【正文】 接骨器，不僅已經(jīng)應(yīng)用于臨床，并且效果十分良好。一些學(xué)者研制了一種錐狀點(diǎn)式接觸鋼板是為了達(dá)到減少骨皮質(zhì)血供受損目的在普通接骨板的底面焊接錐狀突起；趙玉峰等設(shè)計(jì)的復(fù)合動(dòng)力點(diǎn)接觸接骨板經(jīng)過(guò)生物力學(xué)測(cè)試，顯示出的彎扭強(qiáng)度與 DCP板基本相似。這四個(gè)原則幾乎成為了從事骨科臨床治療工作的醫(yī)生的應(yīng)掌握的首要治療原則。有限元分析及基于原模型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立股骨近端內(nèi)固定系統(tǒng)生物動(dòng)力學(xué)模型分析框架，利用 ANSYS 分析模型受力 獲取了股骨骨折系統(tǒng)在各種加載條件下，各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變情況。 股骨骨折是屬于骨生物力學(xué)的一個(gè)重要研究課題 ,骨生物力學(xué)也是生物力學(xué)的一個(gè)重要分支。 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，對(duì)骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實(shí)踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)以及應(yīng)力套方法和先測(cè)彈力法等檢測(cè)技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。依研究對(duì)象的不同可分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等。生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論 、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題。骨是一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。隨著人們對(duì)股骨骨折研究工作的不斷開展，骨力學(xué)性能的探究由最初使用的實(shí)驗(yàn)手段逐漸傾向于現(xiàn)代的有限元分析法。 骨折內(nèi)固定接骨板的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1958 年由穆勒等 15 名瑞士外科醫(yī)生發(fā)起成立了內(nèi)固定研究會(huì) ，簡(jiǎn)稱 ASIF 或 AO。 從上個(gè)世紀(jì) 90 年代初期， AO 學(xué)者戈博、 帕爾馬爾 等提出了關(guān)于生物學(xué)固定的新的概念，不破壞骨的生長(zhǎng)發(fā)育的正常生理環(huán)境。許多醫(yī)學(xué)工作者在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)外動(dòng)力加壓接骨板的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出多種接骨板系統(tǒng)包括角翼自動(dòng)加壓鋼板、非等強(qiáng)度自動(dòng)加壓鋼板、槽狀帶齒自動(dòng)加壓鋼板、梯型自動(dòng)加壓鋼板等。 骨生物力學(xué)有限元仿真 的研究現(xiàn)狀 自 1943年庫(kù)朗首創(chuàng)了有限元法，有限元法已應(yīng)用到了很多領(lǐng)域?，F(xiàn)今的有限元模型不僅能逼真地模擬各種骨骼、椎間盤，還能將周圍的軟組織加入模型，使其更加逼真形象，為人類未來(lái)的醫(yī)學(xué)事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。由于以上兩點(diǎn) , 刺激植入股骨假體的二維和三維有限元模型的發(fā)展。 Chand首先發(fā)展了早期膝關(guān)節(jié)的二維有限元模型 , 以后又出現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型。張建新等利用有限元分析從骨科生物力學(xué)角度探討橫形與斜形骨折愈合的影響。這也證明了脛骨骨折的確是由于應(yīng)力較高所致。旋后位固定為優(yōu)。本文以鈦合金接骨板固定股骨中段骨折的三維重建模型為研究對(duì)象，基于 CT螺旋掃描圖像利用 Mimics 醫(yī)學(xué)軟件、 Geomagic 逆向工程軟 件，對(duì)股骨三維模型進(jìn)行重建，再通過(guò)三維 CAD 軟件建立接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)模型；運(yùn)用有限元法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，并對(duì)部分仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用三維 CAD 軟件 Pro/E 繪制的接骨板進(jìn)行打孔，骨釘簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的圓柱體，將重建的股骨模型在 Pro/E 中裝配組成股骨骨折系統(tǒng)模型。 