本發(fā)明適用于人工膝關(guān)節(jié)摩擦磨損領(lǐng)域，具體涉及一種人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊體積磨損評估方法，通過對測量過程，測量結(jié)果，計算程序的優(yōu)化，提高得到的體積磨損量的精度。

背景技術(shù)：

在人工膝關(guān)節(jié)體外磨損實驗中，需要一種測量方法來給出人工膝關(guān)節(jié)襯墊在實驗過程中的磨損量，進而評估該膝關(guān)節(jié)假體產(chǎn)品的磨損性能。膝關(guān)節(jié)假體主要包括股骨髁和脛骨襯墊兩個部分。相對于鈷鉻鉬合金材料的股骨髁，超高分子量聚乙烯材料的脛骨襯墊更易磨損損壞。國際標準已經(jīng)規(guī)定了一種用于人工膝關(guān)節(jié)磨損實驗的磨損測量方法——重量分析法(ISO 14243-2)，標準中詳細規(guī)定了利用高精度天平稱量襯墊質(zhì)量的流程，以及計算磨損率的方法。目前該方法作為黃金準則被普遍采用。

但重量分析法存在一些不可避免的影響結(jié)果精度的問題：首先，超高分子量聚乙烯襯墊的吸水會導致自身質(zhì)量增加；其次，磨損實驗過程中鈷鉻鉬合金產(chǎn)生的小金屬磨粒嵌入襯墊，超聲清洗也很難去除；再次，稱重過程中環(huán)境溫度濕度的變化都會影響稱重結(jié)果。相對于重量分析法，在人工髖關(guān)節(jié)體外磨損實驗中，廣泛采用另一種評估磨損量的方法——體積分析法，該方法作為人工髖關(guān)節(jié)體外磨損測量方法的一種被列入國際標準(ISO 14242-2)。體積分析法有效避免了重量分析法的存在的缺陷，同時利用該方法得到的數(shù)據(jù)能直觀的看到假體表面的磨損形貌，這可以為改進假體設(shè)計提供重要的依據(jù)。但由于人工膝關(guān)節(jié)襯墊相對髖關(guān)節(jié)臼杯表面形狀復雜，導致不易測量，測量重復精度低等一系列問題，所以國際標準一直沒有給出用于人工膝關(guān)節(jié)體外磨損測量的體積分析方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊體積磨損評估方法，提高了體積分析法的重復測量精度和計算得到的體積磨損量的準確度，保證得到的體積磨損量具有較高的精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：

(1)體積磨損數(shù)據(jù)的測量：

a)在假體襯墊上不參與磨損的區(qū)域找出足夠的特征，用于在假體襯墊上建立坐標系，應保證坐標系的XOY平面與假體襯墊底面平行，且Z軸的正方向豎直向上；

b)若襯墊上沒有足夠的特征，則需要找出磨損實驗中不參與磨損的區(qū)域，在該區(qū)域上二次加工出缺少的特征，以用于建立坐標系，并對假體襯墊的三維模型做相應的修改；

c)將假體襯墊的三維模型導入三坐標測量機，利用測量軟件PC-DMIS CAD中的UV掃描命令，調(diào)整U、V參數(shù)至所需的相鄰兩點之間的距離的點密度，基于假體襯墊的三維模型自動生成觸測路徑和觸測矢量，測量得到原始測量數(shù)據(jù)；

d)利用PC-DMIS CAD軟件中的自由掃描命令，將測得的原始數(shù)據(jù)作為理論值輸入，進行迭代測量，完成測量后，得到最終測得的點云數(shù)據(jù)；

e)保存基于自由掃描編寫好的測量程序，利用該程序分別對磨損前后的假體襯墊體積進行測量，得到假體襯墊體積磨損前的點云數(shù)據(jù)和體積磨損后的點云數(shù)據(jù)；

(2)體積磨損量計算：

a)依據(jù)假體襯墊體積磨損前的測量結(jié)果，對磨損后的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，以減小測量誤差的影響；

b)利用Delaunay三角剖分算法，將點云數(shù)據(jù)中相鄰的三個點連接為三角面片；

c)對Delaunay三角剖分結(jié)果進行優(yōu)化，去除邊界的異常三角面片；

d)連接每一個三角面片與其在一固定Z＝m平面的投影三角形，計算所構(gòu)成的斜截三棱柱的體積，所有斜截三棱柱的體積和即為該組點云數(shù)據(jù)的體積；

e)體積磨損前后兩次計算結(jié)果的差值，即為體積磨損量，由該體積磨損量評估人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊的體積磨損。

