【正文】 ；第四，由于組裝操作，操作簡(jiǎn)單，易于拆除，而且固定裝置可以重復(fù)利用 [1]。 外固定器現(xiàn)多應(yīng)用于較為嚴(yán)重的骨折、骨骼的畸形矯正等的治療，現(xiàn)還在骨骼的延長(zhǎng)技術(shù)中扮演著重要的角色，在一些利用傳統(tǒng)的骨傷固定方法不適的病癥的應(yīng)用中有非常良好的前景。 三維空間外固定器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 外固定器治療骨折的這一療法最早是由法國的 Malgaigne(1853 年 )發(fā)明的，他設(shè)計(jì)了爪型外固定器，這一裝置可使髕骨骨折復(fù)位，同時(shí)可以對(duì)骨頭進(jìn)行加壓固定。 1907 年比利時(shí)的 Labotte 使用螺釘在體外固定骨折，這是各個(gè)文獻(xiàn)中最早關(guān)于外固定的報(bào)告，這種方法于現(xiàn)在的外固定方法已經(jīng)十分相似。 1934 年Anderson 首先使用了骨外固定 (external skeletul fixation)的稱法，他使用河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 2 的外固定器不僅可以治療骨折，還可以用做骨延長(zhǎng)術(shù)和關(guān)節(jié)固定術(shù)。 1938 年瑞士 Hoffmann 所用的外固定器在外固定器發(fā)展的歷史上具有里程碑的意義，他使用的外固 定器已經(jīng)可以進(jìn)行對(duì)各種變形矯正和延長(zhǎng)短縮骨骼的功能。 1948 年英國的 Charnley 論證了應(yīng)用外固定對(duì)膝關(guān)節(jié)融合后進(jìn)行加壓固定，這種加壓固定的方法可以使骨折愈合的時(shí)間較之前加快二到三倍，在這之后全世界普遍認(rèn)同并采用加壓治療骨折，同時(shí)這也是世界上首先對(duì)骨外固定這一方法進(jìn)行的理論闡述。 最早發(fā)表骨延長(zhǎng)的是 Codivillani(1905 年 )，他的方法是首先將股骨截?cái)啵罄酶菭恳龑⒐穷^進(jìn)行延長(zhǎng)。德國的 Wagner(1970 年 )是使用外固定架做骨延長(zhǎng)的代表人物，他的方法是在截骨之后用外固定架將骨牽開，然后再對(duì) 骨頭做植骨內(nèi)固定手術(shù)，但是這種骨延長(zhǎng)治療最少需要三次手術(shù)才能完成骨延長(zhǎng)。在1970 年，意大利的 設(shè)計(jì)出一種單邊、簡(jiǎn)便、具有伸縮作用的動(dòng)態(tài)外固定架及其骨折動(dòng)態(tài)的外固定理念，在世界范圍得到推廣 [2]。 三維外固定器在國內(nèi)外的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都得到了很良好的發(fā)展，在骨外科的愈合及矯正方面有著很高的地位。 Ilizarov 環(huán)形外固定器理論是依靠幾個(gè)固定環(huán)作為支架將骨頭固定 [3]，已被現(xiàn)在的臨床實(shí)踐中廣泛的應(yīng)用。 圖 11 Ilizarov 環(huán)形外固定器 在國內(nèi)，外固定器也有著不小的進(jìn)步。例如吳建強(qiáng)、黃昌 林通過設(shè)計(jì)及臨床實(shí)踐，針對(duì)于畸形骨干的矯正，研制了一款半環(huán)平面可調(diào)式外固定架 [4]，主要應(yīng)用于下肢長(zhǎng)管狀骨的骨折及畸形矯正。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 3 圖 12 改良型鑲嵌式骨外固定器 外固定器的分類 目前人們已經(jīng)研制了許多外固定器，這些外固定器主要分為兩型，為針式(pin)和環(huán)式 (ring)[5]。其中針式外固定器又可分為簡(jiǎn)單固定器和鉗式固定器，簡(jiǎn)單固定器依靠單個(gè)針起作用，而鉗式固定器則是對(duì)鋼針組進(jìn)行立體控制，鋼針的鉗夾通過“萬向”關(guān)節(jié)與支撐桿相連 ,可在安裝后進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中后者的應(yīng)用較為廣泛。 針式外固定器根據(jù)結(jié)構(gòu) 可分為四種類型 [5]：分別為單側(cè)單平面構(gòu)型（單平面半針外固定器）、單側(cè)雙平面構(gòu)型、雙側(cè)單平面構(gòu)型（單平面全針固定器）、雙側(cè)雙平面構(gòu)型（四邊式外固定器）。環(huán)式外固定器 [5]是通過棒或關(guān)節(jié)部位相連的整環(huán)或半環(huán)構(gòu)成。這些固定器用直徑大約 至 毫米的半針或高張力的鋼絲將環(huán)與骨頭相連，或者多向穿針與環(huán)固定。