【正文】 本科畢業(yè)論文 19 點(diǎn)擊點(diǎn)擊“ Preprocessor→ Material Props→ Material Models → Material Model Number1→ Structural→ Linear → Elastic Isotropic→ EX=+011 PRXY=→ OK”，材料 1為股骨設(shè)置成功。具體 參數(shù)見表 。 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(duì) 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(shí)常數(shù)（ Real Constants）。選擇“ Work plane→ ffset WP by Increments”將輔助坐標(biāo)系設(shè)置于股骨中段。然后選擇菜單項(xiàng)“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ add→Volume”，將所有的骨釘合并成完整體。通過ANSYS 的 Boolean 制造股骨的骨折。 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。 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。形狀階段處理后股骨模型如圖 所示。主要流程如圖 。多邊形處理后的股骨模型模型如圖 所示。股骨需要用到“填充完整孔”功能；其次，點(diǎn)擊“簡化多邊形”，在彈出的對(duì)話框中選擇“三角形計(jì)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”。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(diǎn)階段處理：首先，點(diǎn)擊“選擇非連接項(xiàng)”，彈出管理器，選擇分隔選項(xiàng)選擇“中間”，大小選項(xiàng)選擇“ 5”，選擇并刪除非連接點(diǎn)；其次，點(diǎn)擊“選擇體外孤點(diǎn)”，在彈出的管理器中選擇默認(rèn)值“ ”，選擇并刪除體外孤點(diǎn)。導(dǎo)出 Mimics 以 igs 格式保存文件。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 15 圖 （ 3）三維計(jì)算 對(duì)蒙罩的股骨進(jìn)行三維計(jì)算以便清楚直觀地顯示出股骨結(jié)構(gòu)，如圖 所示。 點(diǎn) 擊“ start threholding” 按鈕， 功能設(shè)定 Hu 閾值為 662~1613， 彈出閾值設(shè) 置 對(duì)話框如圖 所示 ， 點(diǎn) 擊“ apply”完成 。 數(shù)值模擬是要將股骨看做由皮質(zhì)骨構(gòu)成。 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(shí)現(xiàn)操作的，這是基于對(duì)灰度值的一種假設(shè)的閾值處理方法。 在 Mimics 軟件中進(jìn)行初期的點(diǎn)云處理。在相關(guān)醫(yī)生的指導(dǎo)下對(duì)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。 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(gè)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。 操作步驟： （ 1）從點(diǎn)云中重建出三角網(wǎng)格曲面；再對(duì)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(duì)這些子網(wǎng)格參數(shù)化； （ 3） 用 NURBS 曲面擬合每個(gè)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。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(jì)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。 圖 逆向工程 關(guān)鍵 技術(shù)流程圖 Mimics 即為 Materialise39。 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(duì)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。 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(gè)部分。反求工程有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)： 1．?dāng)?shù)據(jù)測量 數(shù)據(jù)測量時(shí)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(shí)現(xiàn) CAD 曲面建模。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 12 實(shí) 物 原 型數(shù) 據(jù) 獲 得反 求 軟 件原 始 設(shè) 計(jì) 參 數(shù)還 原設(shè)計(jì)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(jì) 圖 反求 工程設(shè)計(jì)流程圖 反向工程的技術(shù)流程為：對(duì)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。 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(jì)→產(chǎn)品總體及零部件設(shè)計(jì)→制定生產(chǎn)工藝流程→設(shè)計(jì)、制造工夾具、模具等工裝→零部件加工及裝配→產(chǎn)品檢驗(yàn)及性能測試。 假設(shè)骨釘形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。 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 。 認(rèn)為股骨內(nèi)各點(diǎn)的測量結(jié)果相同，各方向的物理性質(zhì)相同。 