【正文】 論文研究過(guò)程： （ 1）基于 CT 掃描數(shù)據(jù)，通過(guò) Mimics 醫(yī)學(xué)軟件分別構(gòu)建股皮質(zhì)骨的三維立體模型，完成了初期點(diǎn)云的處理；并。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 40 第六章 結(jié)論與展望 結(jié)論 論文主要研究鈦合金接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)的有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 通過(guò)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共同規(guī)律可以看出：骨折前期應(yīng)變片 5~8 處應(yīng)變較大，到骨折后期逐漸減??；而應(yīng)變片 1~4 處骨折前期應(yīng)變較小，到骨折后期逐漸增大，這與骨愈合過(guò)程中應(yīng)力轉(zhuǎn)移的實(shí)際情況是相吻合的。接骨板上的 5~8 四個(gè)應(yīng)變片沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)移應(yīng)變的情況。 表 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 39 圖 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理 圖 仿真數(shù)據(jù)整理 通過(guò)圖 、 數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元法分析結(jié)果規(guī)律大致相同。隨著載荷的增加，應(yīng)變片 4 的應(yīng)變值增加最大，且 4 應(yīng)變片的應(yīng)變值最大；所以可以推測(cè)出愈合后期，股骨骨折系統(tǒng)的主要應(yīng)力由股骨承擔(dān)。 但明顯可以看出，應(yīng)變片 4 的應(yīng)變值比填充物為聚氨酯時(shí)大了許多，且成為了除應(yīng)變片 5 以外最大值的應(yīng)變片； 4 應(yīng)變片位于股骨上離股骨近端最近的位置 ，這說(shuō)明隨著股骨的愈合，股骨骨折系統(tǒng)中股骨逐漸開(kāi)始承擔(dān)越來(lái)越多的應(yīng)力。 在填充材料為橡膠即骨愈合初期時(shí)，由圖 可知，應(yīng)變片 7 及 8 處的接骨板受到拉伸力，其余各處均受到壓縮力。隨著載荷的逐漸增加，應(yīng)變片 5 與 8 的應(yīng)變值同樣逐漸增大，增加到最大，其中 5 應(yīng)變片的應(yīng)變值最大， 5 應(yīng)變片處于接骨板臨近股骨骨折且離股骨近 端較近位置； 8 應(yīng)變片位于接骨板臨近股骨骨折且離股骨遠(yuǎn)端較近的位置。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理 通過(guò)實(shí) 驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)整理、統(tǒng)計(jì)，分別繪制了填充三種材料下 8 個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值的折線圖，如圖 、 、 所示。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)電測(cè)法的基本概念及電測(cè)法的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并且分析了電測(cè)法在生物力學(xué)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了骨愈合力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。 圖 選取數(shù)據(jù)的對(duì)話框 股骨骨折系統(tǒng)應(yīng)力云圖及以應(yīng)變片 5 為例應(yīng)力顯示如圖 所示。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 36 圖 對(duì)照?qǐng)D 2 有限元分析結(jié)果與數(shù)據(jù)獲取 經(jīng)過(guò)材料賦值、劃分網(wǎng)格、約束、加載、后處理等操作后，可通過(guò) “ Main Menu→ Preprocessor→ General postproc→ Query Result→ Subgrid solu 顯示在加載后股骨骨折系統(tǒng)的八個(gè)應(yīng)變片相對(duì)應(yīng)的接骨板及股骨等部件的應(yīng)力情況。整理數(shù)據(jù)后， 8 個(gè)應(yīng)變片隨加載力的增加的變化情況，如表 、 和 所示。動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀的數(shù)據(jù)以橡膠為例，數(shù)值穩(wěn)定后取絕對(duì)值最大值為該片在該力加載下的應(yīng)變值，取 為應(yīng)變片 1 在加載 250N 的應(yīng)變值。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 34 如圖 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 ：將應(yīng)變片連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀的八個(gè)通道，然后將裝配 好的股骨骨折系統(tǒng)放于萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上預(yù)加載，將儀器調(diào)零，同時(shí)將加載力與位移調(diào)零，加載力將由 150N以每次 50N 的梯度加載只打到 500N。 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)變片若干、連接線若干、鋼鋸、焊槍、焊錫、絕緣紙、剪刀、及粘合劑。由于骨釘是力傳導(dǎo)的關(guān)鍵媒介，所以黏貼位置分別為骨釘?shù)膬啥耍?14 應(yīng)變片黏貼在股骨臨近骨釘?shù)牟课唬?8 應(yīng)變片黏貼在接骨板臨近 骨釘?shù)奈恢?。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。 骨愈合力學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ：通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)股骨中斷橫形骨折后不同于和階段的載荷應(yīng)變圖，以便觀察不同位置的應(yīng)變大小得到應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律；在斷骨出填充不同的材料用 來(lái)模擬骨愈合時(shí)應(yīng)力集中位置的應(yīng)力變化，研究鈦合金接骨板的固定時(shí)股骨愈合的一般規(guī)律。