【文章內(nèi)容簡介】 、 3三個亞型 ,如圖 。其中， A型為簡單骨折 ，其亞型包括 A1為螺旋型 ， A2為 30176。 斜型 和 A3為 30176。 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為無規(guī)律的嚴(yán)重粉碎型骨折。 圖 股骨干骨折類型 了解骨折愈合機(jī)制是研究、設(shè)計及評價內(nèi)固定器材的基礎(chǔ) ,骨折愈合是多種基因聚集、修復(fù)細(xì)胞的復(fù)雜過 程，其所需要適合的環(huán)境受多種因素影響，若因素改變或受到干擾會影響愈合的速度，甚至中斷愈合導(dǎo)致骨不連。 近年來，生物力學(xué)發(fā)展迅猛，由于力學(xué)環(huán)境而影響骨折的修復(fù)越來越受到重視， 伍爾夫定律 證明了骨塑形的重要因素之一就是骨的力學(xué)環(huán)境。斷處的活動為多大是恰到好處的，而且骨愈合并不是十分牢固，想要達(dá)到牢固的愈合需要長期的固定才行。 張春秋等采用骨自優(yōu)化理論與有限相結(jié)合的方式 ,用計算機(jī)模擬出骨折愈合塑形行為 ,進(jìn)而證實了骨的結(jié)構(gòu)形態(tài)對力學(xué)環(huán)境的最佳適應(yīng)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(xué)環(huán)境 ,進(jìn)一步證明了符合伍爾夫定律。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 10 本章介紹了人體 股骨、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié) 的 解剖 結(jié)構(gòu)及其 生物力學(xué)特征；股骨干骨折的類型，骨折愈合的主要生物力學(xué)因素、伍爾夫定律等，是后續(xù)的有限元分析設(shè)計的基礎(chǔ) 。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 11 第三章 股骨干骨折系統(tǒng)模型建立及有限元分析 通過一、二章對論文研究基礎(chǔ)的介紹，本章將簡單介紹創(chuàng)建股骨干骨折系統(tǒng)模型的過程，以及將模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件進(jìn)行分析得到的結(jié)果。 有限元分析的前提 有限元分析是要在一些必要假設(shè) 狀態(tài)下進(jìn)行，在滿足本次有限元分析的前提下，做出如下幾點假設(shè)： ⑴ 連續(xù)性假設(shè)。 物體在變形過程中仍保持連續(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。 ⑵ 完全彈性假設(shè)。 對股骨干骨折系統(tǒng)的彈性常數(shù)不隨應(yīng)力或應(yīng)變的改變而改變。 ⑶ 均勻各項同性假設(shè)。 認(rèn)為股骨內(nèi)各點的測量結(jié)果相同，各方向的物理性質(zhì)相同。 ⑷ 小變形假設(shè)。 在外力作用下產(chǎn)生的變形與其本身幾何尺寸相比很小 ， 可以不考慮因 變形而引起的尺寸變化 。 ⑸ 形體簡化假設(shè)。 假設(shè)骨釘形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。 股骨三維模型的建立 反求工程的概念 反求工程也稱逆向工程，是根據(jù)已存在的實物樣本中獲取數(shù)字模型并制造新產(chǎn)品的技術(shù)。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程為以下幾部分產(chǎn)品功能需要→產(chǎn)品概念設(shè)計→產(chǎn)品總體及零部件設(shè)計→制定生產(chǎn)工藝流程→設(shè)計、制造工夾具、模具等工裝→零部件加工及裝配→產(chǎn)品檢驗及性能測試。而逆向工程設(shè)計流程圖如圖 所示。 天津理工大學(xué) 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(shè) 計 參 數(shù)還 原設(shè)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(shè)計 圖 反求 工程設(shè)計流程圖 反向工程的技術(shù)流程為：對樣品進(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。進(jìn)行一系列的預(yù)處理（簡化、三角化、去除噪音等）；由于測量模型常由多個表面構(gòu)成，因而還需對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，再進(jìn)行表面模型的擬合，最后倒入 CAD 進(jìn)行產(chǎn)品模型的重構(gòu)，如圖 所示。