【正文】 系統(tǒng)在軸向加載下八個位置的應(yīng)變進行了測量，八個位置分別為接骨板上四個，股骨上四個。利用三維CAD軟件Pro/E繪制的接骨板進行打孔，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。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，運用有限元法對股骨骨折系統(tǒng)進行模擬仿真分析，并對部分仿真結(jié)果進行實驗驗證。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象，基于CT螺旋掃描圖像利用Mimics醫(yī)學軟件、Geomagic逆向工程軟件，對股骨三維模型進行重建，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；運用有限元法對股骨骨折系統(tǒng)進行模擬仿真分析，并對部分仿真結(jié)果進行實驗驗證。趙均海等通過人體密質(zhì)骨撞擊實驗研究，得出了應(yīng)力應(yīng)變率隨時間變化的曲線以、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖線；王勃等人通過對人的股骨和脛骨各向異性力學參數(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參數(shù)，并得到應(yīng)力松弛時力與時間的關(guān)系；趙文志等人通過動物力學實驗研究，建立了可數(shù)值量化的應(yīng)力與股骨近端生長關(guān)系的生物力學模型；吳維才等通過實驗研究了扭轉(zhuǎn)載荷下股骨的力學性質(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)能促進骨痂的生長。張建新等利用有限元分析從骨科生物力學角度探討橫形與斜形骨折愈合的影響。相對于這些早期分析, 現(xiàn)代計算機技術(shù)允許發(fā)展既省時廉價又功能強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的工作對了解股骨植入物載荷傳遞的基本機制做出了非常重要貢獻。由于以上兩點, 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)學事業(yè)做出更大貢獻。研究人體椎間盤、周圍韌帶、關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的生物力學特性；測試評價人工關(guān)節(jié)置換的效果。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。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，大量創(chuàng)新理論被實踐所證實，尤其是骨折愈合得到了重新認識與審視，骨科內(nèi)固定治療體系即將迎來另一個飛速發(fā)展的時期。許多醫(yī)學工作者在我國傳統(tǒng)醫(yī)學的基礎(chǔ)上結(jié)合國外動力加壓接骨板的優(yōu)點，設(shè)計出多種接骨板系統(tǒng)包括角翼自動加壓鋼板、非等強度自動加壓鋼板、槽狀帶齒自動加壓鋼板、梯型自動加壓鋼板等。在國內(nèi)，近年來研究內(nèi)固定接骨板的學者和專家越來越多。從上個世紀90年代初期，AO學者戈博、帕爾馬爾等提出了關(guān)于生物學固定的新的概念，不破壞骨的生長發(fā)育的正常生理環(huán)境。 AO學派繼承了達尼斯等學者的內(nèi)固定思想和骨折一期愈合理論，倡導和推進骨折內(nèi)固定治的療與研究，提出了著名的AO四原則，包括了堅強內(nèi)固定、解剖復位、無創(chuàng)外科技術(shù)、術(shù)后早期無痛活動。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 ，簡稱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軟件對掃描圖像進行處理，建立股骨模型，將股骨模型導入三維CAD軟件Pro/E,按照特定基準進行裝配，完成股骨內(nèi)固定系統(tǒng)模型的建立。隨著人們對股骨骨折研究工作的不斷開展，骨力學性能的探究由最初使用的實驗手段逐漸傾向于現(xiàn)代的有限元分析法。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大外力的功能適應(yīng)性。骨是一種復合材料，它的強度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。但是，無論在形態(tài)還是力學性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學問題。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 股骨愈合的力學實驗 32 32 32 32 32 33 33 34 35 36第五章 股骨有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果的對照 37 37 38 40第六章 結(jié)論與展望 41 結(jié)論 41 41參考文獻 42致謝 43第一章 緒論1．1引言生物力學是應(yīng)用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。在近似分析中，人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學的標準公式。20世紀70年代以來，對骨骼的力學性質(zhì)已有許多理論與實踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學以及應(yīng)力套方法和先測彈力法等檢測技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學研究。