【正文】 示。 為了實現(xiàn)對模型更方便加載，本研究采用節(jié)點耦合、建立剛性域的方法施加載荷。 天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 19 點擊點擊“ Preprocessor→ Material Props→ Material Models → Material Model Number1→ Structural→ Linear → Elastic Isotropic→ EX=+011 PRXY=→ OK”，材料 1為股骨設置成功。然后選擇菜單項“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ add→Volume”，將所有的骨釘合并成完整體。形狀階段處理后股骨模型如圖 所示。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。 點 擊“ start threholding” 按鈕， 功能設定 Hu 閾值為 662~1613， 彈出閾值設 置 對話框如圖 所示 ， 點 擊“ apply”完成 。在相關醫(yī)生的指導下對年齡30 歲，身高 米，股骨無疾病及畸形的健康男性志愿者，沿股骨長軸 方向做切斷面的掃描。 圖 逆向工程 關鍵 技術流程圖 Mimics 即為 Materialise39。 天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 12 實 物 原 型數(shù) 據(jù) 獲 得反 求 軟 件原 始 設 計 參 數(shù)還 原設計意圖C A D 系 統(tǒng)產(chǎn) 品 數(shù) 字 化模 型新 產(chǎn) 品創(chuàng)新設計 圖 反求 工程設計流程圖 反向工程的技術流程為：對樣品進行采集坐標數(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)，然后進行數(shù)據(jù)拼合。 認為股骨內各點的測量結果相同，各方向的物理性質相同。 張春秋等采用骨自優(yōu)化理論與有限相結合的方式 ,用計算機模擬出骨折愈合塑形行為 ,進而證實了骨的結構形態(tài)對力學環(huán)境的最佳適應就是骨折愈合塑形過程 ,從而定量的說明了引起骨折愈合塑形的主要因素之一就是 力學環(huán)境 ,進一步證明了符合伍爾夫定律。 瑞士內固定學會 （ AO/ASIF） 制定的分類 方法比較實用 。骨折遠端常有向內收移位的傾向，已對位的骨折，常有向外凸傾向，這種移位和成角傾向，在骨折治療中應注意糾正和防止。而靈活性則甚差。 這種活動不是隨意的 ， 而是骨外形結構和關節(jié)韌帶附著的結果 。此外﹐關節(jié)中間內外側各有一塊重要的半月板（ me niscus）除了可以吸收部份關節(jié)承受的負重外，亦可增加關節(jié)的穩(wěn)定性。 下端為兩個膨大的隆起，向 后方卷曲，分別叫做內側髁和外側髁。頸體交界處的外側，有一向上的隆起，叫做大轉子，其下方小的隆起 為 小轉子。天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 6 第二章 股骨及相關附屬結構的簡介 根據(jù)第一章對論文研究背景的介紹，本章將進一步對論文所需的股骨模型的構造等進行簡單的介紹。 章節(jié)安排 第一章：本論文的緒論，介紹了內固定接骨板、骨生物力學的國內外研究情況，提出了現(xiàn)階段對股骨骨折系統(tǒng)研究的不足，同時確定了對股骨骨折系統(tǒng)研究的思路。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象，基于 CT螺旋掃描圖像利用 Mimics 醫(yī)學軟件、 Geomagic 逆向工程軟 件，對股骨三維模型進行重建，再通過三維 CAD 軟件建立接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)模型；運用有限元法對股骨骨折系統(tǒng)進行模擬仿真分析，并對部分仿真結果進行實驗驗證。這也證明了脛骨骨折的確是由于應力較高所致。 Chand首先發(fā)展了早期膝關節(jié)的二維有限元模型 , 以后又出現(xiàn)了膝關節(jié)的三維有限元模型?，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，為人類未來的醫(yī)學事業(yè)做出更大貢獻。許多醫(yī)學工作者在我國傳統(tǒng)醫(yī)學的基礎上結合國外動力加壓接骨板的優(yōu)點，設計出多種接骨板系統(tǒng)包括角翼自動加壓鋼板、非等強度自動加壓鋼板、槽狀帶齒自動加壓鋼板、梯型自動加壓鋼板等。 骨折內固定接骨板的國內外研究現(xiàn)狀 1958 年由穆勒等 15 名瑞士外科醫(yī)生發(fā)起成立了內固定研究會 ，簡稱 ASIF 或 AO。