章節(jié)安排 第一章：本論文的緒論，介紹了內(nèi)固定接骨板、骨生物力學(xué)的國(guó)內(nèi)外研究情況，提出了現(xiàn)階段對(duì)股骨骨折系統(tǒng)研究的不足，同時(shí)確定了對(duì)股骨骨折系統(tǒng)研究的思路。同時(shí)按照實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)有限元分析以其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 6 第二章 股骨及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)介 根據(jù)第一章對(duì)論文研究背景的介紹，本章將進(jìn)一步對(duì)論文所需的股骨模型的構(gòu)造等進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。股骨是人體最重要的骨骼，股骨頭更為重要，人的直立行走、活動(dòng)、勞動(dòng)都依靠股骨頭的支撐作用。頸體交界處的外側(cè)，有一向上的隆起，叫做大轉(zhuǎn)子，其下方小的隆起 為 小轉(zhuǎn)子。前面光滑，后面有一縱行的骨嵴，叫做粗線。 下端為兩個(gè)膨大的隆起，向 后方卷曲，分別叫做內(nèi)側(cè)髁和外側(cè)髁。內(nèi)上髁的上方有一三角形突起，叫做骨收肌結(jié)節(jié)，為內(nèi)收肌腱附著處。此外﹐關(guān)節(jié)中間內(nèi)外側(cè)各有一塊重要的半月板（ me niscus）除了可以吸收部份關(guān)節(jié)承受的負(fù)重外，亦可增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。 膝關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)由股四頭肌牽拉 ，各部產(chǎn)生合力拉動(dòng)髕骨向上 ， 通過(guò)髕韌帶將小腿伸直 。 這種活動(dòng)不是隨意的 ， 而是骨外形結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)韌帶附著的結(jié)果 。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 8 髖關(guān)節(jié)由股骨頭與髖臼相對(duì)構(gòu)成，屬于杵臼關(guān)節(jié)，是人體最大和最深的關(guān)節(jié)，也是最典型的 杵臼關(guān)節(jié) ，如圖 。而靈活性則甚差。一般運(yùn)動(dòng)情況關(guān)節(jié)負(fù)荷高于自身重力，步行關(guān)節(jié)承受的力達(dá)到自身重力的數(shù)倍，而田徑運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)承擔(dān)載荷甚至高達(dá)自身重力的十余倍。骨折遠(yuǎn)端常有向內(nèi)收移位的傾向，已對(duì)位的骨折，常有向外凸傾向，這種移位和成角傾向，在骨折治療中應(yīng)注意糾正和防止。因此，對(duì)于此類情況，應(yīng)首先測(cè)量血壓并嚴(yán)密動(dòng)態(tài)觀察，并注意末梢血液循環(huán)。 瑞士?jī)?nèi)固定學(xué)會(huì) （ AO/ASIF） 制定的分類 方法比較實(shí)用 。 橫型 三種； B型為楔形或蝶形骨折 包括 B1為楔形或螺旋楔形骨折 ， B2為彎曲楔形 和 B3為粉碎楔形骨折 ； C型為復(fù)雜骨折 包括 C1為螺旋粉碎骨折， C2為多段粉碎型 和 C3為無(wú)規(guī)律的嚴(yán)重粉碎型骨折。 張春秋等采用骨自優(yōu)化理論與有限相結(jié)合的方式 ,用計(jì)算機(jī)模擬出骨折愈合塑形行為 ,進(jìn)而證實(shí)了骨的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)力學(xué)環(huán)境的最佳適應(yīng)就是骨折愈合塑形過(guò)程 ,從而定量的說(shuō)明了引起骨折愈合塑形的主要因素之一就是 力學(xué)環(huán)境 ,進(jìn)一步證明了符合伍爾夫定律。 物體在變形過(guò)程中仍保持連續(xù)性，不出現(xiàn)開裂或重疊現(xiàn)象，組成固體的物質(zhì)不留空隙的充滿了固體的體積。 認(rèn)為股骨內(nèi)各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果相同，各方向的物理性質(zhì)相同。 假設(shè)骨釘形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 12 實(shí) 物 原 型數(shù) 據(jù) 獲 得反 求 軟 件原 始 設(shè) 計(jì) 參 數(shù)還 原設(shè)計(jì)意圖C A D 系 統(tǒng)產(chǎn) 品 數(shù) 字 化模 型新 產(chǎn) 品創(chuàng)新設(shè)計(jì) 圖 反求 工程設(shè)計(jì)流程圖 反向工程的技術(shù)流程為：對(duì)樣品進(jìn)行采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從得到的數(shù)據(jù)中分析樣品表面的幾何數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合。 2．?dāng)?shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理及特征提取、分割兩個(gè)部分。 