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随着材料科学和医学的迅速发展以及人们生活水平、医疗保健、康复水平的提高，加之人口的老龄化，人们对人体组织、器宫及骨折缺损的修复和置换等方面的要求日益提高，生物医用材料的研制，尤其是人工骨关节的研制与需求越来越广泛。近年来，人工关节置换手术作为有效的治疗方法在国内外得到了广泛的应用，而人工关节的形状以及与股骨髓腔吻合的程度，是直接影响人工关节长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能的重要因素。延长人工关节的有效使用寿命是人工关节研究的关键，而骨吸收和无菌性松动是影响其使用寿命的主要因素。由于人体的绝对个性化特点，标准人工假体与病人骨骼之间的误差使二者难以很好匹配，不能确保人工关节的长期稳定。同时，一些病人骨骼呈先天性畸形或由于骨骼病变造成骨与关节大面积损坏，其骨骼关节与正常情况明显不同，亦不可能选用标准人工假体。计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）通过对病人骨骼的三维重建，为每一位病人进行特殊设计和制造，提高了假体与病变骨骼的匹配度，提高了人工关节的长期稳定性 ，有效防止了关节松动。 在个体化人工髋假体的CAD及CAM方面，一些发达国家已做了很多工作，并将之应用于临床。在设计制造方面：从1974年CAD技术首次在THA领域为人工全髋关节个体化设计开始，随着计算机技术和现代影像技术的发展，计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）在人工关节方面的应用也日益广泛。国内的研究尚处于探索起步阶段。目前国内尚未见到CAD/CAM个体化假体用<WP=85>于普通病人的报道。 一、实验目的 进一步修改调试已开发出的两套软件并进行假体的CAD设计，建立个体化假体柄的三维模型，同时利用Solidwork软件建立骨水泥型和生物型假体的三维模型。在Solidwork软件平台上对三种假体模型进行模拟对比力学实验分析，以验证验证我们开发的CAD程序的准确性与可行性以及个体化假体柄是否优于普通型人工股骨假体，为个体化假体柄的CAM奠定基础. 二、材料与方法 1、个体化股骨假体柄的三维重建 （1）CT图像的获得 取新鲜成人尸体股骨一根，用GESpeedLight16CT做全长连续扫描，层厚1.25ｍｍ得到股骨各层面的二维ＣＴ图像。储存至工作站备用。 （2）CT图像预处理 利用GESpeedLight16工作站将扫描到的CT图像制成虚拟光驱格式文件，转刻至700M之CD-R，在计算机上运行，直接得到CT图像，导入我们自行开发的CAD软件，进行后续实验。 （3）边缘提取 采用Canny边缘检测算子，进行边缘检测。 ①首先求出所有点的平均坐标值，即形心。 ②以形心为坐标原点，以水平轴为X轴，以垂直轴为Y轴，建立直角坐标系，计算所有各点与原点连线和X轴正半轴的夹角（逆时针），并按角度大小排序。 <WP=86> ③确定两个初始点，一个是外轮廓，一个是内轮廓。 ④确定两个按角度连续的轮廓线。 （4）个体化股骨假体柄优化计算 基于工程学与力学规则计算，进行拉拔切削。假设一与患者股骨髓腔完全匹配的骨柄已经在髓腔内，然后保持髓腔不动，按照一定的规则对骨柄进行拉拔一个很小的距离（层间距），接着再作一旋转运动，每完成一次拉拔和旋转就重新计算骨柄形状一次，主要根据运动之后的骨柄形状与髓腔进行切削计算，如此反复直至整个骨柄拔出并计算完毕，最后用计算机三维显示出来，这样一个符合生物力学特性的、与髓腔最大程度匹配的骨柄即已生成，并同时保证了该骨柄能够顺利地插回到髓腔中。 （5）由二维轮廓线重建三维表面 由轮廓线数据重建真实感三维表面，这样使图形看起来更直观、更逼真。 2、骨水泥型和生物型股骨假体的三维重建 （1）骨水泥型和生物型股骨假体的测量 采用中国测试技术研究院测量仪器研究所生产的CLY系列单臂三维测量仪对生物型和骨水泥型假体进行测量，导出坐标数据。 （2）骨水泥型和生物型股骨假体的三维重建 利用三维CAD软件SolidWorks2001在计算机上进行自动化建模。 3、个体化股骨假体与骨水泥型和生物型股骨假体的计算机模拟对比力学实验 （1）假体模型的网格化 <WP=87> 利用三维CAD软件SolidWorks2001对计算模型进行有限元分析网格化。 （2）个体化人工股骨假体与普通型人工股骨假体的对比力学实验 在计算机上模拟临床手术进行截骨置换三类人工股骨假体，远端固定约束，分别模拟单足和双足站立状态。测量三种人工股骨假体在应力分布、界面应力、应力遮挡率、初始微动四个生物力学特性。 三、实验结果 1、本次实验对最初设计的软件中边缘提取算法进行了改进，采用了一种比较新的边缘检测算子-Canny算子。由于其在噪声抑制和边缘检测之间取得较好的平衡，我们得到了更好的边缘检测结果，提取的边缘十分完整，边缘的连续性很好，且不需要进行细化处理，减少了后续实验的误差。 2、改进后的软件运行稳定可靠，计算结果可信，符合预期要求。 3、设计的个体化人工股骨假体在应力分布、界面应力、初始微动等生物力学指标方面均大大小于普通生物型人工股骨假体和普通骨水泥型人工股骨假体，具有良好?