【正文】 夫空間外固定器的對(duì)比，較為細(xì)致的了解這兩個(gè)固定器之間的關(guān)系及二者之間的相同之處與各自的特點(diǎn)，以達(dá)到對(duì)骨外固定器有更進(jìn)一步的了解。而將骨骼通過(guò)醫(yī)學(xué)上的手段、計(jì)算機(jī)手段并最終成為一個(gè)可在機(jī)械相關(guān)軟件上進(jìn)行操作的零件，其工作量應(yīng)相當(dāng)巨大。2 泰勒空間外固定器的建模及脛骨的建模及裝配 引言在這一章，本課題需要完成對(duì)泰勒空間外固定器的建模裝配、人體脛骨的建模以及外固定器與脛骨的總體裝配。要求所設(shè)計(jì)的三維空間外固定器，結(jié)構(gòu)方案合理，圖紙表達(dá)清晰，繪圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 本文主要研究?jī)?nèi)容本課題需要通過(guò)查閱相關(guān)的中外文獻(xiàn)，了解三維空間外固定器的應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)；擬定三維空間外固定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；進(jìn)行人體骨骼建模并對(duì)三維空間外固定器進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)行計(jì)算機(jī)構(gòu)位置反解；建立各零部件的三維CAD模型，并進(jìn)行整體裝配；完成三維空間外固定器的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在適當(dāng)頻率的振動(dòng)中，骨細(xì)胞的分化與增殖速率有一定的上升[14]。骨頭的愈合也可以通過(guò)檢測(cè)外固定器的應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如利用von Mises stress[12]對(duì)骨折愈合進(jìn)行檢測(cè)以及利用骨折軌跡跟蹤(Fracture Track)進(jìn)行檢驗(yàn)[13]。同時(shí)，國(guó)外還針對(duì)斷骨的愈合檢測(cè)進(jìn)行研究，可以利用超聲波對(duì)骨骼的愈合情況進(jìn)行檢查[10]，這在未來(lái)可能與外固定器結(jié)合形成治療檢測(cè)一體的技術(shù)。國(guó)外也曾針對(duì)固定針進(jìn)行了改進(jìn)，他們將固定針(Distraction Nail)后部加入電機(jī)與控制器以更高效的控制對(duì)骨的應(yīng)力[9]。一些學(xué)者利用有限元分析的方法對(duì)外固定器進(jìn)行合理的力學(xué)規(guī)劃[8]。外固定架常用金屬、有機(jī)玻璃板、塑料裝置[6]、可透X線的高強(qiáng)度尼龍[7]等材料，而連接桿一般由不銹鋼和鈦制成，也有碳素合成的連接桿。②外固定器材料的使用：外固定器主要是由固定針、固定架和連接桿組成。 外固定器的改進(jìn)方向外固定器從發(fā)明至今，已經(jīng)有將近二百年的歷史了。環(huán)式固定器不僅可以用于對(duì)骨折的治療，也可以用來(lái)做骨頭的延長(zhǎng)或者骨頭的畸形矯正?；蛘叨嘞虼┽樑c環(huán)固定。針式外固定器根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為四種類型[5]：分別為單側(cè)單平面構(gòu)型（單平面半針外固定器）、單側(cè)雙平面構(gòu)型、雙側(cè)單平面構(gòu)型（單平面全針固定器）、雙側(cè)雙平面構(gòu)型（四邊式外固定器）。圖12 改良型鑲嵌式骨外固定器 外固定器的分類目前人們已經(jīng)研制了許多外固定器，這些外固定器主要分為兩型，為針式(pin)和環(huán)式(ring)[5]。圖11 Ilizarov環(huán)形外固定器在國(guó)內(nèi)，外固定器也有著不小的進(jìn)步。三維外固定器在國(guó)內(nèi)外的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都得到了很良好的發(fā)展，在骨外科的愈合及矯正方面有著很高的地位。德國(guó)的Wagner(1970年)是使用外固定架做骨延長(zhǎng)的代表人物，他的方法是在截骨之后用外固定架將骨牽開(kāi)，然后再對(duì)骨頭做植骨內(nèi)固定手術(shù)，但是這種骨延長(zhǎng)治療最少需要三次手術(shù)才能完成骨延長(zhǎng)。1948年英國(guó)的Charnley論證了應(yīng)用外固定對(duì)膝關(guān)節(jié)融合后進(jìn)行加壓固定，這種加壓固定的方法可以使骨折愈合的時(shí)間較之前加快二到三倍，在這之后全世界普遍認(rèn)同并采用加壓治療骨折，同時(shí)這也是世界上首先對(duì)骨外固定這一方法進(jìn)行的理論闡述。