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第3篇 骨科植入物设计学3

第11章 骨科植入物设计中的数字技术3

11.1 计算机图像处理与三维建模3

11.1.1 医学图像处理基本原理与软件3

11.1.2 患体软硬组织的三维建模6

11.1.3 骨科植入物的数字设计8

11.2 逆向工程10

11.2.1 逆向工程定义及其在植入物设计中的应用10

11.2.2 三坐标测量仪11

11.2.3 三维激光扫描技术12

11.2.4 点云数据的处理与建模14

11.2.5 骨科植入物的反求16

11.3 3D打印技术18

11.3.1 3D打印技术基本原理19

11.3.2 非金属3D打印技术19

11.3.3 非金属3D打印技术在骨科植入物中的应用24

11.3.4 金属直接3D打印技术28

11.3.5 金属直接3D打印技术在骨科植入物中的应用29

参考文献33

第12章 人工髋关节设计37

12.1 人工髋关节的发展历史与临床使用失效分析37

12.1.1 人工髋关节的发展历史37

12.1.2 中国人工关节制造业的发展46

12.1.3 人工髋关节术后失效统计分析及面临的改进49

12.2 典型髋关节假体的分类与结构58

12.2.1 髋关节假体的分类与标准58

12.2.2 全髋关节假体的典型结构61

12.2.3 半髋关节假体结构63

12.2.4 表面置换型髋关节假体结构64

12.3 髋关节假体的结构设计64

12.3.1 设计依据及相关参数64

12.3.2 摩擦学设计65

12.3.3 假体柄部的设计68

12.3.4 髋臼假体设计80

12.4 人工髋关节设计的有限元分析86

12.4.1 “股骨-髋关节假体”系统有限元分析模型86

12.4.2 柄部强度分析87

12.4.3 应力遮挡分析91

12.4.4 微动分析93

12.4.5 髋臼的有限元分析95

12.5 髋关节假体的细分设计98

12.5.1 用于宿主骨缺损的髋关节假体98

12.5.2 针对亚洲东、南地区市场的人工髋关节设计99

12.5.3 表面置换髋关节假体的设计102

12.6 人工髋关节技术的发展前景103

参考文献104

第13章 人工膝关节设计107

13.1 人工膝关节的发展历史及面临的改进107

13.1.1 人工膝关节的发展历史107

13.1.2 现行的设计及相关标准体系119

13.1.3 人工膝关节置换术后失效分析与面临的改进123

13.2 典型膝关节假体的分类与结构127

13.2.1 膝关节假体的分类127

13.2.2 人工膝关节的基本结构130

13.3 膝关节假体的结构设计131

13.3.1 总体设计及基本参数确定131

13.3.2 典型人工膝关节结构133

13.3.3 股胫关节面的设计134

13.3.4 髌股关节面的设计140

13.3.5 膝关节假体组件间连接及假体-宿主骨界面的设计141

13.4 膝关节假体设计的有限元分析143

13.4.1 膝关节假体有限元建模143

13.4.2 股胫关节假体有限元分析144

13.4.3 髌股关节假体有限元分析146

13.4.4 人工膝关节设计的生物力学分析148

13.5 膝关节假体的细分设计152

13.5.1 高约束型膝关节假体152

13.5.2 大屈曲度膝关节假体155

13.5.3 女性膝关节假体159

13.5.4 单间室膝关节假体的设计161

13.6 人工膝关节技术的发展前景163

参考文献164

第14章 其他人工关节设计169

14.1 肩关节假体169

14.1.1 技术发展历程169

14.1.2 肩关节假体的结构类型170

14.1.3 人工肩关节设计参数172

14.2 肘关节假体174

14.2.1 技术发展历程175

14.2.2 人工肘关节的结构类型176

14.3 腕关节假体177

14.4 踝关节假体180

14.4.1 技术发展历程180

14.4.2 人工踝关节假体的基本结构与类型181

14.4.3 人工踝关节置换的生物力学问题183

14.5 技术的进一步发展185

参考文献186

第15章 脊柱类植入物设计189

