第一章 绪论
具体工作如下，
（1）调研人体髋关节常见临床症状，了解人体髋关节的医学图像，初步了解数据采集的设备与方法，掌握骨骼成像的基本原理。查阅相关资料，了解国内外人工髋关节—股骨头结构设计的研究现状，分析存在的问题。确定研究方向，帅选重要的影响因素，确定人工髋关节股骨头假体的设计方案。
（2）进行人工髋关节医学CT图像采集，以建立起基于试验对象的人工髋关节模型。在得到完整的人体髋关节表面的点云数据后，结合逆向工程，利用造型软件完成对人工髋关节的三维重建，获得髋关节真实的三维几何参数。结合优化技术，完成人工髋关节的CAD模型。
（3）结合有限元方法，对常规柄式髋关节进行力学仿真分析，得到应力应变特性，从而为后续的优化改进提供参考。
（4）在原有的三维人工髋关节模型的基础上，对股骨头进行表面形态设计，通过仿真分析比较，筛选重要影响因素，进一步确定假体设计方案；并通过分析选定股骨头的整体结构和形态，对其结构单元分布、尺寸大小进行分析。
（5）对已经确定的方案，开展相应模型的三维有限元仿真，完成优化分析。
1.4 本章小结
（1）髋关节是人体的重要关节，它的好坏直接影响到生命质量的高低。在
人们对生活质量要求越来越高的背景下，进一步增进对人体髋关节的研究以及加强对其替代品人工髋关节的优化设计具有重要的现实意义和临床应用价值。 （2）对人工髋关节的研究，主要集中在材料的选择和结构的设计上。人工髋关节的材料经历了从金属、陶瓷最终到高分子材料的过程。对于人工髋关节的结构，主要是运用逆向思维以及有限元法，利用逆向工程软件和优化分析软件完成对其结构的设计与优化分析。
（3）简要介绍了主要的研究内容，提出了基于医学图像处理技术、逆向工程技术、计算机辅助技术和有限元分析方法的分析、设计与优化思路。
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第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理
2.1 概述
精准的人体髋关节的几何物理模型是获取高质量有限元分析结果的重要保证。目前，较常见的方法是借助现代医学图像处理技术获取人体髋关节的医学图像数据，结合图像处理结果构建髋关节的几何物理模型。这种方法建立的模型与真实的人体髋关节在形态上具有极高的相似性。现代医学成像方法较多，本次研究主要选用了CT、MRI（磁共振成像）两种影像技术进行人体髋关节医学图像数据的采集，以辅助人工髋关节模型的构建。
2.2 髋关节医学图像数据采集
2.2.1采集设备与受试对象 2.2.1.1图像采集设备
图像采集设备分别采用飞利浦16排大孔径螺旋CT机（ PHILIPS Brilliance TM Big Bore CT ）和德国西门子1.5T核磁共振机（如图2.1）。16排大孔径螺旋CT模拟机具有最新的四维动态采集技术与门控放疗技术，能够限定照射范围，使扫描更精确。扫描速度较快，图象品质高、图象重建快速，并且可以从不同的角度对图像进行观察。西门子1.5T核磁共振机具有性能优越、磁场均匀、可薄层扫描、图像清晰、逼真以及噪声小等优点【16-18】。
图2.1飞利浦16排大孔径螺旋CT机（左）和德国西门子1.5T核磁共振机（右）
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第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理
2.2.1.2 受试对象
2012年3月~4月，受试对象，男性，年龄25岁，身高176厘米，体重75kg，髋关节处无任何外伤、疾病和手术史。
2.3 图像成像原理介绍
2.3.1 CT图像成像原理及扫描方法
通过单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部分对射线的吸收与透过率不同，由计算机采集透过射线然后通过三维重构成像。CT的工作程序是这样的：它根据人体不同组织或同一组织的不同区域对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面的图像，从而发现体内任何部位的细小病变【19】。
基本原理：CT与常规X线摄影一样，它的成像也是利用了X线的原理。在CT成像中，物体对X线的吸收起主要作用，在一均匀物体中，X线的衰减服从指数规律。X线在穿过人体各组织后会发生衰减，主要是因为能量被吸收，与此同时也也会存在X线的散射。不同的组织会有不同衰减系数，也就是说不同的组织会有不同的X线衰减程度，而所有的应用X线的成像技术和模式都是以此为基础的。
目前所应用的投影方式中，X线成像技术可分为两类，模拟成像和数字成像，其中CT应用了数字成像的方式。CT是用X线束对人体被检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经数字转换器转为数字信号，输入计算机处理后，即可以得到CT图像【20-22】。