1934年Anderson首先使用了骨外固定(external skeletul fixation)的稱法，他使用的外固定器不僅可以治療骨折，還可以用做骨延長(zhǎng)術(shù)和關(guān)節(jié)固定術(shù)。 三維空間外固定器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀外固定器治療骨折的這一療法最早是由法國(guó)的Malgaigne(1853年)發(fā)明的，他設(shè)計(jì)了爪型外固定器，這一裝置可使髕骨骨折復(fù)位，同時(shí)可以對(duì)骨頭進(jìn)行加壓固定。首先，對(duì)于患者的創(chuàng)傷較小，一般只需要有一些小的傷口，對(duì)于傷口的感染控制、觀察及愈合都有很好的幫助；第二，便于對(duì)患者的傷骨、斷骨進(jìn)行固定，可以很好的加快愈合以及減少愈合畸形；第三，便于傷后肌肉以及骨應(yīng)力的恢復(fù)，并能很好地防止由于長(zhǎng)期不活動(dòng)導(dǎo)致的關(guān)節(jié)僵硬等現(xiàn)象；第四，由于組裝操作，操作簡(jiǎn)單，易于拆除，而且固定裝置可以重復(fù)利用[1]。三維空間外固定器是用于骨科微創(chuàng)矯正肢體先天和創(chuàng)傷后畸形的醫(yī)用設(shè)備，可在三維空間同時(shí)矯正肢體的成角、長(zhǎng)短，位移和旋轉(zhuǎn)畸形一步到位，也能將殘余的畸形二次矯正到位。骨外固定是治療骨折、嚴(yán)重的肢體損傷和殘缺及重建患肢功能的一種主要方法。本文通過(guò)查閱相關(guān)的中外文獻(xiàn)，了解三維空間外固定器的應(yīng)用背景、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，擬定三維空間外固定器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，模擬臨床對(duì)三維空間外固定器進(jìn)行位置反解求解，并利用Adams軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)設(shè)計(jì)的三維空間外固定器利用ANSYS軟件進(jìn)行力學(xué)分析。河北工業(yè)大學(xué)2015屆本科畢業(yè)論文河 北 工 業(yè) 大 學(xué)畢 業(yè) 論 文作 者： 王鑫磊 學(xué) 號(hào)： 110358 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系(專業(yè))： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目： 三維空間外固定器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 及其性能分析與仿真 指導(dǎo)者： 曲云霞 教授 評(píng)閱者： 2015年 06月 07日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要三維空間外固定器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能分析與仿真摘要：三維空間外固定器是醫(yī)學(xué)上一種通過(guò)將骨連接到體外裝置以固定傷肢來(lái)治療骨和關(guān)節(jié)損傷及矯正骨骼畸形的方法，是治療骨折、嚴(yán)重的肢體損傷和殘缺及重建患肢功能的一種主要手段，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代骨科手術(shù)中。三維空間外固定器通過(guò)固定針將骨骼與外固定架固定，通過(guò)調(diào)節(jié)外固定架的位姿來(lái)調(diào)整骨骼的位姿，把骨骼調(diào)整到有利于恢復(fù)的位置，從而完成對(duì)骨骼的正畸、愈合等治療。關(guān)鍵詞： 外固定器 骨骼 Stewart平臺(tái) 分析仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要Title The structure design of the threedimensional space external fixator and its performance analysis and simulationAbstract3D external fixator is a kind of medicine by bone is connected to the external device to fix the injured limb to treat bone, joint damage and bone deformity is a main means of the limb function in patients with treatment of fractures, severe limb injury, inplete and reconstruction, which is widely used in modern orthopedic surgery. 