【正文】 個(gè)位置的應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)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(jiǎn)化成簡(jiǎn)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。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。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(cè)試了國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)。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(wàn)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(lái)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(cè)試評(píng)價(jià)人工關(guān)節(jié)置換的效果。自1943年庫(kù)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(lái)另一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。許多醫(yī)學(xué)工作者在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)外動(dòng)力加壓接骨板的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出多種接骨板系統(tǒng)包括角翼自動(dòng)加壓鋼板、非等強(qiáng)度自動(dòng)加壓鋼板、槽狀帶齒自動(dòng)加壓鋼板、梯型自動(dòng)加壓鋼板等。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)研究?jī)?nèi)固定接骨板的學(xué)者和專家越來(lái)越多。從上個(gè)世紀(jì)90年代初期，AO學(xué)者戈博、帕爾馬爾等提出了關(guān)于生物學(xué)固定的新的概念，不破壞骨的生長(zhǎng)發(fā)育的正常生理環(huán)境。 AO學(xué)派繼承了達(dá)尼斯等學(xué)者的內(nèi)固定思想和骨折一期愈合理論，倡導(dǎo)和推進(jìn)骨折內(nèi)固定治的療與研究，提出了著名的AO四原則，包括了堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定、解剖復(fù)位、無(wú)創(chuàng)外科技術(shù)、術(shù)后早期無(wú)痛活動(dòng)。1958 年由穆勒等15名瑞士外科醫(yī)生發(fā)起成立了內(nèi)固定研究會(huì) ，簡(jiǎn)稱ASIF 或AO。本研究將利用逆向工程技術(shù)通過CT掃描的圖像，應(yīng)用MIMICS軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行處理，建立股骨模型，將股骨模型導(dǎo)入三維CAD軟件Pro/E,按照特定基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，完成股骨內(nèi)固定系統(tǒng)模型的建立。隨著人們對(duì)股骨骨折研究工作的不斷開展，骨力學(xué)性能的探究由最初使用的實(shí)驗(yàn)手段逐漸傾向于現(xiàn)代的有限元分析法。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來(lái)承受最大外力的功能適應(yīng)性。骨是一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。但是，無(wú)論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的研究畢業(yè)論文目 錄第一章 緒論 11．1引言 1 1 1 2 2 2 3 3 3 內(nèi)容及章節(jié)安排 4 4 4 4 5第二章 股骨及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)介 6 6 7 7 8 8 9 9第三章 股骨干骨折系統(tǒng)模型建立及有限元分析 11 11 11 11 1骨釘模型的建立及與股骨的裝配 17 17 18 18 劃分網(wǎng)格 19 21 21 后處理 21 29 結(jié)果分析 30 本章小結(jié) 31第四章 股骨愈合的力學(xué)實(shí)驗(yàn) 32 32 32 32 32 33 33 34 35 36第五章 股骨有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照 37 37 38 40第六章 結(jié)論與展望 41 結(jié)論 41 41參考文獻(xiàn) 42致謝 43天津理工大學(xué)2014屆本科畢業(yè)論文第一章 緒論1．1引言生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)分支。依研究對(duì)象的不同可分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等。在近似分析中，人與動(dòng)物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強(qiáng)度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。20世紀(jì)70年代以來(lái)，對(duì)骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實(shí)踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)以及應(yīng)力套方法和先測(cè)彈力法等檢測(cè)技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。骨是骨膠原纖維和無(wú)機(jī)晶體的組合物，骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無(wú)機(jī)晶體使骨強(qiáng)度大大提高。股骨骨折是屬于骨生物力學(xué)的一個(gè)重要研究課題,骨生物力學(xué)也是生物力學(xué)的一個(gè)重要分支。這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)在人體體內(nèi)是無(wú)法進(jìn)行的，近年來(lái)有限元分析法的飛速發(fā)展為進(jìn)行骨力學(xué)探究開辟了一條新的思路。有限元分析及基于原模型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，建立股骨近端內(nèi)固定系統(tǒng)生物動(dòng)力學(xué)模型分析框架，利用ANSYS分析模型受力獲取了股骨骨折系統(tǒng)在各種加載條件下，各個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變情況。自AO成立之日起為骨科內(nèi)固定做出了不可替代的貢獻(xiàn)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)隨著內(nèi)固定接骨板技術(shù)的發(fā)展與普及，現(xiàn)已形成一個(gè)從原則、理論、方法到設(shè)備和器材的完整體系，成為當(dāng)今骨折治療領(lǐng)域中的經(jīng)典手段之一。這四個(gè)原則幾乎成為了從事骨科臨床治療工作的醫(yī)生的應(yīng)掌握的首要治療原則。強(qiáng)調(diào)骨折治療要重視骨的生物學(xué)特性，也反映出BO新概念的核心。