骨是一種復合材料，它的強度不僅與骨的構造也與材料本身相關。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。 股骨骨折是屬于骨生物力學的一個重要研究課題 ,骨生物力學也是生物力學的一個重要分支。這四個原則幾乎成為了從事骨科臨床治療工作的醫(yī)生的應掌握的首要治療原則。如今國內研制出綜合了 AO、BO的理論并且加入自己的獨到觀點的天鵝型記憶接骨器，研制出了利用了鎳鈦形狀記憶合金的奧馬金相可逆性的記憶合金接骨器，不僅已經(jīng)應用于臨床，并且效果十分良好。隨之而來 , 大量的失敗病例出現(xiàn)。 骨折的生物力學也常用有限元分析法進行分析。旋后位固定；③若內外側骨膜完全破裂即粉碎性骨折， 不論是內側移位 , 還是外側移位 , 只要復位良好 , 宜采用旋后位、中立位固定 , 但考慮到前臂、腕、手部的功能 , 以屈曲 90176。主要研究內容如下： 1．股骨骨折系統(tǒng)模型的建立：利用 Mimics 醫(yī)學軟件、 Geomagic 逆向工程軟件，基于CT 螺旋掃描圖像，重建股骨三維模型。 第四章：本研究的力學實驗部分，主要介紹股 骨骨折系統(tǒng)力學性能實驗的實驗過程，描述了應用電測法對股骨骨折系統(tǒng)進行力學性能實驗的操作步驟、數(shù)據(jù)獲取方法。如果從外面看就是在臀部的后下方。為圓柱形 的粗壯體 ，全體微向前凸。內側髁的內側面和外側髁的外側面各有一粗糙隆起，分別叫做內上髁和外上髁。 由于膝關節(jié)具有特殊的半月板 ， 因此它不僅是一個軸樞關節(jié) ， 而且也帶有某些球窩關節(jié)的特征 ， 即它不僅有屈曲 、 伸展運動功能 ， 而且還有一定范圍的旋轉運動 。時， 膝關節(jié)的旋轉活動度最大。 人體在進行各項活動時，人體體重需要借助肌肉達到平衡。如系開放性或粉碎性 骨折 ，出血量可能更大，患者可伴有血壓下降、面色蒼白等出血性 休克 的表現(xiàn)；如合并其他部位臟器的損傷， 休克 的表現(xiàn)可能更明顯。 斜型 和 A3為 30176。 有限元分析的前提 有限元分析是要在一些必要假設 狀態(tài)下進行，在滿足本次有限元分析的前提下，做出如下幾點假設： ⑴ 連續(xù)性假設。 ⑸ 形體簡化假設。主要分為接觸式、非接觸式和破壞式三類，其中代表性的數(shù)據(jù) 采集設備有三坐標測量機、光學掃描儀和斷層掃描儀。 Geomagic 是一款逆向工程 CAD 建模軟件。通過文件頭 Mimics 軟件可以自動識別 DICOM格式影像數(shù)據(jù)的圖像像素、物體實際比例，層距以及掃描架傾斜度 3 個必要參數(shù)，可以 通過直接 在 Mimics 軟件中導入掃描圖片操作 來 導入股骨 CT 數(shù)據(jù)，設定圖片轉換 的一系列 項目，完成 所需 轉換，轉換生成的股骨冠截面圖和矢截面圖 如 圖 、 所示 。 最后通過“ FEARemesh” ,在 Remech 中進行對股骨模型網(wǎng)格 進行 重新劃分 ，應 用 “ smoothing” 命令細化網(wǎng)格，得到優(yōu)化完成的股骨模型，如圖 39 所示。最后，用“去除特征”功能刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域并且插入一個與周邊三角形連接更好的三角形網(wǎng)格。最后將裝配好的股骨模型以 .x_t 格式進行保存，以備ANSYS 中使用。點擊 “ Main Menu→ Preprocessor→ odeling→ perate→ Booleans→ Divide→ Volu by wrkplane”選擇皮質骨，將股骨從輔助坐標系的位置切割開，再次應用 菜單項“ Work plane→ offset WP by Increments”，將輔助坐標系上移 3mm，切割股骨，得到的股骨即為有限元分析所需的最終模型，如圖 所示。網(wǎng)格大小參數(shù)設置根據(jù)精細與經(jīng)濟兼顧的原則，使得網(wǎng)格化后產(chǎn)生的單元既能保證有一定的模擬精度，又滿足對計算機硬件的需求且省時省力。 圖 關鍵點實常數(shù) 設置材料特性 Main Menu→ Preprocessor→ Material Props→Material Models → New Model 輸入彈性模量 +005，泊松比為 。 計算求解 選擇“ Main Menu→ Solution→ Solve→ Current LS”，對上述三種加載方式分別計算，得出接骨板和股骨應力的分布云圖。 