反求工程有以下幾項關(guān)鍵技術(shù)： 1．?dāng)?shù)據(jù)測量 數(shù)據(jù)測量時反求工程的第一步，也是關(guān)鍵的一步，是反求工程的基礎(chǔ)，只有在數(shù)據(jù)正確的前提下才能更好的實現(xiàn) CAD 曲面建模。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(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀。 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、分割兩個部分。數(shù)據(jù)處理的目的是為了留下恰好能夠重構(gòu)出 CAD 模型的數(shù)據(jù)和對波點進(jìn)行過濾 。 3．模型重建 曲面重建是反求工程的關(guān)鍵步驟，其目的就是要滿足對精度和光順性的要求，并與相鄰的曲面光滑拼接的曲面模型。 從已有的實物模型產(chǎn)出相應(yīng)的 CAD模型的過程即為產(chǎn)品的三維CAD模型重構(gòu)，為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計等提供數(shù)學(xué)模型支持。 圖 逆向工程 關(guān)鍵 技術(shù)流程圖 Mimics 即為 Materialise39。s interactive medical image control system 是一個圖像處理工具用來連接二維圖像數(shù)據(jù)（ CT， MRI，工業(yè)掃描數(shù)據(jù)等）和三維工程學(xué)應(yīng)用的。通過使用 Mimics天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 13 的圖像分割方法，可以從醫(yī)學(xué)研究區(qū)域中選擇的數(shù)據(jù)，將結(jié)果計算成精確的三維模型，目前被廣泛應(yīng)用于骨科及心血管行業(yè)的學(xué)術(shù)及商業(yè)研究領(lǐng)域。 Geomagic 是一款逆向工程 CAD 建模軟件。 操作步驟： （ 1）從點云中重建出三角網(wǎng)格曲面；再對三角網(wǎng)格曲面分片，得到一系列有四條邊界的子網(wǎng)格曲面； （ 2）對這些子網(wǎng)格參數(shù)化； （ 3） 用 NURBS 曲面擬合每個片子的網(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。實現(xiàn)曲面造型的基本流程如圖 所示。 數(shù) 據(jù) 收 集 數(shù) 據(jù) 預(yù) 處 理多 邊 形 化 處理基 本 造 型 處 理曲 面 片 擬 合下 游 應(yīng) 用 圖 曲面造型流程圖 股骨模型的建立 股骨是一個復(fù)雜形體，用 CAD 軟件直接繪制十分困難，研究中多用 CT 圖像通過反求得到股骨的三維模型。 股骨的數(shù)據(jù)采集工作是借助天津某醫(yī)院旋轉(zhuǎn) CT 機(jī)完成的。在相關(guān)醫(yī)生的指導(dǎo)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。在掃描電壓 120KV，電流 200mA，掃描層厚 1 mm，掃描層數(shù) 200 層，得到連續(xù)橫斷面圖像以及矢截面圖像，并將掃描的數(shù)據(jù) 存儲為 DICOM 格式。 在 Mimics 軟件中進(jìn)行初期的點云處理。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(dǎo)入掃描圖片操作 來 導(dǎo)入股骨 CT 數(shù)據(jù)，設(shè)定圖片轉(zhuǎn)換 的一系列 項目，完成 所需 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的股骨冠截面圖和矢截面圖 如 圖 、 所示 。 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，來實現(xiàn)操作的，這是基于對灰度值的一種假設(shè)的閾值處理方法。 可以通過 查看 提取組織 的效果（噪點少，且骨組織完整）來確定 閾值設(shè)置 時 是否合適 。 數(shù)值模擬是要將股骨看做由皮質(zhì)骨構(gòu)成。用 “ profile line” 測量骨的 Hu 值得到如圖 34 所示曲線，將灰度值 1686Gv（對應(yīng) Hu 值 662）以上定義為皮質(zhì)骨。 點 擊“ start threholding” 按鈕， 功能設(shè)定 Hu 閾值為 662~1613， 彈出閾值設(shè) 置 對話框如圖 所示 ， 點 擊“ apply”完成 。 圖 閾值設(shè)置對話框 （ 2）編輯圖像 經(jīng)過 閾值 設(shè)定 生成的股骨 圖像 中間 存在一些 空洞， 以便得到準(zhǔn)確的 CT 圖像，需要 利用圖像編輯 功能逐圖 進(jìn)行修改 ，如圖 所示。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 15 圖 （ 3）三維計算 對蒙罩的股骨進(jìn)行三維計算以便清楚直觀地顯示出股骨結(jié)構(gòu)，如圖 所示。 