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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BO 276

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