這種方法可以對(duì)骨頭進(jìn)行多面固定，對(duì)于骨頭的固定較為穩(wěn)定。環(huán)式固定器不僅可以用于對(duì)骨折的治療，也可以用來做骨頭的延長(zhǎng)或者骨頭的畸形矯正。此外，還有一種被稱為三角式的外固定器 [5]，這是一種以單平面雙側(cè)外固定器 為基礎(chǔ)，將固定針和連接桿連接在骨頭的矢狀面上，是一種介于針式與環(huán)式的第三種外固定器。 外固定器的改進(jìn)方向 外固定器從發(fā)明至今，已經(jīng)有將近二百年的歷史了。人們?cè)诓粩嗟馗倪M(jìn)外固定器，其改動(dòng)的方向大概可以總結(jié)為以下幾個(gè)方向： 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 4 ①外固定器機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：逐步改進(jìn)并采用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，嘗試使斷骨或傷骨保持靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的接觸，盡量保證骨的力學(xué)環(huán)境為骨所適宜生長(zhǎng)的，同時(shí)要求外固定器穩(wěn)定性好，靈活性高。 ②外固定器材料的使用：外固定器主要是由固定針、固定架和連接桿組成。固定針是用來連接外固定裝置與骨骼的，主要有無 螺紋光滑針、中間螺紋針或尖螺紋 (Schanz 針 )等，最近學(xué)界對(duì)輕基磷灰石 (HA)涂層的固定針的研究較多。外固定架常用金屬、有機(jī)玻璃板、塑料裝置 [6]、可透 X 線的高強(qiáng)度尼龍 [7]等材料，而連接桿一般由不銹鋼和鈦制成，也有碳素合成的連接桿。 ③智能化外固定器：大量臨床和實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了現(xiàn)在骨科醫(yī)學(xué)一個(gè)重要的理論：堅(jiān)硬固定產(chǎn)生骨折一期愈合，非堅(jiān)硬固定產(chǎn)生骨折二期愈合，其中力學(xué)環(huán)境是影響骨折愈合方式的重要特征 [8]。一些學(xué)者利用有限元分析的方法對(duì)外固定器進(jìn)行合理的力學(xué)規(guī)劃 [8]。由于骨在不同的生長(zhǎng)期需要不同的應(yīng)力刺激 ，智能化外固定器可以采取在骨愈合的不同階段，控制不同的應(yīng)力來保證骨生長(zhǎng)在合適的力學(xué)環(huán)境中。國外也曾針對(duì)固定針進(jìn)行了改進(jìn)，他們將固定針 (Distraction Nail)后部加入電機(jī)與控制器以更高效的控制對(duì)骨的應(yīng)力 [9]。 圖 3 Distraction nail 裝配圖 ④外固定器治療與其它療法相結(jié)合：利用固定器機(jī)械固定傷骨斷骨，同時(shí)結(jié)合其他諸如聲波療法、電磁療法等進(jìn)行組合治療，加快骨的恢復(fù)周期。同時(shí)，國外還針對(duì)斷骨的愈合檢測(cè)進(jìn)行研究，可以利用超聲波對(duì)骨骼的愈合情況進(jìn)行檢查[10]，這在未來可能與外固定器結(jié) 合形成治療檢測(cè)一體的技術(shù)。此外，對(duì)于外固定器上的檢測(cè)，國外也曾有過利用熒光鏡檢測(cè)的論述 [11]。骨頭的愈合也可以通過檢測(cè)外固定器的應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)，例如利用 von Mises stress[12]對(duì)骨折愈合進(jìn)行檢測(cè)以及利用骨折軌跡跟蹤 (Fracture Track)進(jìn)行檢驗(yàn) [13]。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 5 近些年的研究表明，低頻振動(dòng)對(duì)于人的成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。在適當(dāng)頻率的振動(dòng)中，骨細(xì)胞的分化與增殖速率有一定的上升 [14]。在近些年的研究中，機(jī)械振動(dòng)與人骨骼的生長(zhǎng)并未與空間固定器有機(jī)的結(jié)合，這也是未來研究需要去探索的。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本課題需要 通過查閱相關(guān)的中外文獻(xiàn)，了解三維空間外固定器的應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)；擬定三維空間外固定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行總體設(shè)計(jì)； 進(jìn)行人體骨骼建模并對(duì) 三維空間外固定器 進(jìn)行力學(xué) 分析，進(jìn)行 計(jì)算機(jī)構(gòu)位置反解 ；建立各零部件的三維 CAD 模型，并進(jìn)行整體裝配；完成三維空間外固定器的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。