圖 逆向工程 關(guān)鍵 技術(shù)流程圖 Mimics 即為 Materialise39。 操作步驟： （ 1）從點(diǎn)云中重建出三角網(wǎng)格曲面；再對(duì)三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面； （ 2）對(duì)這些子網(wǎng)格參數(shù)化； （ 3） 用 NURBS 曲面擬合每個(gè)片子的網(wǎng)格曲面，得到保持一定連續(xù)性的樣條曲面，用于后續(xù) CAD 軟件處理。在相關(guān)醫(yī)生的指導(dǎo)下對(duì)年齡30 歲，身高 米，股骨無(wú)疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨長(zhǎng)軸 方向做切斷面的掃描。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 14 圖 股骨冠截面圖和矢截面圖 圖 閾值曲線圖 在 Mimics 中 構(gòu)建股骨模型的 主要分步驟： （ 1） 閾值處理 利用分割目標(biāo)部分的相鄰像素間灰度值是相似的不同分割目標(biāo)的像素值不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)操作的，這是基于對(duì)灰度值的一種假設(shè)的閾值處理方法。 點(diǎn) 擊“ start threholding” 按鈕， 功能設(shè)定 Hu 閾值為 662~1613， 彈出閾值設(shè) 置 對(duì)話框如圖 所示 ， 點(diǎn) 擊“ apply”完成 。導(dǎo)出 Mimics 以 igs 格式保存文件。選擇“封裝”，在彈出管理器中選擇“曲面”，封 裝后得到曲面圖如圖 所示。多邊形處理后的股骨模型模型如圖 所示。形狀階段處理后股骨模型如圖 所示。 圖 股骨骨折系統(tǒng)裝配圖 ANSYS軟件內(nèi)建立股骨骨折系統(tǒng)模型 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 18 將骨 折系統(tǒng)模型的 .x_t 格式文件導(dǎo)入 ANSYS 軟件，生成 ANSYS 軟件內(nèi)的股骨干骨折系統(tǒng)裝配模型。然后選擇菜單項(xiàng)“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ add→Volume”，將所有的骨釘合并成完整體。 圖 股骨骨折系統(tǒng)有限元模型圖 內(nèi)固定接骨板系統(tǒng)的有限元分析 定義單元類型和材料屬性 對(duì) 股骨骨折系統(tǒng)模型進(jìn)行劃分有限元網(wǎng)格之前，需要設(shè)定所需的單元類型（ Element Type）、材料屬性（ Material Props）和實(shí)常數(shù)（ Real Constants）。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 19 點(diǎn)擊點(diǎn)擊“ Preprocessor→ Material Props→ Material Models → Material Model Number1→ Structural→ Linear → Elastic Isotropic→ EX=+011 PRXY=→ OK”，材料 1為股骨設(shè)置成功。將需要精確計(jì)算的部位用較細(xì)的網(wǎng)格劃分，不需要計(jì)算的部位用較粗網(wǎng)格劃分，設(shè)置股骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的網(wǎng)格大小為 9 鈦 合金接骨板和骨釘?shù)木W(wǎng)格大小為 8。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模型更方便加載，本研究采用節(jié)點(diǎn)耦合、建立剛性域的方法施加載荷。 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→Create→Keyp oints→In Active CS 。形成剛性區(qū)域，如圖 所示。 后處理 ⒈ 股骨骨折斷，股骨骨折系統(tǒng)在各種加載情況下的應(yīng)力分布情況 （ 1） 股骨骨折系統(tǒng)在 250N 軸向加載力下，鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng) 力處位于接骨板中段右側(cè)，最大等效應(yīng)力為 ，天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 22 股骨最大應(yīng)力處位于骨折上端螺釘位置，最大等效應(yīng)力為 ； 這說(shuō)明在患者剛骨折時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在 250N 軸向壓力下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板在骨折位置部分的強(qiáng)度，應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力下不會(huì)斷裂。 