关节病是老年人群中发病率最高的疾病之一。当关节病恶化至保守治疗无效，或已出现关节活动受限及变形时，人工关节置换术成为减轻症状、矫正变形及改善关节功能的主要途径。人工关节置换术是指用陶瓷、金属、高分子聚乙烯等材料，根据患者关节形态仿生制成人工假体骨骼，并通过外科手术植入体内，代替患病关节行使功能。它让无数终末期骨关节疾病的病人重新恢复正常的生活，被认为是二十世纪最成功的骨科手术之一。著名医学期刊《柳叶刀》（Lancet），甚至将人工关节置换术称之为“世界之术”。
由于膝关节是人体主要受力和磨损部位，损坏率高，所以膝关节是人工关节置换术中最主要的手术部位之一。人工膝关节的面型制造偏差会直接影响患者的治疗效果，因此在实际的医疗生产中需要对人工膝关节面型进行高精度测量评价，以达到指导加工、提高制造质量的目的。然而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），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。为解决人工膝关节这类复杂面型测量难题，天津大学微纳制造实验室张效栋教授研究团队基于电感直线位移传感器（LVDT），设计搭建了多自由度回转扫描测量系统。该系统有四个方向的自由度：载物台有X、Y方向的平动自由度，LVDT有Z方向平动自由度和B方向转动自由度。根据人工膝关节面型特征，采用等截面线法对人工膝关节进行测量路径规划，通过对各截面线的测量来获取待测件表面三维点云。为实现对截面线高效、高精度采样，该团队提出了基于法矢跟踪的测量方法：在测量过程中，对已测点进行曲线拟合，求取斜率、曲率等特性参数。根据这些参数预测待测区域的法矢方向，自适应调整LVDT的采样位姿，使其近似沿着采样点法矢方向采样。同时，采样间隔也会随着面型结构变化实时调整，能够避免面型结构信息丢失并提升测量效率。通过该方法可实现对面型倾角变化大、结构复杂曲面的自适应回转测量。随后，采用基于相邻点夹角的去噪算法剔除测量点云中的噪声点，再将处理后的点云与理论模型进行匹配，得到人工膝关节面型制造误差，从而实现对人工膝关节面型的高精度测量与评价。最后，通过对标准球的测量实验，标定出测量系统的测量误差为48.21 μm左右；并对人工膝关节模型件进行了测量实验，验证了该方法的可行性。
该研究成果以“基于法矢跟踪的人工膝关节测量方法研究”为题发表在《光电工程》2021年第7期。研究工作受到科学挑战计划 (No. TZ2018006-0203-01)、国家重点研发计划(No. 2017YFA0701200)的支持。
天津大学微纳制造实验室科研团队依托于天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，主要从事光学设计、加工及检测，超精密加工与微纳制造，跨尺度、高精度测量仪器开发、生物医疗设计与制造等方面的研究与开发。团队带头人是长江学者、国家“973”项目首席科学家房丰洲教授，实验室包括2名教授、1名副教授、2名讲师、2名博士后、50余名研究生及若干技术人员。近五年发表论文近180篇，申请发明专利30余项。承担国家重点研发计划项目2项，国家973计划项目1项，863计划项目3项，国家自然科学基金项目8项，获得国家专利优秀奖，天津市技术发明一等奖，目前已发展成为国际上微纳制造研究领域的代表性实验室之一。
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