對(duì)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。 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。 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(duì)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。 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(jì)算機(jī)模擬出骨折愈合塑形行為 ,進(jìn)而證實(shí)了骨的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)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。 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。 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。其中， A型為簡單骨折 ，其亞型包括 A1為螺旋型 ， A2為 30176。 瑞士內(nèi)固定學(xué)會(huì) （ AO/ASIF） 制定的分類 方法比較實(shí)用 。除此而外，應(yīng)根據(jù)肢體的外部畸形情況初步判斷 骨折 的部位，特別是天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 9 下肢遠(yuǎn)端外旋位時(shí)，注意勿與粗隆間骨折等髖部損傷的表現(xiàn)相混淆，有時(shí)可能是兩種損傷同時(shí)存在。因此，對(duì)于此類情況，應(yīng)首先測量血壓并嚴(yán)密動(dòng)態(tài)觀察，并注意末梢血液循環(huán)。 股骨干 骨折 多由于嚴(yán)重的外傷引起，出血量可達(dá) 1000～ 1500 毫升。骨折遠(yuǎn)端常有向內(nèi)收移位的傾向，已對(duì)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(yīng)注意糾正和防止。股骨干為三組肌肉所包圍。一般運(yùn)動(dòng)情況關(guān)節(jié)負(fù)荷高于自身重力，步行關(guān)節(jié)承受的力達(dá)到自身重力的數(shù)倍，而田徑運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)承擔(dān)載荷甚至高達(dá)自身重力的十余倍。當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲、內(nèi)收、內(nèi)旋時(shí)，股骨頭大部分脫離髖臼抵向關(guān)節(jié)囊的后下部，此時(shí)若外力從前方作用于膝關(guān)節(jié)，再沿股骨傳到股骨頭，易于發(fā)生髖關(guān)節(jié)后脫位。而靈活性則甚差。但由于股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關(guān)節(jié)盂緣加深，包繞股骨頭近 2/3，所以關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩二者的面積差甚小，故運(yùn)動(dòng)范圍較小。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 8 髖關(guān)節(jié)由股骨頭與髖臼相對(duì)構(gòu)成，屬于杵臼關(guān)節(jié)，是人體最大和最深的關(guān)節(jié)，也是最典型的 杵臼關(guān)節(jié) ，如圖 。 當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲 90176。 這種活動(dòng)不是隨意的 ， 而是骨外形結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)韌帶附著的結(jié)果 。 膝關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動(dòng)的正常值為 130176。 膝關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)由股四頭肌牽拉 ，各部產(chǎn)生合力拉動(dòng)髕骨向上 ， 通過髕韌帶將小腿伸直 。 人類日常生活中的站 、走、跑、 跳等多項(xiàng)活動(dòng)都離不開膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 。此外﹐關(guān)節(jié)中間內(nèi)外側(cè)各有一塊重要的半月板（ me niscus）除了可以吸收部份關(guān)節(jié)承受的負(fù)重外，亦可增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 7 圖 股骨 圖 膝關(guān)節(jié) 示意圖 膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi) 、 外側(cè)髁和脛骨內(nèi) 、 外側(cè)髁以及髕骨構(gòu)成 ， 為人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜 ， 損傷機(jī)會(huì)亦較多的關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)是人體內(nèi)最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié) 如圖 。內(nèi)上髁的上方有一三角形突起，叫做骨收肌結(jié)節(jié)，為內(nèi)收肌腱附著處。在后方，兩髁之間有一深凹陷，叫做髁間窩。 下端為兩個(gè)膨大的隆起，向 后方卷曲，分別叫做內(nèi)側(cè)髁和外側(cè)髁。外側(cè)唇向上外移行為臀肌粗隆，內(nèi)側(cè)唇向上前止于小轉(zhuǎn)子。前面光滑，后面有一縱行的骨嵴，叫做粗線。大轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)面有一凹陷 ，叫做 轉(zhuǎn)子窩。頸體交界處的外側(cè)，有一向上的隆起，叫做大轉(zhuǎn)子，其下方小的隆起 為 小轉(zhuǎn)子。頭的外下方較細(xì)的部分稱股骨頸。股骨是人體最重要的骨骼，股骨頭更為重要，人的直立行走、活動(dòng)、勞動(dòng)都依靠股骨頭的支撐作用。 