3D external fixation link injured bone to fixed frame by pins,and adjusting the external fixator pose to adjust skeletons pose, the bone is conducive to the recovery position, thus pleting the treatment of skeletal orthopedic and healing. Through access to relevant foreign and Chinese document to understand 3D fixator application background, research condition and development trend of develop 3D fixation structure design and overall design, clinical simulation of 3D fixation position inverse solution, and the kinematics simulation is done by the software of Adams, to design 3D fixation using ANSYS software for mechanical analysis.Keywords： External fixer Bones Stewart Analysis and simulation目 錄1 緒論 1 課題提出的背景和意義 1 三維空間外固定器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 1 外固定器的分類 3 外固定器的改進(jìn)方向 3 本文主要研究?jī)?nèi)容 52 泰勒空間外固定器的建模及脛骨的建模及裝配 5 引言 5 泰勒空間外固定器的介紹 5 泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器的對(duì)比 7 泰勒空間外固定器的結(jié)構(gòu) 7 脛骨的建模 8 Mimics 8 Geomagic Studio 12軟件介紹及操作過(guò)程 9 11 整體的建模與裝配 12 本章小結(jié) 123 Stewart機(jī)構(gòu)的分析 13 引言 13 Stewart機(jī)構(gòu)的介紹 13 Stewart機(jī)構(gòu)的自由度 14 Stewart機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置反解理論求解 14 Stewart機(jī)構(gòu)位置反解的MATLAB編程 17 MATLAB軟件介紹 17 Stewart機(jī)構(gòu)位置反解的MATLAB編程檢測(cè) 17 Stewart機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 19 Adams軟件介紹及操作過(guò)程 19 Stewart機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解仿真 20 Stewart機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解仿真 28 Stewart機(jī)構(gòu)工作空間邊界條件分析 30 本章小結(jié) 304 三維空間外固定器系統(tǒng)力學(xué)仿真 31 引言 31 ANSYS軟件介紹 31 三維空間外固定器系統(tǒng)裝配的前處理 32 三維空間外固定器系統(tǒng)靜力學(xué)仿真 33 斷骨靜力學(xué)仿真 33 完整骨靜力學(xué)仿真 35 模擬人骨靜力學(xué)仿真 37 三維空間外固定器系統(tǒng)諧波響應(yīng)分析仿真 39 無(wú)約束狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 39 有約束狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 43 模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 49 本章小結(jié) 545 結(jié)論與展望 55 結(jié)論 55 展望 56參考文獻(xiàn) 58致 謝 61附 錄 63附錄A Stewart機(jī)構(gòu)位置反解的MATLAB程序（部分） 63附錄B MATLAB程序計(jì)算出的桿長(zhǎng) 75III1 緒論 課題提出的背景和意義外固定是醫(yī)學(xué)上一種通過(guò)將骨連接到體外裝置以固定傷肢來(lái)治療骨和關(guān)節(jié)損傷及矯正骨骼畸形的方法，它可以通過(guò)調(diào)整四肢的某一節(jié)段來(lái)恢復(fù)肢體的長(zhǎng)度和排列。