【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)律的嚴重粉碎型骨折。 圖 股骨干骨折類型 了解骨折愈合機制是研究、設計及評價內(nèi)固定器材的基礎 ,骨折愈合是多種基因聚集、修復細胞的復雜過 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，甚至中斷愈合導致骨不連。 近年來，生物力學發(fā)展迅猛，由于力學環(huán)境而影響骨折的修復越來越受到重視， 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。 天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 10 本章介紹了人體 股骨、膝關節(jié)和髖關節(jié) 的 解剖 結構及其 生物力學特征；股骨干骨折的類型，骨折愈合的主要生物力學因素、伍爾夫定律等，是后續(xù)的有限元分析設計的基礎 。 天津理工大學 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，以及將模型導入 ANSYS 軟件進行分析得到的結果。 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。 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。 對股骨干骨折系統(tǒng)的彈性常數(shù)不隨應力或應變的改變而改變。 ⑶ 均勻各項同性假設。 認為股骨內(nèi)各點的測量結果相同，各方向的物理性質(zhì)相同。 ⑷ 小變形假設。 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。 假設骨釘形狀為標準圓柱體。 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。 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)品概念設計→產(chǎn)品總體及零部件設計→制定生產(chǎn)工藝流程→設計、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。而逆向工程設計流程圖如圖 所示。 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。進行一系列的預處理（簡化、三角化、去除噪音等）；由于測量模型常由多個表面構成，因而還需對測量的數(shù)據(jù)進行分塊，再進行表面模型的擬合，最后倒入 CAD 進行產(chǎn)品模型的重構，如圖 所示。反求工程有以下幾項關鍵技術： 1．數(shù)據(jù)測量 數(shù)據(jù)測量時反求工程的第一步，也是關鍵的一步，是反求工程的基礎，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) 采集設備有三坐標測量機、光學掃描儀和斷層掃描儀。 2．數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理技術主要包括數(shù)據(jù)預處理及特征提取、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出 CAD 模型的數(shù)據(jù)和對波點進行過濾 。 3．模型重建 曲面重建是反求工程的關鍵步驟，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)出相應的 CAD模型的過程即為產(chǎn)品的三維CAD模型重構，為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設計等提供數(shù)學模型支持。 圖 逆向工程 關鍵 技術流程圖 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）和三維工程學應用的。通過使用 Mimics天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 13 的圖像分割方法，可以從醫(yī)學研究區(qū)域中選擇的數(shù)據(jù)，將結果計算成精確的三維模型，目前被廣泛應用于骨科及心血管行業(yè)的學術及商業(yè)研究領域。 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 處 理多 邊 形 化 處理基 本 造 型 處 理曲 面 片 擬 合下 游 應 用 圖 曲面造型流程圖 股骨模型的建立 股骨是一個復雜形體，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 CT 機完成的。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。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 。 天津理工大學 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 構建股骨模型的 主要分步驟： （ 1） 閾值處理 利用分割目標部分的相鄰像素間灰度值是相似的不同分割目標的像素值不同，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 閾值設置 時 是否合適 。 數(shù)值模擬是要將股骨看做由皮質(zhì)骨構成。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 Hu 值 662）以上定義為皮質(zhì)骨。 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 。 圖 閾值設置對話框 （ 2）編輯圖像 經(jīng)過 閾值 設定 生成的股骨 圖像 中間 存在一些 空洞， 以便得到準確的 CT 圖像，需要 利用圖像編輯 功能逐圖 進行修改 ，如圖 所示。 天津理工大學 2020屆本科畢業(yè)論文 15 圖 （ 3）三維計算 對蒙罩的股骨進行三維計算以便清楚直觀地顯示出股骨結構，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。導出 Mimics 以 igs 格式保存文件。 圖 股骨模 圖 優(yōu)化后的股骨模型 Geomagic 軟件進行表面處理 （ 1）點階段 在 Geomagic 中將 igs 格式股骨整體模型導入并形成點云，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 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 多邊形階段轉換后經(jīng)過技術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 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 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”，顯示輔助坐標系。選擇“ Work plane→ ffset WP by Increments”將輔助坐標系設置于股骨中段。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。 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)模型進行劃分有限元網(wǎng)格之前，需要設定所需的單元類型（ 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”設定所需要的單元類型。 天津理工大學 2020屆本