圖 接骨板在軸向加載下的 圖 股骨在軸向加載下的 等效應力分布圖（愈合 50%） 等效應力分布圖（愈合 50%） （ 2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨骨折系統(tǒng)、鈦合金接骨板和股骨的應力分布云圖如圖 和圖 所示；股骨骨折系統(tǒng)最大應力處位于股骨遠端最近螺釘處，最大等效應力為 ，接骨板最大應力處位于離股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應力為 ； 這說明在股骨愈合 50%時， 股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，股骨主要承擔載荷，且股骨遠端最近螺釘位置的強度，應滿足在 等效應力以下不會斷裂。 圖 接骨板在前后彎矩加載下的 圖 股骨在前后彎矩加 載下的 等效應力分布圖（愈合 90%） 等效應力分布圖（愈合 90%） （ 3）股骨骨折系統(tǒng)在內外彎曲 15Nm 力矩下，股骨骨折系統(tǒng)、鈦合金接骨板和股骨的應力分布云圖如圖 和圖 所示；股骨骨折系統(tǒng)最大應力處位于接骨板兩側，最大等效應力為 ，股骨最大應力處位于距股骨近端最近的螺釘位置，最大等效應力為 ；這說明在股骨愈合 90%時，股骨骨折系統(tǒng)在內外彎曲 15Nm 力矩下，接骨板主要承擔載荷，且天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 29 接骨板兩側位置應滿足在 等效應力以下不會 斷裂。 本章小結 本章簡要介紹了逆向工程，并應用逆向工程構建了股骨模型； Pro/E 軟件繪制的接骨板、骨釘，裝配組成了股骨骨折系統(tǒng)模型；然后對股骨骨折系統(tǒng)在 ANSYS 軟件中進行了有限元分析，并對有限元分析后處理結果進行了討論。 、尺寸較小、黏貼方便，對試件的工作狀態(tài)和應力分布影響較小。 人體骨骼是各向異性，非均勻材料，并且?guī)缀涡螤顝碗s。通過記錄應變片在 三個階段的應變值，了解接骨板與股骨對應部位的應變及應力變化情況，應變片位置如圖 所示。 表 表 表 對應有限元分析模型的建立 1 模型對照 股骨干骨折系統(tǒng)有限元分析模型與實物的對照，如圖 所示。 圖 應變片的為應變值（填充材料為聚氨酯） 圖 應變片的為應變值（填充材料為松木） 圖 （填充材料為橡膠） 在填充材料為聚氨酯即骨折最初期時，由圖 可知，應變片 6 及 7 處的接骨板受天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 38 到拉伸力，其余各處均受到壓縮力。 實驗數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)的比較 將實驗數(shù)據(jù)中的 250N的數(shù)據(jù)單獨提取，與有限元分析結果微應變數(shù)據(jù)進行對比 見表 。盡管很多學者已經(jīng)對股骨的有限元分析做了大量的研究，但幾乎都局限于股骨或接骨板本身，而對接骨板固定股骨的股骨骨折系統(tǒng)中接骨板與股骨的應力分析很少，這已經(jīng)不能滿足科技的發(fā)展和臨床需求；論文先利用有限元法模擬分析股骨骨折系統(tǒng)在股骨愈合期的 5 個階段，記錄應力分布與轉 移情況；然后對有限元分析結果進行了力學性能實驗。有限元分析結果與實驗結果同樣反映了這一規(guī)律。隨著載荷的逐漸增加，應變片 5 與 8 的應變值同樣逐漸增大，增加到最大，其中 5 應變片的應變值最大，推測出剛骨折時，股骨骨折系統(tǒng)中主要應力由接骨板承擔。用此方法可將八個應變片對應股骨骨折系統(tǒng)位置的應力值一一測出，然后按照公式： E=?? （ ? 應變值， ? 應力值， E彈性模量值）可計算得出相應點的應變值。通過應變測試儀記錄八個應變片的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，實驗加載如圖 、 、 。 :本次試驗選取防腐股骨，骨并在其股骨中段處制造出約 3mm 的橫斷間隙。 圖 電測法在骨生物力學的應用 六十年代初，在體育方面諸如體操、舉重、田徑等運動項目的生物力學研究就有電測法的應用，對運動員技術的提高起到了一定的作用。在實驗測量前，將電阻應變片用特殊粘合劑在欲測應變部位進行粘合，當殼體受到載荷作用發(fā)生一定形變時，組成電阻應片的電阻絲也隨之同時變化，導致電阻絲橫截面積、截面積的改變，從而引起應變片阻值的變化。 （ 2）其次容易斷裂的部位在接骨板兩側，手術剛剛完成的時期，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲 15Nm 力矩下，接骨板中段的兩側中段受到最大的應力，等效應力為 129Mpa。 圖 接骨板在前后彎矩加載下的 圖 股骨在前后彎矩加載下的 等效應力分布圖（愈合 75%） 等效應力分布圖（愈合 75%） （ 3）股骨骨折系統(tǒng)在內外彎曲 15Nm 力矩下，股骨骨折系統(tǒng)、鈦合金接骨板和股骨的應力分布云圖如圖 和圖 所示。 圖 接骨板 在內外彎曲加載下的 圖 股骨在內外彎曲加載下的 等效應力分布圖（愈合 0%） 等