圖 圖 股骨在軸向加載下的 等效應(yīng)力分布圖（愈合 25%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 25%） （ 2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示 ； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端螺釘處，最大等效應(yīng)力為天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 24 ，接骨板最大應(yīng)力處位于 股骨遠(yuǎn)端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為 ； 這說(shuō)明在股骨愈合 25%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨主要承擔(dān)載荷，且遠(yuǎn)端螺釘部分的強(qiáng)度，應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。 圖 接骨板在前后彎矩加載下的 圖 等效應(yīng)力分布圖（愈合 50%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 50%） （ 3）股骨骨折系統(tǒng)在內(nèi)外彎曲 15Nm 力矩下，股骨骨折系統(tǒng)、鈦合金接骨板和股骨的應(yīng)力分布云圖如圖 和圖 所示 ； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于接骨板兩側(cè)，最大等效天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 26 應(yīng)力 為 ，股骨最大應(yīng)力處位于距離股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為； 這說(shuō)明在股骨愈合 50%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在內(nèi)外彎曲 15Nm 力矩下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板兩側(cè)位置應(yīng)滿足在 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于接骨板兩側(cè)位置，最大等效應(yīng)力為 ，股骨最大應(yīng)力處位于距離股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為； 這說(shuō)明在股骨愈合 75%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在內(nèi)外彎曲 15Nm 力矩下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板上距離股骨近端最近的螺釘位置應(yīng)滿足在 。 圖 接骨板在內(nèi)外彎矩加載下的 圖 股骨在內(nèi)外彎矩加載下的 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） 有限元分析結(jié)果整理 將上述的 ANSYS 分析結(jié)果進(jìn)行了 圖表化整理，得到在三種不同力的作用下股骨骨折系統(tǒng)所受的應(yīng)力分析，整理結(jié)果如圖 、 、 所示。接骨板的中段兩側(cè)部分的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足在 129Mpa 等效應(yīng)力以下不會(huì)斷裂。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 32 第四章 股骨愈合的力學(xué)實(shí)驗(yàn) 了解電測(cè)法在生物力學(xué)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)電測(cè)法實(shí)驗(yàn)?zāi)M股骨愈合的過(guò)程并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由此可見，電阻的變化與應(yīng)變是有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 ；利用該方法可以測(cè)試試件在靜載荷下的 應(yīng)變也可以測(cè)動(dòng)載荷及沖擊載荷下的應(yīng)變。在我國(guó)電測(cè)法應(yīng)用于生物力學(xué)方面起步較早，在 1964 年，王云德、王汝英在國(guó)內(nèi)首先用電測(cè)法對(duì)跳遠(yuǎn)、跳高的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了力學(xué)天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 33 研究，成果顯著。因此，用電測(cè)法進(jìn)行測(cè)量可解決應(yīng)用常規(guī)的杠桿引伸儀進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，受到安裝方式和測(cè)量量程等條件限制，往往只能測(cè)量一定范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。在模擬橫形骨折的前提下，選取三只彈性模量適當(dāng)生物材料制作出填充在與橫斷處的材料試件，三種填充物用來(lái)模擬骨愈合的三個(gè)階段的骨痂的彈性模量。 圖 股骨中段橫行骨折固定尺寸以及貼片位置 ：干骨、鈦合金接骨板、骨釘、橫斷處填充材料（ E 松木 E 橡膠 E 聚氨酯 ）、應(yīng)變片若