繪制裝配圖、零件圖；撰寫論文。 要求所設(shè)計(jì)的三維空間外固定器，結(jié)構(gòu)方案合理，圖紙表達(dá)清晰，繪圖符合國家標(biāo)準(zhǔn)。論文完成外固定器的 機(jī)構(gòu)位置反解 分析及 力學(xué) 分析 。 2 泰勒空間外固定器的建模及脛骨的建模 及裝配 引言 在這一章，本課題需要完成對(duì)泰勒空間外固定器的建模裝配、人體脛骨的建模以及外固定器與脛骨的總體裝配。本課題對(duì)于成人脛骨的建模較為困難，在之后的工作中，本課題需要以真人骨骼為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。而將骨骼通過醫(yī)學(xué)上的手段、計(jì)算機(jī)手段并最終成為一個(gè)可在機(jī)械相關(guān)軟件上進(jìn)行操作的零件，其工作量應(yīng)相當(dāng)巨大。 此外，在這一章中，本課題還需要對(duì)泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)泰勒空間外固定器進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述。本課題需要通過對(duì)泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器的對(duì)比，較為細(xì)致的了 解這兩個(gè)固定器之間的關(guān)系及二者之間的相同之處與各自的特點(diǎn)，以達(dá)到對(duì)骨外固定器有更進(jìn)一步的了解。 泰勒空間外固定器的介紹 目前關(guān)于骨外固定支架的種類繁多，醫(yī)學(xué)臨床中常用單邊式或環(huán)式的外固定河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 6 架，其中 Illizarov 支架應(yīng)用最為廣泛。 圖 21 Illizarov 支架 1994 年，美國的 Taylor 和 Harold S. Taylor 將并聯(lián)機(jī)構(gòu) Stewart平臺(tái)以及 Chasles 理論應(yīng)用于骨外固定，并成功地改良了 Illizarov 骨外固定器[15]。泰勒空間骨外固定支架是由六個(gè)可 伸縮的套桿連接著兩個(gè)圓環(huán)組成。通過調(diào)整這六個(gè)可伸縮的套桿的長(zhǎng)度，兩個(gè)圓環(huán)之間的位姿就可以相互變換 [16]。將斷骨的兩端分別與泰勒支架上的兩個(gè)固定環(huán)相連接，即可通過調(diào)整固定環(huán)來調(diào)整骨頭的固定及其位姿，從而正確固定調(diào)整骨間姿態(tài)，完成對(duì)骨愈合的治療。 圖 22 泰勒空間骨外固定支架示意圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器的對(duì)比 Illizarov 固定架一般用四根螺紋桿串聯(lián)二至四個(gè)環(huán)組成，對(duì)于肢體畸形的不同以及肢體形態(tài)的不同，需要設(shè)計(jì)不同的框架構(gòu)型，往往還需要附加一些輔助配件。而正是由于構(gòu)型的 不同，為了保證完成骨骼的治療，人們通常需要大量的實(shí)驗(yàn)與臨床經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出適合目標(biāo)骨骼治療的具體框架構(gòu)型。 Illizarov 支架多使用較細(xì)的克氏針以及橄欖針作為固定架的固定針。該支架需要考量許多問題，例如使用的鋼針數(shù)量、鋼針的跨距、進(jìn)針的方向角度以及不同的肢體狀況。這之中的安裝過程十分繁瑣，在安裝過程中需要進(jìn)行不斷地調(diào)整，添加、減少構(gòu)件，變換構(gòu)型。 泰勒空間固定支架是由六根可以伸縮的支撐桿連接兩端的兩個(gè)環(huán)組成，而支撐桿與固定環(huán)之間是一種可以調(diào)節(jié)的非垂直狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)與鉆石晶體的結(jié)構(gòu)形態(tài)相類似，即使支撐桿傾斜， 桿件也不會(huì)承受彎曲應(yīng)力。由于引入 Stewart 機(jī)構(gòu)，故泰勒固定架只需要適當(dāng)改變空間的位姿就可以完成固定架的調(diào)整安裝，所以在臨床的實(shí)踐中，泰勒固定架的通用性更為優(yōu)秀。 