本次CT的扫描方法采用了断层扫描，断层扫描CT的X线球管发出的X射线与常规X线摄影的不同，在准直器的作用下，X射线呈有一定厚度的笔形或扇形束穿过相同厚度的人体断层，到达对面替代常规X线摄影中的检测器，检测器的作用是将穿过人体不同组织后衰减的X线的强度转换成不同电流强度的电信号通过输送电缆送人计算机。这个X线束以脉冲形式依次从不同投射角度穿过人体的同一解剖断层，检测器将所得数据依次送人计算机，由计算机计算出这一断层中每一个像素的CT值，再以灰阶形式显示在显示器上。一个断层扫描完毕，产生一个断层切片，多次重复，获得一系列无重叠的二维图像。扫描参数：电压220千伏、电流220兆安、厚度1.25毫米、像素512 X 512。
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2.3.2 磁共振图像成像(MRI)原理及扫描方法
核磁共振成像原理：原子核带有正电，许多元素的原子核，都会进行自旋
运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，即可引起共振效应。当原子核恢复原状时，便会将多余的能量以电磁波的形式释放出来，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。由于不同的组织会产生不同的电磁波信号，因此根据对其释放的电磁波进行处理，就可以获得该组织原子核位置与种类，进而获得受试者内部的精确图像。在用核磁共振机进行扫描时，选择扫描矢状与冠状位，层厚2毫米，像素512 X 512【30】。
MRI成像与CT 成像是有区别的，CT扫描能在一个横断解剖平面上，准确地探测各种不同组织间密度的微小差别，是观察骨关节及软组织病变的一种较理想的检查方式。磁共振成像（MRI)是根据在强错误！未找到引用源。中放射波和氢核的相互作用而获得的【24-26】。具有多于CT数倍的成像参数和高度的软组织分辨率，使其对软组织的对比度明显高于CT，但是成像速度慢，在检查过程中，病人自主或不自主的活动可引起运动伪影，影响诊断。另外，在进行CT和MRI扫描时，受试者需要平躺，髋关节处于无载荷状态。
2.4 图像处理
CT图像即为灰度图像，为了完成三维模型的重建，要对所采集的股骨CT
图像数据进行必要的处理。 2.4.1图像处理软件介绍 （1）Mimics软件
它是模块化结构的软件，拥有一套高度整合而且易用的三维图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的图像数据，如CT图像、MRI图像，然后输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析）等格式，并且可以进行大规模数据的转换和处理。用户可以用扫描的图像数据，主要指点云数据来建立三维模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。Mimics软件的中比较常用的基础模块主要包括：图像导入、图像分割、图像配准、图像测量
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第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理
等。
Mimics软件具有网格重划的功能，在自动重划功能里能够实现半自动或手动网格划分，能方便地将不规则三角片形状转化成趋近于等边的三角片形状，有效的提高了三角片的质量，因此能更好地实现有限元分析。
Mimics软件中的可选模块主要包括：MEDCAD模块，它建立了是医学图像数据与CAD之间的联系，实现了医学图像的扫描数据与CAD数据之间的相互转换。RP-SLICE模块，用RP-SLICE技术可以进行大文件的处理，并维持很高的解析度。在建立切片文件的时候，可在很短时间内进行最佳、最精确的数据转换；用三次插值算法、高阶的插值算法能使得扫描数据变成具有完美表面的三维实体模型。
（2）Geomagic Studio软件【27】
它是一款逆向软件，通过扫描实物的点云自动生成准确的数字模型。它的主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形；快速减少多边形数目；把多边形转换为曲面；对曲面进行公差分析；输出与CAD/CAM/CAE匹配的格式。 2.4.2图像分割
利用分割工具将人工髋关节的CT图像分成不同灰度特性的材料区域，并从中抽取我们需要的目标区域的边界。在CT 图像中，灰度级的明暗代表了材料的致密程度，较明亮的区域代表材料很致密。相反的，较黑暗的区域代表的则是软组织。这样，通过设定恰当的灰度边界值，可以为CT图像中的每一个像素分配特定标志，它代表的是髋关节的某一特定区域或者是某种特定材料。而针对于具有相似灰度的区域，要找到灰度变化率最大的地方，把灰度不连续的点作为边缘，从而进一步细化各个区域【28】（如图2.2所示）。
图2.2 CT图像的分割结果示意图
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