15.1 脊柱类植入物的发展简史189

15.1.1 古代、中世纪和文艺复兴时期的脊柱外科189

15.1.2 脊柱创伤与病变治疗技术的发展191

15.1.3 脊柱畸形治疗技术的发展194

15.1.4 脊柱融合与固定技术的发展197

15.1.5 人工椎间盘和髓核技术的发展198

15.2 脊柱植入物分类199

15.3 颈椎内固定系统200

15.3.1 颈椎后路内固定系统201

15.3.2 颈椎前路内固定系统202

15.4 胸腰椎后路内固定系统205

15.4.1 椎弓根螺钉内固定系统205

15.4.2 骶骨螺钉内固定系统209

15.4.3 小关节螺钉内固定系统209

15.4.4 骶髂关节螺钉融合系统217

15.4.5 棘突融合钢板固定系统219

15.5 脊柱内固定系统的有限元分析221

15.6 椎间融合器223

15.6.1 椎间融合器的诞生223

15.6.2 椎间融合器的设计原理224

15.6.3 常见椎间融合器类型225

15.6.4 融合器力学性能有限元分析228

15.7 人工颈椎间盘232

15.7.1 发展历程232

15.7.2 结构和材料设计235

15.7.3 生物力学性能——离体颈椎标本研究238

15.7.4 生物摩擦学性能——脊柱模拟器磨损评估方法243

15.7.5 关节面配副选择和延寿设计248

15.7.6 有限元方法的应用249

15.7.7 人工颈椎间盘发展展望252

15.8 人工腰椎间盘254

15.8.1 发展现状254

15.8.2 设计原理255

15.8.3 不同种类人工腰椎间盘255

15.8.4 人工腰椎间盘置换术生物力学分析259

15.8.5 人工腰椎间盘生物摩擦学性能——脊柱模拟器磨损评估方法261

15.8.6 发展趋势262

15.9 基于3D打印技术的脊柱植入物263

15.9.1 3D打印人工椎体263

15.9.2 3D打印椎间融合器265

15.9.3 脊柱前后固定的连接系统265

参考文献266

第16章 创伤类植入物设计273

16.1 创伤骨科治疗的发展273

16.1.1 骨折的力学机理273

16.1.2 西方早期的骨折治疗技术274

16.1.3 AO与BO276

16.1.4 关于骨折愈合机理的认识278

16.2 创伤类植入物的分类279

16.2.1 针和钢丝279

16.2.2 接骨板-螺钉系统280

16.2.3 髓内钉系统285

16.2.4 骨科外固定支架系统288

16.3 接骨板的生物力学分析292

16.4 接骨板的失效分析294

16.4.1 接骨板失效分类294

16.4.2 接骨板失效分析295

16.4.3 改进措施305

16.5 骨科创伤的微创治疗系统305

16.6 创伤类植入器械的进一步发展308

16.6.1 新材料的应用308

16.6.2 计算机辅助微创技术309

参考文献311

第17章 个体化骨科植入物设计315

17.1 个体化骨科植入物的临床需求与制造流程315

17.1.1 个体化骨科植入物的临床需求315

17.1.2 个体化骨科植入物的制造流程316

17.2 个体化关节假体319

17.2.1 个体化髋关节假体319

17.2.2 个体化膝关节假体324

17.2.3 个体化其他关节假体325

17.3 个体化骨盆植入物325

17.4 个体化骨缺损修复体328

17.4.1 用于长干骨缺损的个体化骨修复体328

17.4.2 用于颅颌面骨缺损的个体化骨修复体330

17.4.3 个体化多孔钛骨修复体332

17.5 个体化接骨板333

17.6 个体化骨科手术工具336

17.7 个体化骨科植入物的进一步发展337

参考文献338

第3篇 结束语 对未来骨科植入物设计的展望341

第4篇 骨科植入物制造与检测技术345

第18章 金属材料植入物毛坯成形工艺345

18.1 锻造工艺及其在植入物毛坯制造中的应用345

18.1.1 锻造工艺345

18.1.2 锻造设备350

18.1.3 特种锻造工艺358

18.1.4 锻后工序363

18.1.5 骨科植入物的锻造364

18.2 冲压工艺及其在植入物毛坯制造中的应用368

18.2.1 冲压工艺368

