【文章內(nèi)容簡介】 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。 曲面造型流程圖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(zhuǎn)CT機完成的。在相關醫(yī)生的指導下對年齡30歲，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(zhuǎn)換的一系列項目，完成所需轉(zhuǎn)換，、。 股骨冠截面圖和矢截面圖 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?？梢酝ㄟ^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，點擊“apply”完成。 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。（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(jié)構。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。 股骨模 優(yōu)化后的股骨模型（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”。 股骨點云圖 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 ⑶形狀階段多邊形階段轉(zhuǎn)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。將模型在Geomagic中以igs格式保存。 形狀階段流程圖 形狀階段處理后股骨模型圖、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。，以備ANSYS中使用。 股骨骨折系統(tǒng)裝配圖，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。 股骨骨折系統(tǒng)有限元模型圖對股骨骨折系統(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”。點擊“Preprocessor→Element Type→Add…→Solid→Solid45→OK →Close”設定所需要的單元類型。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。 Material Model Number2，Material Model Number3的設置同理可設。 單元類型和材料屬性設置結(jié)構參數(shù)彈性模量泊松比單元類型鈦合金接骨板105 GPaSolid 45鈦合金螺釘105 GPaSolid 45股骨15 GPaSolid 45股骨骨折斷處（骨折時）10MpaSolid 45股骨骨折斷處（愈合25%）Solid 45股骨骨折斷處（愈合50%）Solid 45股骨骨折斷處（愈合75%）Solid 45股骨骨折斷處（愈合90%）Solid 45 劃分網(wǎng)格將表31中的單元類型和材料屬性輸入到ANSYS中，采用自由網(wǎng)格劃分方式分別網(wǎng)格化股骨模型和鈦合金接骨板與骨釘模型。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。將需要精確計算的部位用較細的網(wǎng)格劃分，不需要計算的部位用較粗網(wǎng)格劃分，設置股骨皮質(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。劃分網(wǎng)格后的節(jié)點數(shù)為38239，網(wǎng)格數(shù)為189306。 劃分網(wǎng)格后的股骨骨折系統(tǒng)模型 約束及加載選擇股骨遠端的幾個面，對面上的所有節(jié)點施加全局約束，選取股骨遠端的幾個曲面后點擊確定，在彈出的“Apply，U，ROT on Areas”對話框，選擇“ALL DOF”。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。定義單元類型，實體選擇Solid45，質(zhì)量單元選擇3D mass21；Preprocessor→Real Constant→Add…→Type 2 MASS21→OK→設置實常數(shù)。 關鍵點實常數(shù) 設置材料特性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→New Model +005。 創(chuàng)建關鍵點Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS。 創(chuàng)建關鍵點選擇菜單“Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool ”選取關鍵點38240劃分網(wǎng)格，即完成了關鍵點質(zhì)量的創(chuàng)建。選擇菜單“Main Menu→Preprocessor→Coupling/Ceqn→Rigid Region”創(chuàng)建剛性區(qū)域，在彈出的對話框中輸入主節(jié)點38240和從屬節(jié)點股骨頭表面上的點。形成剛性區(qū)域。 通過節(jié)點創(chuàng)建剛性區(qū)域本研究對股骨骨折系統(tǒng)進行軸向壓縮、內(nèi)外彎曲、前后彎曲三種加載方式。由于前面已經(jīng)在股骨頭建好了剛性區(qū)。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。 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力分布情況（1）股骨骨折系統(tǒng)在250N軸向加載力下，；股骨骨折系統(tǒng)最大應力處位于接骨板中段右側(cè)，股骨最大應力處位于骨折上端螺釘位置，；這說明在患者剛骨折時，股骨骨折系統(tǒng)在250N軸向壓力下，接骨板主要承擔載荷，且接骨板在骨折位置部分的強度。 接骨板在軸向加載下 股骨在軸向加載下的等效應力分布圖（愈合0%） 的等效應力分布圖（愈合0%） （2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲15Nm力矩下，；股骨骨折系統(tǒng)最大應力處位于接骨板中段的兩孔位置，最大等效應力為120Mpa，股骨最大應力處位于股骨遠端最近的螺釘位置，；這說明在患者剛骨折時，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲15Nm力矩下，接骨板主要承擔載荷，且接骨板的中段兩孔部分的強度，應滿足在120Mpa等效應力以下不會斷裂。 接骨板在前后彎曲加載下的 股骨在前后彎曲加載下等效應力分布圖（愈