最后通過“ FEARemesh” ,在 Remech 中進(jìn)行對股骨模型網(wǎng)格 進(jìn)行 重新劃分 ，應(yīng) 用 “ smoothing” 命令細(xì)化網(wǎng)格，得到優(yōu)化完成的股骨模型，如圖 39 所示。導(dǎo)出 Mimics 以 igs 格式保存文件。 圖 股骨模 圖 優(yōu)化后的股骨模型 Geomagic 軟件進(jìn)行表面處理 （ 1）點階段 在 Geomagic 中將 igs 格式股骨整體模型導(dǎo)入并形成點云，如圖 310 所示。點階段處理：首先，點擊“選擇非連接項”，彈出管理器，選擇分隔選項選擇“中間”，大小選項選擇“ 5”，選擇并刪除非連接點；其次，點擊“選擇體外孤點”，在彈出的管理器中選擇默認(rèn)值“ ”，選擇并刪除體外孤點。然后，點擊“減少噪音”工具，在彈出對話框中選擇“棱柱型”，平滑等級偏低，偏差限定“ ”；最后，點擊“統(tǒng)一采樣”工具，在彈出對話框中選擇“絕對”輸入間距“ ”。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。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 16 圖 股骨點云圖 圖 封裝后股骨曲面圖 ⑵ 多邊形階段 在模型管理器中右鍵單擊點云，選擇“隱藏”，視圖窗口只顯示多邊形，進(jìn)行多邊形階段處理：首先，點擊 “填充孔”按鈕，有包括填充完整孔、填充邊界孔及生成橋填充三種填充方式。股骨需要用到“填充完整孔”功能；其次，點擊“簡化多邊形”，在彈出的對話框中選擇“三角形計數(shù)”模式，選擇“固定邊界”單選框，設(shè)置為“減少到 80%” ，選擇“基于曲率優(yōu)先”。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。多邊形處理后的股骨模型模型如圖 所示。 圖 多邊形處理后的股骨模型 ⑶ 形狀階段 多邊形階段轉(zhuǎn)換后經(jīng)過技術(shù)處理所得到理想曲面模型，這個過程即為形狀階段。主要流程如圖 。將模型在 Geomagic 中以 igs 格式保存。形狀階段處理后股骨模型如圖 所示。 探 測 輪 廓 線 編 輯 輪 廓 線 探 測 曲 率 自 動 擬 合 曲 面曲 面 片 處 理格 式 生 成 處 理曲 面 生 成曲 面 輸 出 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 17 圖 形狀階段流程圖 圖 形狀階段處理后股骨模型圖 鈦合金接骨板、骨釘模型的建立及與股骨的裝配 將 在 Geomagic 中 獲得股骨 igs 文件通過軟件端口導(dǎo)入 PRO/E 中 ，并在 PRO/E 中繪制股骨中段骨折所用接骨板及骨釘，將骨釘簡化為圓柱體。 在 Pro/E 軟件中完成股骨、接骨板及骨釘?shù)难b配，裝配圖如圖 所示。最后將裝配好的股骨模型以 .x_t 格式進(jìn)行保存，以備ANSYS 中使用。 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。但此時的裝配模型只是位置上的裝配，各零件之間沒有任何約束關(guān)系。通過ANSYS 的 Boolean 制造股骨的骨折。 選擇菜單項“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ Partition→ Volume→ Pick all” ， 將所有發(fā)生干涉的部分劃分為單獨的體，相鄰的部分是粘接的關(guān)系。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。 選擇菜單項“ Work plane→ Isplay working plane”，顯示輔助坐標(biāo)系。選擇“ Work plane→ ffset WP by Increments”將輔助坐標(biāo)系設(shè)置于股骨中段。點擊 “ Main Menu→ Preprocessor→ odeling→ perate→ Booleans→ Divide→ Volu by wrkplane”選擇皮質(zhì)骨，將股骨從輔助坐標(biāo)系的位置切割開，再次應(yīng)用 菜單項“ Work plane→ offset WP by Increments”，將輔助坐標(biāo)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。 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 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）和實常數(shù)（ Real Constants）。模型曲面較多，單元類型選擇八節(jié)點的四面體單元“ Solid 45”。具體 參數(shù)見表 。 點擊“ Preprocessor→ Element Type→ Add?→ Solid→ Solid45→ OK → Close”設(shè)定所需要的單元類型。 天津理工大學(xué) 2020屆本