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。發(fā)展至今，已經(jīng)有很多領(lǐng)域的生物力學(xué)診斷、生物力學(xué)選材和生物力學(xué)分析都離不開(kāi)電測(cè)法。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。 。 ；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。 電測(cè)法的特點(diǎn) 。由此可見(jiàn)，電阻的變化與應(yīng)變是有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)金屬電阻絲承受壓縮、拉伸變形時(shí)，電阻也相繼發(fā)生變化，將金屬絲往復(fù)環(huán)繞成特定的形狀如柵狀，便可做成電阻應(yīng)變片，結(jié)構(gòu)如圖 所示。 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)。 （ 4）接骨板受到最 大應(yīng)力均在骨折手術(shù)剛完成時(shí)期，所以無(wú)論對(duì)于接骨板的安全固定，還是股骨的愈合考慮，骨折前期患者都不宜做過(guò)多的運(yùn)動(dòng)，盡量避免腿部受力。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。最容易發(fā)生接骨板斷裂的時(shí)期是患者骨折后，手術(shù)剛剛完成的時(shí)期。 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。 圖 股骨骨折系統(tǒng)在軸向加載下的 圖 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 90%） （ 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)力位于股骨遠(yuǎn)端最近螺釘處，最大等效應(yīng)力為，接骨板最大應(yīng)力位于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 90%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，且股骨遠(yuǎn)端最近螺釘位置的強(qiáng)度，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 接骨板在軸向加載下的 圖 股骨在軸向加載下的 等效應(yīng)力分布圖（愈合 75%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合 75%） （ 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)端最近螺釘處，最大等效應(yīng)力為，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)天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 27 明在股骨愈合 75%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，且股骨遠(yuǎn)端最近螺釘位置的強(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。 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 25%） 等效應(yīng)力分布圖（愈 合 25%） 3. 在股骨愈合 50%時(shí)，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 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 25 和圖 所示 ； 股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于接骨板上右側(cè)的位置，最大等效應(yīng)力為 ，股骨最大應(yīng)力處位于離股骨遠(yuǎn)端的螺釘位置，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 250N 軸向壓力下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板上距離股骨近端最近螺釘?shù)奈恢貌糠值膹?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 接骨板在前后彎曲加載下的 圖 股骨在前后彎曲加載下 等效應(yīng)力分布圖（愈合 0%） 的等效應(yīng)力分布圖（愈合 0%） （ 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)力處位于接骨板中段兩側(cè)，最大等效應(yīng)力為 129Mpa，股骨最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端最近的螺釘位置，最大等效應(yīng)力為天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 23 ； 這說(shuō)明在患者剛骨折時(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，且接骨板中段兩側(cè)位置應(yīng)滿足在 129Mpa 等效應(yīng)力以內(nèi)不會(huì)斷裂。 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。由于前面已經(jīng)在股骨頭建好了剛性區(qū)。形成剛性區(qū)域，如圖 所示。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 21 圖 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 選擇菜單 “Main Menu→ Preprocessor→ Meshing→ MeshTool ”選取關(guān)鍵點(diǎn) 38240 劃分網(wǎng)格，即完成了 關(guān)鍵點(diǎn) 質(zhì)量的創(chuàng)建。 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→Create→Keyp oints→In Active CS 。關(guān)鍵點(diǎn)如圖 所示。 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。劃分網(wǎng)格后的股骨骨折系統(tǒng)模型如圖 所示。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。 表 單元類型和材料屬性 設(shè)置 彈性模量 泊松比 單元類型 鈦合金接骨板 105 GPa Solid 45 鈦合金螺釘 105 GPa Solid 45 股骨 15 GPa Solid 45 股骨骨折斷處（骨折時(shí)） 10Mpa Solid 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。 天津理工大學(xué) 2020屆