股骨頭就是支撐身體上半部分的兩根骨頭，具體位置在骨盆下方，骨盆那里一邊一個(gè)髖臼，兩個(gè)股骨頭正好和髖臼配合，起到支撐上體的作用。天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 6 第二章 股骨及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)的簡介 根據(jù)第一章對(duì)論文研究背景的介紹，本章將進(jìn)一步對(duì)論文所需的股骨模型的構(gòu)造等進(jìn)行簡單的介紹。 第六章：全文的總結(jié)和展望部分，對(duì)全文的研究做了總結(jié)并對(duì)今后工作提出了展望。同時(shí)按照實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)有限元分析以其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 第三章：本研究的有限元分析部分，主要介紹了對(duì)股骨骨折系統(tǒng)有限元分析的過程，包括模型的建立、有限元分析過程。 章節(jié)安排 第一章：本論文的緒論，介紹了內(nèi)固定接骨板、骨生物力學(xué)的國內(nèi)外研究情況，提出了現(xiàn)階段對(duì)股骨骨折系統(tǒng)研究的不足，同時(shí)確定了對(duì)股骨骨折系統(tǒng)研究的思路。 3．股骨骨折系統(tǒng)模型的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)：應(yīng)用電測法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)在軸向加載下八個(gè)位置的應(yīng)變進(jìn)行了測量，八個(gè)位置分別為接骨板上四個(gè)，股骨上四個(gè)。利用三維 CAD 軟件 Pro/E 繪制的接骨板進(jìn)行打孔，骨釘簡化成簡單的圓柱體，將重建的股骨模型在 Pro/E 中裝配組成股骨骨折系統(tǒng)模型。 研究內(nèi)容 本研究利用逆向工程軟件建立由鈦合金接骨板固定的股骨骨折系統(tǒng)模型，運(yùn)用有限元法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，并對(duì)部分仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。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(duì)象，基于 CT螺旋掃描圖像利用 Mimics 醫(yī)學(xué)軟件、 Geomagic 逆向工程軟 件，對(duì)股骨三維模型進(jìn)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(yùn)用有限元法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，并對(duì)部分仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 4 骨生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 趙均海等通過人體密質(zhì)骨撞擊實(shí)驗(yàn)研究，得出了應(yīng)力 應(yīng)變率隨時(shí)間變化的曲線以、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖線；王勃等人通過對(duì)人的股骨和脛骨各向異性力學(xué)參數(shù)、流 變形特性的研究，測試了國人的股骨和脛骨不同方向的力學(xué)參數(shù)，并得到應(yīng)力松弛時(shí)力與時(shí)間的關(guān)系；趙文志等人通過動(dòng)物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，建立了可數(shù)值量化的應(yīng)力與股骨近端生長關(guān)系的生物力學(xué)模型；吳維才等通過實(shí)驗(yàn)研究了扭轉(zhuǎn)載荷下股骨的力學(xué)性質(zhì)。旋后位固定為優(yōu)。旋前位固定； ②若外側(cè)移位 , 則采用屈 90176。這也證明了脛骨骨折的確是由于應(yīng)力較高所致。研究發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)能促進(jìn)骨痂的生長。張建新等利用有限元分析從骨科生物力學(xué)角度探討橫形與斜形骨折愈合的影響。相對(duì)于這些早期分析 , 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)允許發(fā)展既省時(shí)廉價(jià)又功能強(qiáng)大的三維有限元模型。 Chand首先發(fā)展了早期膝關(guān)節(jié)的二維有限元模型 , 以后又出現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型。 Huiskes的工作對(duì)了解股骨植入物載荷傳遞的基本機(jī)制做出了非常重要貢獻(xiàn)。由于以上兩點(diǎn) , 刺激植入股骨假體的二維和三維有限元模型的發(fā)展。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是一個(gè)很常見的手術(shù)， 全球每年大約要完成 30萬例?，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(xué)事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。研究人體椎間盤、周圍韌帶、關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的生物力學(xué)特性 ； 測試評(píng)價(jià)人工關(guān)節(jié)置換的效果。 骨生物力學(xué)有限元仿真 的研究現(xiàn)狀 自 1943年庫朗首創(chuàng)了有限元法，有限元法已應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量創(chuàng)新理論被實(shí)踐所證實(shí)，尤其是骨折愈合得到了重新認(rèn)識(shí)與審視，骨科內(nèi)固定治療體系即將迎來另一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)