人体赝鼓膜的几何重构与功能仿生研究

论文摘要

鼓膜穿孔是引发耳聋和听力障碍的主要原因之一，可以通过鼓膜的修复或替换来提高和恢复听力。因此，能否成功做出赝鼓膜是手术成功的关键之一。本文研究的目的是研究赝鼓膜模具的设计及开发技术，从而为鼓膜修复手术提供必要条件。本文在成功重构出了赝鼓膜的CAD几何模型的基础上，结合赝鼓膜的功能仿生研究，通过几何拓扑特征参数和物理力学拓扑特征参数互驱动来修改曲面的方法，实现赝鼓膜的曲面设计。设计主要按以下步骤进行：首先，采用三坐标测量技术，对人体鼓膜模型进行了精密的数字化测量，直接获得了点云数据，通过相应的文件格式的转换，输入到相应的软件中进行处理，并且以NURBS曲面为基础，重构出了具有C~2连续性的鼓膜的CAD三维模型。其次，从物理声学原理出发，结合鼓膜的特殊结构和振动模式，研究膜型面形状和膜截面等结构参数的受振动、变形和边界条件驱动的自平衡功能特性，建立了膜振动的数学模型。再次，运用有限元方法分析了其动态特性及振动响应，进行了声固耦合分析，并利用ANSYS软件完成了鼓膜振动的声固耦合分析，给出了仿真过程及其数值解，此方法既保证了赝鼓膜型面形状一致又保证了其功能仿生，达到了提高鼓膜修复质量的目的。最后，根据得到的赝鼓膜曲面，运用CATIA设计出了赝鼓膜模具，并用Mastercam进行了数控编程，进行数控加工开发出了临床使用的赝鼓膜模具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 本课题有关的国内外研究现状
• 1.3 本文课题来源及主要工作
• 第2章 逆向工程概述及数据测量处理
• 2.1 引言
• 2.2 逆向工程的含义及其应用领域
• 2.3 逆向工程技术的工作流程
• 2.4 逆向工程技术的国内外研究现状及其研究重点
• 2.5 数据测量的方法与原理
• 2.5.1 数据测量的方法
• 2.5.2 三坐标测量的原理
• 2.5.3 三坐标测量的过程
• 2.6 人体鼓膜模型的数字化测量
• 2.7 本章小结
• 第3章 逆向工程中的曲面重构
• 3.1 引言
• 3.2 曲线曲面重构的发展概况
• 3.3 基于三边域参数曲面的重构方法
• 3.4 基于四边域参数曲面的重构方法
• 3.5 基于NURBS的人体赝鼓膜的曲面重构
• 3.5.1 NURBS的含义
• 3.5.2 NURBS曲线的定义
• 3.5.3 权因子的几何意义
• 3.5.4 NURBS曲面的定义
• 3.5.5 NURBS曲线曲面的性质
• 3.5.6 NURBS曲面插值
• 3.5.7 人体赝鼓膜的曲面重构
• 3.6 本章小结
• 第4章 赝鼓膜振动分析
• 4.1 引言
• 4.2 理想流体媒质中的声波方程
• 4.2.1 理想流体媒质的三个基本方程
• 4.2.2 三维声波方程
• 4.2.3 声场声固耦合问题
• 4.3 膜的振动
• 4.3.1 膜的振动方程
• 4.3.2 圆膜对称振动的一般解
• 4.3.3 圆膜对称自由振动的一般规律
• 4.4 使用ANSYS进行结构振动及声学计算
• 4.4.1 前处理
• 4.4.2 加载和求解
• 4.4.3 结果后处理
• 4.4.4 赝鼓膜的结构振动及声学分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 赝鼓膜模具设计与数控加工
• 5.1 引言
• 5.2 赝鼓膜的模具设计
• 5.3 赝鼓膜模具的数控加工
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