性和有效性还有待于进一步临床研究证实。

关键词：颈椎儿童增强现实椎弓根螺钉固定术模型

3D打印个体化人工椎体重建胸腰椎骨巨细胞瘤整块切除后脊柱的稳定性

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中国脊柱脊髓杂志 2020年第9期30卷 797-803,819页

作者：栗向东黄海石磊王凤伟付军裴延军王臻郭征空军军医大学附属西京医院骨科陕西省西安市710032

目的:探讨3D打印个体化人工椎体在胸腰椎骨巨细胞瘤整块切除后脊柱稳定性重建中的作用。方法:2017年1月~2019年12月我科共收治10例经病理检查证实且行全脊椎整块切除并用3D打印个体化人工椎体进行脊柱稳定性重建的胸腰椎骨巨细胞瘤患者... 详细信息

目的:探讨3D打印个体化人工椎体在胸腰椎骨巨细胞瘤整块切除后脊柱稳定性重建中的作用。方法:2017年1月~2019年12月我科共收治10例经病理检查证实且行全脊椎整块切除并用3D打印个体化人工椎体进行脊柱稳定性重建的胸腰椎骨巨细胞瘤患者。其中男性1例,女性9例;年龄38.3±13.7岁。9例为我院初治病例,1例为外院治疗后复发病例。均有不同程度的顽固的局部疼痛,术前疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)为4.5±1.2分;2例有双下肢不完全性瘫痪伴受累节段以下平面感觉减退,余患者肌力、感觉均正常。脊髓功能Frankel分级D级2例,E级8例。肿瘤部位:胸椎6例,腰椎4例;单节段5例,双节段2例,三节段3例。根据WBB(Weinstein-Boriani-Biagini)分期,肿瘤累及A^D区和B^D区各5例。7例采用单一后路肿瘤脊椎整块切除,3例采用前后路联合的方式行肿瘤全脊椎整块切除;肿瘤切除后均采用3D打印个体化人工椎体和钉棒系统进行脊柱稳定性重建。观察患者的术中术后并发症、术后神经功能、肿瘤控制和3D打印人工椎体的状态。结果:手术时间4.5~12.0h(6.5±2.0h);术中失血2300~11500ml(4600±2444ml)。所有患者术后疼痛均明显缓解,术后VAS评分为1.3±0.5分。术后6例出现脑脊液漏,3例出现胸腔积液,无切口感染和伤口裂开等并发症发生。随访时间为7~33个月(16.0±7.9个月)。2例术前脊髓功能Frankel分级D级在术后3个月均恢复至E级。所有患者均存活,无肿瘤局部复发及肺转移。未见3D打印个体化人工椎体下沉或移位,无内固定松动或断裂。结论:对于胸腰椎骨巨细胞瘤,3D打印个体化人工椎体能够有效重建全脊椎整块切除后脊柱的稳定性。

关键词：骨巨细胞瘤脊柱 3D打印人工椎体整块切除

3D打印个体化钛合金下肢骨肿瘤假体的设计制作与临床应用

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中华骨科杂志 2020年第12期40卷 760-768页

作者：裴延军付军李靖陈国景吴智钢孙畅宁郭征空军军医大学西京医院骨肿瘤科西安710032 空军军医大学航空航天医学系西安710032 西安交通大学机械工程学院 710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 710054

目的个体化设计及制作3D打印下肢假体,探讨其重建下肢恶性骨肿瘤切除后大段骨缺损的可行性并评估短期临床疗效。方法收集2017年1月至2019年5月6例于我院就诊并治疗的下肢恶性骨肿瘤患者资料,其中男3例,女3例;年龄(8.67±1.11)岁(范围:6... 详细信息

目的个体化设计及制作3D打印下肢假体,探讨其重建下肢恶性骨肿瘤切除后大段骨缺损的可行性并评估短期临床疗效。方法收集2017年1月至2019年5月6例于我院就诊并治疗的下肢恶性骨肿瘤患者资料,其中男3例,女3例;年龄(8.67±1.11)岁(范围:6~11岁)。6例均为原发性骨肿瘤,Enneking分期均为ⅡB,其中左胫骨肿瘤3例,右胫骨肿瘤2例,右股骨肿瘤1例。结合术前影像学数据个体化设计3D打印假体,采用三维有限元分析对假体的的力学性能进行评估。于肿瘤切除后,将3D打印假体进行安装固定以重建下肢大段骨缺损。术后定期对患者进行临床随访及影像学评估。使用国际骨骼肌肉肿瘤保肢功能评分系统(Musculoskeletal Tumor Society,MSTS)对肢体的功能状态进行评估,并详细记录肿瘤学结果和假体并发症。结果6例均顺利完成手术,3例行左胫骨肿瘤切除手术,2例行右胫骨肿瘤切除手术,1例行右股骨肿瘤切除手术,肿瘤切除后骨缺损长度(18.19±3.74)cm,平均手术时间(165.83±54.17)min,平均术中出血(233.33±133.33)ml。有限元分析数据显示:假体整体应力低于相应材料的最大力学强度;3D打印假体与切除缺损匹配良好,符合预期效果。术后平均随访(16.83±7.17)个月。至末次随访,6例均存活且无肿瘤复发及转移;术后各次随访中所有假体稳定,未发生假体周围感染、无菌性松动、假体断裂等并发症,影像学检查可见假体断端与骨整合良好。末次随访时6例下肢功能MSTS评分83.67%±9.11%。结论个体化设计3D打印假体重建下肢骨肿瘤切除后大段骨缺损,可获得满意的短期临床疗效。

关键词：假体设计骨重建骨肿瘤有限元分析