步驟(1)-a)中，在假體襯墊不參與磨損的區(qū)域上找出足夠的特征包括三個相互正交的平面、或兩個相交平面和一個圓柱、或一個平面和兩個中心軸線與該平面相交的圓柱。

步驟(1)-c)中，調(diào)整假體模型坐標系應與工件坐標系重合，從而保證基于假體模型生成測量曲面的觸測路徑和觸測矢量與實際工件相匹配。

步驟(1)-c)中，將假體襯墊的三維模型導入三坐標測量機，調(diào)出PC-DMIS CAD軟件中的UV掃描命令，在假體襯墊的三維模型上選取所需測量的曲面，依據(jù)選定點密度n調(diào)整U、V參數(shù)后，PC-DMIS CAD軟件基于選定的曲面和U、V參數(shù)自動生成觸測路徑和觸測矢量，然后依據(jù)觸測路徑和觸測矢量測量得到選定曲面的點云數(shù)據(jù)；該數(shù)據(jù)為均勻分布在選定曲面上的各個點坐標的實測值和曲面在該點的法向量，將該數(shù)據(jù)導出為.txt文檔格式，即得到測量的原始數(shù)據(jù)。

步驟(1)-d)中，調(diào)出PC-DMIS CAD中的自由掃描命令，選擇以導入數(shù)據(jù)的方式生成觸測路徑和觸測矢量，將得到原始數(shù)據(jù)讀入命令中，來生成觸測路徑和觸測矢量，然后依據(jù)觸測路徑和觸測矢量測量得到選定曲面的點云數(shù)據(jù)；將該數(shù)據(jù)導出為.txt文檔格式，即得到最終測得的點云數(shù)據(jù)。

步驟(1)-c)中，點密度應小于0.7mm。

步驟(2)-a)中，對磨損后的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，包括下述方法：

1)將磨損前后兩組點云數(shù)據(jù)讀入MATLAB中，判斷兩組數(shù)據(jù)對應點的Z坐標值差值是否在測量誤差w；

2)如果測量誤差|z1-z2|＜w，z1、z2分別表示磨損前后同一測量點的Z坐標值，則用磨損前該點的測量數(shù)據(jù)替代磨損后的數(shù)據(jù)，逐點優(yōu)化完成后，得到優(yōu)化的磨損后測量結(jié)果。

步驟(2)-c)中，體積計算程序中利用了優(yōu)化的Delaunay三角剖分算法，去除邊界的異常三角面片，判斷組成三角形的三個頂點是否為相鄰點，具體方法為：讀取組成三角面的三個頂點的X、Y坐標值，計算其兩兩之間差值的絕對值，若其中的最大值超出點密度的容差范圍，則認為其為異常三角面。

點密度的容差范圍，利用公式表示如下：

max{|x1-x2|，|x2-x3|，|x1-x3|，|y1-y2|，|y2-y3|，|y1-y3|}＞c*n

其中c為容差系數(shù)，需依據(jù)觸測點的坐標選定，以保證正常的三角面不會被剔除；n為點密度，x1、x2、x3分別為組成三角面片的三個頂點的X坐標值，y1、y2、y3分別為組成三角面片的三個頂點的Y坐標值。

步驟(2)-d)中，連接每一個三角面片與其在一固定Z＝m平面的投影三角形，計算所構(gòu)成的斜截三棱柱的體積，利用斜截三棱柱的體積和來表示該次測量點云數(shù)據(jù)的體積，具體為：

首先計算出補全的三棱柱的體積V1，然后計算填補上的棱錐的體積V2，二者相減即得到所需的斜截三棱柱的體積；將所有斜街三棱柱的體積相加，即得到該組數(shù)據(jù)的體積結(jié)果；磨損前后兩組數(shù)據(jù)計算結(jié)果的差值，即為體積磨損量。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

(1)本發(fā)明將迭代方法引入三坐標測量過程中，提高了測量精度。

(2)本發(fā)明通過優(yōu)化磨損后的測量結(jié)果，在一定程度上降低了測量誤差的影響，從而得到了更為準確的體積磨損量。

(3)本發(fā)明通過優(yōu)化Delaunay三角剖分算法，得到更為理想的三角面片，同時通過計算斜截三棱柱單元的體積，得到每次測量數(shù)據(jù)的體積結(jié)果。

