基于法矢跟踪的人工膝关节测量方法研究

李 琛，朱琳琳，杨旭东，刘 磊，张效栋

天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津大学微纳制造实验室，天津 300072

1 引 言

全球关节病患者每年对全膝关节置换手术的需求日益增加，全膝关节置换术是使用人工膝关节去替换患者病变的膝关节，从而改善病情。人工膝关节是根据患者自身关节形状采用钛合金、氧化锆陶瓷等生物材料仿制加工而成[1]，其面型偏差会直接影响患者的治疗效果，因此在实际生产应用中需要对人工膝关节面型进行高精度评价。人工膝关节几何尺寸较大、面型复杂，由两个不规则的扇环面和连接部分组成，在矢状面上的面型倾角变化超过120°，冠状面上面型倾角变化在16°左右[2-4]，并且不同患者的膝关节面型存在较大差异，没有统一的数学模型，难以用数学方程进行描述。人工膝关节面型的复杂性和未知性导致其在加工完成后缺少一种有效的测量方法，无法正确评价面型制造质量，限制了人工膝关节的制造发展。因此，急需一种测量方法能够实现人工膝关节面型轮廓准确测量与评价。

目前适用于人工膝关节面型测量的商用仪器有普雷茨特公司基于Redlux 彩色共焦测头研制的非接触式CMM，可以实现对人工膝关节表面的高精度测量，但是该测量设备机械结构复杂、造价昂贵[5]。此外，人工膝关节面型复杂非回转对称，且表面没有辅助定位的几何结构特征导致其在测量坐标系中空间位姿难以确定，因此人工膝关节面型测量可归类为复杂未知曲面测量问题。……