Illizarov 環(huán)式固定架的適應(yīng)癥較為廣闊，常用于治療粉碎性或近關(guān)節(jié)處的斷裂 [17]，并廣泛應(yīng)用于非聯(lián)合、損傷后殘留的不重合現(xiàn)象的矯正治療 [18]，對(duì)于骨端加壓以及股延長(zhǎng)這些單方向的畸形矯正有更為良好的表現(xiàn)。在固定中，四桿的伸縮較為方便，不需要過度計(jì)算機(jī)的輔助。而且使用較細(xì)的鋼針進(jìn)行固定，用較細(xì)的鋼針可以保證彈性較為適宜，有利于成骨細(xì)胞的生長(zhǎng) 。而泰勒支架的構(gòu)型單一，矯正過程中不需要再次變換支架，學(xué)習(xí)操作的時(shí)間較短，可以同時(shí)矯正四維畸形。泰勒支架軸向強(qiáng)度是 Illizarov 支架的 倍，彎曲強(qiáng)度是 Illizarov支架的兩倍，扭力強(qiáng)度是 Illizarov 支架的 倍。然而，泰勒支架的價(jià)格也較Illizarov 固定架高出許多，故對(duì)與泰勒架的普及有一定的限制 [15]。 泰勒空間外固定器的結(jié)構(gòu) 泰勒空間外固定架屬于模塊化拼裝，主要由固定環(huán)、固定桿、螺紋針、克氏針、萬向關(guān)節(jié)器、四棱立柱、半針襯套、孔針座等零件構(gòu)成。根據(jù)不同的骨骼以及不同的創(chuàng) 傷及畸形狀況，醫(yī)生選擇不同的模塊組合拼裝，對(duì)于每一個(gè)病例，泰勒空間外固定架都由不同的零件拼裝。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 8 脛骨的建模 脛骨平臺(tái)骨折約占骨折總數(shù)的 1%，是人體常見的骨折類型 [19]。脛骨位于小腿的內(nèi)側(cè) [2021]，在運(yùn)動(dòng)中承力較多 ,可承受 12561685kg/cm2 的壓力強(qiáng)度 [22]。人類皮質(zhì)骨密度平均值約為 [23]。本次骨外固定的骨骼準(zhǔn)備選用脛骨作為實(shí)驗(yàn)?zāi)阁w進(jìn)行裝配。選取直徑為 的克氏針作為全針，直徑為 5mm 的螺紋針作為半針 [15]。 想要獲得脛骨模型，本課題首先需要用 CT 掃描設(shè)備 對(duì)成人脛骨進(jìn)行掃描。本課題采用的設(shè)備為美國 GE 公司生產(chǎn)的 Light Speed 16 排多層 CT，然后將 CT掃描斷層數(shù)據(jù)利用 DICOM 格式保存下來，并將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng) Mimics 軟件，并在這個(gè)軟件中進(jìn)行醫(yī)學(xué)的圖像處理 [24]，之后經(jīng)過逆向工程軟件 Geomagic Studio 12 生成實(shí)體曲面模型，導(dǎo)入三維繪圖軟件UG/ 進(jìn)行曲面處理并生成實(shí)體。 Mimics 軟件介紹及操作過程 Mimics 是一款在醫(yī)學(xué)上非常著名的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)軟件 。它作為一套高度集成了 3D 圖像生成及編輯處理軟件，它能夠識(shí)別并輸入各種掃描后所得到的數(shù)據(jù)，例如 CT、 MRI 所拍照出的影像，在醫(yī)學(xué)上有極大的用處。利用這些影像，軟件可以建立 3D 模型進(jìn)行編輯，自編輯完成后，軟件可以輸出 許多文件格式，如 通用的 STL 格式、 SLC 格式、 IGES 格式以及 DXF 等格式，這些格式可以保證用戶在不同的軟件之間進(jìn)行相當(dāng)規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理工作。 首先先將脛骨的 CT 掃描文件導(dǎo)入到 Mimics 中，設(shè)置脛骨的視圖方向并以適合的的角度顯示出來。利用軟件中閾值分割（ Threshold）功能選 擇出本課題想要保留的部分進(jìn)行選擇。對(duì)于骨骼選擇，閾值一般在 2003000 之間。通過設(shè)置閾值，本課題就可以建立病人脛骨的蒙罩（ mask）。這之后本課題利用蒙罩編輯（ Edit Masks）功能模塊將脛骨周圍的噪點(diǎn)和其他骨骼部分擦除，再利用區(qū)域增長(zhǎng)（ Region growth）功能從而使脛骨成為一個(gè)單獨(dú)的蒙罩，并經(jīng)過三維計(jì)算（ 3D Calculation）即可得到相應(yīng)的三維模型。在進(jìn)行光滑處理獲得滿意結(jié)果后，將脛骨的模型以點(diǎn)云數(shù)據(jù)（ point cloud）的形式輸出出來。 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 圖 23 Mimics 處理