附圖說明

圖1為坐標系建立方法示意圖。

圖2(a)-(b)分別為Delaunay三角剖分算法優(yōu)化前后剖分結(jié)果對比圖。

圖3(a)-(c)分別為三種斜截三棱柱體積單元計算模型示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。

(1)體積磨損數(shù)據(jù)的測量

在假體襯墊上找出體積磨損足夠的特征，包括三個相互正交的平面、或兩個相交平面和一個圓柱、或一個平面和兩個中心軸線與該平面相交的圓柱。若假體襯墊上沒有體積磨損足夠的特征，則需要找出磨損實驗中不參與磨損的區(qū)域，在該區(qū)域上二次加工出體積磨損的特征，以用于建立坐標系，并對假體襯墊的三維模型做相應的修改。

用藍丁膠將假體襯墊固定于三坐標測量機的平臺上。參照圖1測量兩個平面和一個圓柱(注：圓柱為二次加工出的特征用于建立坐標系)，平面1的法向量確定Z軸，平面1與平面2的交線為X軸，圓柱中心線與平面1的交點為坐標原點建立坐標系。

在將假體襯墊的三維模型導入三坐標測量機后，調(diào)出PC-DMIS CAD軟件中的UV掃描命令，在假體襯墊的三維模型上選取所需測量的曲面，調(diào)整命令中的U、V數(shù)值得到所需的點密度n(相鄰兩點之間的距離，點密度應小于0.7mm)，依據(jù)選定點密度n調(diào)整U、V參數(shù)后，軟件會基于選定的曲面和U、V參數(shù)自動生成觸測路徑和觸測矢量，然后依據(jù)觸測路徑和觸測矢量測量得到選定曲面的點云數(shù)據(jù)；該數(shù)據(jù)為均勻分布在選定曲面上的各個點坐標的實測值和曲面在該點的法向量，將該數(shù)據(jù)導出為.txt文檔格式，即得到測量的原始數(shù)據(jù)。其中，假體模型坐標系應與工件坐標系重合，從而保證基于假體模型生成測量曲面的觸測路徑和觸測矢量與實際工件相匹配。

將輸出結(jié)果的格式修改為三坐標測量機可識別的格式，再利用測量軟件PC-DMIS CAD中的自由掃描命令，將修改格式后的輸出結(jié)果作為理論值輸入進行迭代測量，選擇以導入數(shù)據(jù)的方式生成觸測路徑和觸測矢量，將得到原始數(shù)據(jù)讀入命令中，來生成觸測路徑和觸測矢量，然后依據(jù)觸測路徑和觸測矢量測量得到選定曲面的點云數(shù)據(jù)；將該數(shù)據(jù)導出為.txt文檔格式，即得到最終測得的點云數(shù)據(jù)。測量完成后的輸出結(jié)果作為最終結(jié)果用于體積計算。

保存基于自由掃描編寫的測量程序，襯墊磨損前后分別用該程序進行測量，即可得到磨損前和磨損后的點云數(shù)據(jù)。

(2)體積磨損量的計算

首先優(yōu)化磨損后的測量數(shù)據(jù)。

將磨損前后兩組點云數(shù)據(jù)讀入MATLAB中，判斷兩組數(shù)據(jù)對應點的Z坐標值差值是否在測量誤差w(依據(jù)所使用三坐標測量機的不同而有所差異，對同一點進行重復測量，分析測量結(jié)果的差值，即可得到機器的測量誤差)范圍內(nèi)，如果被判定為測量誤差(|z1-z2|＜w)，z1、z2分別表示磨損前后同一測量點的Z坐標值，則用磨損前該點的測量數(shù)據(jù)替代磨損后的數(shù)據(jù)，逐點優(yōu)化完成后，得到優(yōu)化的磨損后測量結(jié)果。

下面對點云數(shù)據(jù)進行計算。利用Delaunay三角剖分算法將點云數(shù)據(jù)剖分為三角面片，然后逐個判定其是否為異常的三角面，即判斷組成三角形的三個頂點是否為相鄰點，具體方法為：讀取組成三角面的三個頂點的X、Y坐標值，計算其兩兩之間差值的絕對值，若其中的最大值超出點密度的容差范圍，則認為其為異常三角面。考慮到利用UV掃描命令生成觸測點坐標時，點密度不會完全符合所需的理論值，所以需要引入容差的概念，即實際點密度是在一個區(qū)間范圍內(nèi)。利用公式表示如下：

max{|x1-x2|，|x2-x3|，|x1-x3|，|y1-y2|，|y2-y3|，|y1-y3|}＞c*n

其中c為容差系數(shù)，需依據(jù)觸測點的坐標選定，以保證正常的三角面不會被剔除；n為點密度，x1、x2、x3分別為組成三角面片的三個頂點的X坐標值，y1、y2、y3分別為組成三角面片的三個頂點的Y坐標值。