一些學(xué)者研制了一種錐狀點(diǎn)式接觸鋼板是為了達(dá)到減少骨皮質(zhì)血供受損目的在普通接骨板的底面焊接錐狀突起；趙玉峰等設(shè)計(jì)的復(fù)合動(dòng)力點(diǎn)接觸接骨板經(jīng)過生物力學(xué)測(cè)試，顯示出的彎扭強(qiáng)度與DCP板基本相似。第三軍醫(yī)大學(xué)的熊雁等結(jié)合了AO研究進(jìn)展中接骨板的所有優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出了點(diǎn)接觸鎖定加壓接骨板(PCLCP)，其設(shè)計(jì)出的接骨板就是為了進(jìn)一步保護(hù)骨折端及骨皮質(zhì)血運(yùn)，提供骨折愈合的最佳生物學(xué)環(huán)境，并且為了讓充分保護(hù)了骨皮質(zhì)及骨折區(qū)域的血供該設(shè)計(jì)避免了接骨板與骨面之間不必要的接觸。如今國(guó)內(nèi)研制出綜合了AO、BO的理論并且加入自己的獨(dú)到觀點(diǎn)的天鵝型記憶接骨器，研制出了利用了鎳鈦形狀記憶合金的奧馬金相可逆性的記憶合金接骨器，不僅已經(jīng)應(yīng)用于臨床，并且效果十分良好。在1972年Rybicki和 Brekelmans首次在骨生物力學(xué)中應(yīng)用有限元法，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，有限元對(duì)骨生物力學(xué)的研究起重大作用，在其中占領(lǐng)主導(dǎo)地位，主要應(yīng)用于內(nèi)外固定系統(tǒng)的研究、各種人工假體的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，及骨系統(tǒng)的應(yīng)力分析。利用有限元法得到的計(jì)算結(jié)果應(yīng)需要與體內(nèi)或體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，有些情況需要結(jié)合動(dòng)物、臨床實(shí)踐進(jìn)行比較分析。歷史上， 在骨科生物力學(xué)與生物材料兩方面, 焦點(diǎn)先放于股骨。隨之而來(lái), 大量的失敗病例出現(xiàn)。事實(shí)上，失敗主要出現(xiàn)在股骨假體側(cè)。大約在同一時(shí)期,，對(duì)全膝關(guān)節(jié)置換的計(jì)算機(jī)輔助分析也開始進(jìn)行，由于多數(shù)臨床問題出現(xiàn)在假體的脛骨部分， 因此在當(dāng)時(shí)的研究主要集中于脛側(cè)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的限制, 當(dāng)時(shí)進(jìn)行此類分析需要大量的人力物力。骨折的生物力學(xué)也常用有限元分析法進(jìn)行分析。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫形骨折復(fù)位后固定穩(wěn)定且牢固，而且骨折的早、中、后期均可壓力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，斜形骨折則不能。廖東華等對(duì)離體的脛骨進(jìn)行有限元分析， 證明了士兵脛骨應(yīng)力骨折確是與其中應(yīng)力水平密切相關(guān)的，載荷應(yīng)力大者正是應(yīng)力骨折發(fā)病率高者,，最高應(yīng)力集中部位在膝下約 1/3 長(zhǎng)度處的前方部位,，同臨床統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果是相符合的。劉獻(xiàn)祥等通過有限元法對(duì)小兒肱骨髁上部力學(xué)特性進(jìn)行了分析, 根據(jù)結(jié)果認(rèn)為伸直型肱骨髁上骨折的固定方法為: ①若內(nèi)側(cè)移位, 則采用屈曲 90176。旋后位固定；③若內(nèi)外側(cè)骨膜完全破裂即粉碎性骨折， 不論是內(nèi)側(cè)移位, 還是外側(cè)移位, 只要復(fù)位良好, 宜采用旋后位、中立位固定, 但考慮到前臂、腕、手部的功能, 以屈曲 90176。1846年，沃特海姆測(cè)量出骨生物彈性性質(zhì)，并得出非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程；1864年，Wertheim用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了骨的彈性性質(zhì)，Carter和Hayes通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析了骨骼的應(yīng)力應(yīng)變的情況，提出了利用骨骼的表觀密度計(jì)算骨骼彈性模量的方法；1884年，伍爾夫提出在體骨將隨其所售的應(yīng)力、應(yīng)變而改建； 1977年，通過實(shí)驗(yàn)研究了松質(zhì)骨的彈性模量和強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率的敏感性；LakeS和Katz等人在1979年通過對(duì)骨的粘彈性力學(xué)行為研究，建立了皮質(zhì)骨的非線性粘彈性本構(gòu)方程；1990和1993年，Crolet將均勻化理論用于密質(zhì)骨。、內(nèi)容及章節(jié)安排隨著生物力學(xué)的研究工作的不斷開展，骨力學(xué)性能的探究由初期常用的實(shí)驗(yàn)手段逐漸傾向于有限元法。利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析。主要研究?jī)?nèi)容如下：1．股骨骨折系統(tǒng)模型的建立：利用Mimics醫(yī)學(xué)軟件、Geomagic逆向工程軟件，基于CT螺旋掃描圖像，重建股骨三維模型。2．股骨骨折系統(tǒng)的有限元分析：將裝配好的股骨骨折系統(tǒng)模型導(dǎo)入有限元分析軟件，進(jìn)行布爾操作、定義單元類型和材料屬性、劃分網(wǎng)格、約束與加載和后處理操作，獲取股骨骨折系統(tǒng)在軸向力、彎曲力矩、扭轉(zhuǎn)力矩加載情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，并對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。力學(xué)實(shí)驗(yàn)不但完成了對(duì)股骨骨折系統(tǒng)力學(xué)性質(zhì)的分析，同時(shí)也是對(duì)有限元分析結(jié)果的驗(yàn)證。 第二章：本研究的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要介紹了股骨解剖結(jié)構(gòu)、股骨干骨折類型及愈合機(jī)制，為后續(xù)的有限元分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。第四章：本研究的力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分，主要介紹股骨骨折系統(tǒng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程，描述了應(yīng)用電測(cè)法對(duì)股骨骨折系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的操作步驟、數(shù)據(jù)獲取方法。第五章：對(duì)有限元分析結(jié)果與力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)匯總與分析，通過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果，驗(yàn)證有限元的分析結(jié)果。本章簡(jiǎn)要介紹了本論文的研究背景，提出了論文