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物，骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無機晶體使骨強度大大提高。股骨骨折是屬于骨生物力學的一個重要研究課題,骨生物力學也是生物力學的一個重要分支。這主要是因為實驗在人體體內(nèi)是無法進行的，近年來有限元分析法的飛速發(fā)展為進行骨力學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設(shè)計，建立股骨近端內(nèi)固定系統(tǒng)生物動力學模型分析框架，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，半個世紀以來隨著內(nèi)固定接骨板技術(shù)的發(fā)展與普及，現(xiàn)已形成一個從原則、理論、方法到設(shè)備和器材的完整體系，成為當今骨折治療領(lǐng)域中的經(jīng)典手段之一。這四個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。強調(diào)骨折治療要重視骨的生物學特性，也反映出BO新概念的核心。一些學者研制了一種錐狀點式接觸鋼板是為了達到減少骨皮質(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)計的復合動力點接觸接骨板經(jīng)過生物力學測試，顯示出的彎扭強度與DCP板基本相似。第三軍醫(yī)大學的熊雁等結(jié)合了AO研究進展中接骨板的所有優(yōu)點設(shè)計出了點接觸鎖定加壓接骨板(PCLCP)，其設(shè)計出的接骨板就是為了進一步保護骨折端及骨皮質(zhì)血運，提供骨折愈合的最佳生物學環(huán)境，并且為了讓充分保護了骨皮質(zhì)及骨折區(qū)域的血供該設(shè)計避免了接骨板與骨面之間不必要的接觸。如今國內(nèi)研制出綜合了AO、BO的理論并且加入自己的獨到觀點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首次在骨生物力學中應(yīng)用有限元法，隨著計算機應(yīng)用的普及，有限元對骨生物力學的研究起重大作用，在其中占領(lǐng)主導地位，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算結(jié)果應(yīng)需要與體內(nèi)或體外實驗進行比較，有些情況需要結(jié)合動物、臨床實踐進行比較分析。歷史上， 在骨科生物力學與生物材料兩方面, 焦點先放于股骨。隨之而來, 大量的失敗病例出現(xiàn)。事實上，失敗主要出現(xiàn)在股骨假體側(cè)。大約在同一時期,，對全膝關(guān)節(jié)置換的計算機輔助分析也開始進行，由于多數(shù)臨床問題出現(xiàn)在假體的脛骨部分， 因此在當時的研究主要集中于脛側(cè)。由于計算機技術(shù)水平的限制, 當時進行此類分析需要大量的人力物力。骨折的生物力學也常用有限元分析法進行分析。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)橫形骨折復位后固定穩(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。廖東華等對離體的脛骨進行有限元分析， 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 長度處的前方部位,，同臨床統(tǒng)計分析結(jié)果是相符合的。劉獻祥等通過有限元法對小兒肱骨髁上部力學特性進行了分析, 根據(jù)結(jié)果認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用當時最先進的實驗方法測定了骨的彈性性質(zhì)，Carter和Hayes通過實驗測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，通過實驗研究了松質(zhì)骨的彈性模量和強度對應(yīng)變率的敏感性；LakeS和Katz等人在1979年通過對骨的粘彈性力學行為研究，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)安排隨著生物力學的研究工作的不斷開展，骨力學性能的探究由初期常用的實驗手段逐漸傾向于有限元法。利用ANSYS有限元分析軟件進行分析。主要研究內(nèi)容如下：1．股骨骨折系統(tǒng)模型的建立：利用Mimics醫(yī)學軟件、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)模型導入有限元分析軟件，進行布爾操作、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，并對所得到的數(shù)據(jù)進行分析。力學實驗不但完成了對股骨骨折系統(tǒng)力學性質(zhì)的分析，同時也是對有限元分析結(jié)果的驗證。 第二章：本研究的設(shè)計基礎(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制，為后續(xù)的有限元分析及實驗設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。第四章：本研究的力學實驗部分，主要介紹股骨骨折系統(tǒng)力學性能實驗的實驗過程，描述了應(yīng)用電測法對股骨骨折系統(tǒng)進行力學性能實驗的操作步驟、數(shù)據(jù)獲取方法。第五章：對有限元分析結(jié)果與力學實驗結(jié)果進行了數(shù)據(jù)匯總與分析，通過力學性能實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果，驗證有限元的分析結(jié)果。本章簡要介紹了本論文的研究背景，提出了論文研究的目的、意義，對研究內(nèi)容進行必要的