外固定是外置接骨術(shù)（external osteosynthesis）的同義詞。外固定在治療骨折有許多優(yōu)點(diǎn)。外固定器現(xiàn)多應(yīng)用于較為嚴(yán)重的骨折、骨骼的畸形矯正等的治療，現(xiàn)還在骨骼的延長(zhǎng)技術(shù)中扮演著重要的角色，在一些利用傳統(tǒng)的骨傷固定方法不適的病癥的應(yīng)用中有非常良好的前景。1907年比利時(shí)的Labotte使用螺釘在體外固定骨折，這是各個(gè)文獻(xiàn)中最早關(guān)于外固定的報(bào)告，這種方法于現(xiàn)在的外固定方法已經(jīng)十分相似。1938年瑞士Hoffmann所用的外固定器在外固定器發(fā)展的歷史上具有里程碑的意義，他使用的外固定器已經(jīng)可以進(jìn)行對(duì)各種變形矯正和延長(zhǎng)短縮骨骼的功能。最早發(fā)表骨延長(zhǎng)的是Codivillani(1905年)，他的方法是首先將股骨截?cái)啵罄酶菭恳龑⒐穷^進(jìn)行延長(zhǎng)。在1970年，、簡(jiǎn)便、具有伸縮作用的動(dòng)態(tài)外固定架及其骨折動(dòng)態(tài)的外固定理念，在世界范圍得到推廣[2]。Ilizarov環(huán)形外固定器理論是依靠幾個(gè)固定環(huán)作為支架將骨頭固定[3]，已被現(xiàn)在的臨床實(shí)踐中廣泛的應(yīng)用。例如吳建強(qiáng)、黃昌林通過(guò)設(shè)計(jì)及臨床實(shí)踐，針對(duì)于畸形骨干的矯正，研制了一款半環(huán)平面可調(diào)式外固定架[4]，主要應(yīng)用于下肢長(zhǎng)管狀骨的骨折及畸形矯正。其中針式外固定器又可分為簡(jiǎn)單固定器和鉗式固定器，簡(jiǎn)單固定器依靠單個(gè)針起作用，而鉗式固定器則是對(duì)鋼針組進(jìn)行立體控制，鋼針的鉗夾通過(guò)“萬(wàn)向”關(guān)節(jié)與支撐桿相連,可在安裝后進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中后者的應(yīng)用較為廣泛。環(huán)式外固定器[5]是通過(guò)棒或關(guān)節(jié)部位相連的整環(huán)或半環(huán)構(gòu)成。這種方法可以對(duì)骨頭進(jìn)行多面固定，對(duì)于骨頭的固定較為穩(wěn)定。此外，還有一種被稱為三角式的外固定器[5]，這是一種以單平面雙側(cè)外固定器為基礎(chǔ)，將固定針和連接桿連接在骨頭的矢狀面上，是一種介于針式與環(huán)式的第三種外固定器。人們?cè)诓粩嗟馗倪M(jìn)外固定器，其改動(dòng)的方向大概可以總結(jié)為以下幾個(gè)方向：①外固定器機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：逐步改進(jìn)并采用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，嘗試使斷骨或傷骨保持靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的接觸，盡量保證骨的力學(xué)環(huán)境為骨所適宜生長(zhǎng)的，同時(shí)要求外固定器穩(wěn)定性好，靈活性高。固定針是用來(lái)連接外固定裝置與骨骼的，主要有無(wú)螺紋光滑針、中間螺紋針或尖螺紋(Schanz針)等，最近學(xué)界對(duì)輕基磷灰石(HA)涂層的固定針的研究較多。③智能化外固定器：大量臨床和實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了現(xiàn)在骨科醫(yī)學(xué)一個(gè)重要的理論：堅(jiān)硬固定產(chǎn)生骨折一期愈合，非堅(jiān)硬固定產(chǎn)生骨折二期愈合，其中力學(xué)環(huán)境是影響骨折愈合方式的重要特征[8]。由于骨在不同的生長(zhǎng)期需要不同的應(yīng)力刺激，智能化外固定器可以采取在骨愈合的不同階段，控制不同的應(yīng)力來(lái)保證骨生長(zhǎng)在