18.2.2 冲压工艺在骨科植入物制造中的应用372

18.3 铸造工艺及其在植入物毛坯制造中的应用373

18.3.1 铸造工艺373

18.3.2 熔模铸造377

18.3.3 钴铬钼合金熔模铸造工艺和技术379

18.3.4 人工关节毛坯的熔模铸造381

参考文献390

第19章 金属植入物的机械加工工艺391

19.1 刀具391

19.1.1 刀具材料的基本要求391

19.1.2 高速钢刀具392

19.1.3 硬质合金刀具395

19.1.4 金属陶瓷刀具398

19.1.5 陶瓷刀具399

19.2 切削液404

19.2.1 植入物机械加工中对切削液的共性要求404

19.2.2 不同植入物材料对切削液的要求407

19.2.3 特殊切削过程的润滑要求408

19.2.4 切削液对植入物清洗的影响409

19.2.5 切削液的日常维护410

19.3 金属植入物的机械加工工艺413

19.3.1 钛合金的切削加工413

19.3.2 钴铬钼合金的切削加工417

19.3.3 医用不锈钢的切削加工428

19.4 骨科植入物回转件加工工艺430

19.4.1 加工要点与现代加工设备431

19.4.2 现代加工工艺432

参考文献436

第20章 金属植入物的后续处理工艺437

20.1 金属植入物材料的表面处理工艺437

20.1.1 钛及钛合金表面阳极氧化工艺437

20.1.2 不锈钢表面处理442

20.2 骨科植入物的多孔表面制作444

20.2.1 烧结型多孔表面444

20.2.2 喷涂型多孔表面445

20.2.3 HA型多孔表面445

20.2.4 金属3D打印多孔表面446

20.3 金属植入物成品的后续处理448

20.3.1 成品的激光打标448

20.3.2 成品的清洗450

20.3.3 成品的包装453

20.3.4 成品的灭菌454

20.3.5 成品的储存455

参考文献455

第21章 高分子材料植入物制造工艺457

21.1 超高分子量聚乙烯粉料457

21.1.1 粉料生成技术457

20.1.2 粉料的种类与牌号457

21.2 超高分子量聚乙烯型材458

21.2.1 型材的生产工艺458

21.2.2 型材物理性能要求460

21.2.3 产品生产及检验461

21.2.4 型材的种类与牌号461

21.3 超高分子量聚乙烯植入物的成形工艺461

21.3.1 超高分子量聚乙烯植入物的直接压铸成形461

21.3.2 超高分子量聚乙烯植入物的切削加工工艺462

21.4 改性类超高分子量聚乙烯材料的应用465

21.4.1 高交联超高分子量聚乙烯的应用465

21.4.2 掺混维生素E聚乙烯的应用469

21.4.3 添加抗氧化剂聚乙烯的应用（AO产品）469

21.5 超高分子量聚乙烯产品检测470

21.5.1 试样准备与试样标准470

21.5.2 检测标准和可追溯性472

21.6 超高分子量聚乙烯产品的后续处理474

21.6.1 成品部件的清洗474

21.6.2 成品的灭菌475

21.6.3 成品标记的激光打印476

21.6.4 成品的包装476

21.6.5 成品的储存与货架期（保质期）477

21.7 骨科手术器械（手术工具）中所用高分子材料478

21.7.1 高分子材料性能金字塔478

21.7.2 骨科手术器械（工具）所用材料479

21.7.3 人工关节中试模材料的选用480

21.7.4 创伤器械中瞄准器和外固定支架材料的选用483

21.7.5 器械箱及托盘材料的选用485

21.7.6 器械手柄材料的选用485

21.8 医用PEEK材料加工486

参考文献488

第22章 骨科植入物产品的检测标准和质量控制489

22.1 骨接合植入物489

22.1.1 国内外标准489

22.1.2 国际上通用的生物力学试验492

22.1.3 国内现行的评估体系505

22.2 关节置换植入物507

22.2.1 国内外标准507

22.2.2 国际上通用的生物力学试验510

22.2.3 国内现行的评估体系513

22.3 骨科植入物产品的取出与分析514

参考文献515

第4篇 结束语 骨科植入物制造技术展望516

索引517