依據(jù)上述方法，如判定三角面異常，則剔除該三角面片，從而得到優(yōu)化的三角剖分結(jié)果。優(yōu)化前后剖分結(jié)果對比如圖2(a)-(b)所示，其中局部放大圖A中，沿箭頭方向看，可以明顯看到所得到的三角面片的三個頂點不相鄰；局部放大圖B中，邊界狹長三角面片的三個頂點也顯然不相鄰。優(yōu)化后的剖分結(jié)果完美去除了這些異常的三角面片。

將剖分得到的三角面片和其在一固定Z＝m平面(磨損前后兩組數(shù)據(jù)所選取的Z平面應相同)上的投影三角形連接起來，構(gòu)成一個斜截三棱柱，計算所構(gòu)成的斜截三棱柱的體積。m的數(shù)值在保證Z＝m平面位于所測量曲面上方的前提下，可任意選擇。

計算模型參照圖3(a)-(c)所示給出了三種方式。Za、Zb、Zc分別為A、B、C三點的Z坐標；圖3(a)為Za≠Zb≠Zc的情況；圖3(b)為Za≠Zb＝Zc的情況；圖3(c)為Za＝Zb＝Zc的情況。

1)首先是計算模型的獲取

A、B、C為三角面片的三個頂點，其坐標分別為A(Xa，Ya，Za)、B(Xb，Yb，Zb)和C(Xc，Yc，Zc)。則該三角面片在固定Z＝m平面投影三角形的對應頂點坐標分別為Am(Xa，Ya，m)、Bm(Xb，Yb，m)和Cm(Xc，Yc，m)。連接AAm、BBm、CCm即可得到所需的斜截三棱柱A_mB_mC_m-ABC，其體積記為V。

假設(shè)Zc＝min{Za，Zb，Zc}，則可得到三角面片在Z＝Zc平面投影三角形的對應頂點坐標分別為Ac(Xa，Ya，Zc)、Bc(Xb，Yb，Zc)和C(Xc，Yc，Zc)。連接AAc、BBc即可得到填補的棱錐C-AA_cBB_c，其體積記為V2；而A_mB_mC_m-A_cB_cC即為補全的三棱柱，其體積記為V1。

2)然后計算補全的三棱柱的體積V1

由棱柱的體積公式可得三棱柱的體積其中為三角形A_mB_mC_m的面積，為線段CC_m的長度。

3)最后計算填補上的棱錐的體積V2。

由棱錐的體積公式可得棱錐的體積其中為平面AA_cBB_c的面積，h為點C到平面AA_cBB_c的距離。

二者相減即得到所需的斜截三棱柱的體積。將所有斜街三棱柱的體積相加，即得到該組數(shù)據(jù)的體積結(jié)果。磨損前后兩組數(shù)據(jù)計算結(jié)果的差值，即為體積磨損量。依此來評估人工膝關(guān)節(jié)聚乙烯襯墊的體積磨損。

下面通過具體實施例來進一步說明本發(fā)明。

實例：利用青島?？怂箍礕lobal classic SR 575三坐標測量機，對圖1所示樣品進行測量。按照前述方法，選取點密度n＝0.5mm，容差系數(shù)c＝1.3，對磨損前的襯墊進行測量。然后用人工去除材料的方法模擬磨損，從而得到磨損后的假體，然后再次測量磨損后的數(shù)據(jù)。從而得到磨損前后兩組數(shù)據(jù)。

首先按照前述計算程序依據(jù)磨損前的測量數(shù)據(jù)，對磨損后的測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，所使用三坐標測量機的單點累積測量誤差w＝0.005mm。得到優(yōu)化后的磨損后測量數(shù)據(jù)。

然后分別利用前述計算程序計算磨損前數(shù)據(jù)和優(yōu)化的磨損后數(shù)據(jù)的體積值，得到計算結(jié)果V_前＝10773.09mm³，V_后＝10784.96mm³。所以可得磨損體積V＝V_后-V_前＝11.87mm³。相比于稱重得到的磨損量11.15mm³(按照密度0.934mg/mm³進行轉(zhuǎn)換)，體積分析法的測量結(jié)果具有較高可信度。

本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。