【正文】 限元法，隨著計算機應(yīng)用的普及，有限元對骨生物力學(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。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 3 歷史上， 在骨科生物力學(xué)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(dāng)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(dāng)時進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(xué)特性進行了分析 , 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(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。 論文的研究目的、內(nèi)容及章節(jié)安排 研究目的 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(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(xué)實驗 不但完成了對股骨骨折系統(tǒng)力學(xué)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，天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 5 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(xué)實驗部分，主要介紹股 骨骨折系統(tǒng)力學(xué)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(xué)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(xué)實驗結(jié)果進行了數(shù)據(jù)匯總與分析，通過力學(xué)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)容進行必要的說明，最后介紹本文各章節(jié)的安排。 股骨的解剖結(jié)構(gòu) 人體中最大的長管狀骨是股骨分為一體兩端 ，如圖 。如果從外面看就是在臀部的后下方。 頭的中央稍下方，有一小凹，為股骨頭韌帶的附著處叫做股骨頭凹。頸 干角 是 頸與體的夾角，約為 120～ 130176。大、小轉(zhuǎn)子間，前有轉(zhuǎn)子間線，后有轉(zhuǎn)子間嵴相連。為圓柱形 的粗壯體 ，全體微向前凸。粗線可分內(nèi)、外側(cè)兩唇，兩唇在體的中部靠近，而向上、下兩端則逐漸分離。兩唇向下形成兩骨嵴，分別連于股骨下端的內(nèi)、外上髁，兩唇在股骨體下端后面圍成的三角形骨面，叫做腘平面。兩髁的下面和后面都有關(guān)節(jié)面與脛骨上端相關(guān)節(jié)，前面的光滑關(guān)節(jié)面接髕骨，稱為髕面。內(nèi)側(cè)髁的內(nèi)側(cè)面和外側(cè)髁的外側(cè)面各有一粗糙隆起，分別叫做內(nèi)上髁和外上髁。 股骨近端連接處為髖關(guān)節(jié)，股骨遠(yuǎn)端連接處為膝關(guān)節(jié)，為了更好的了解股骨的約束與受力情況，需對髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)加以了解。膝關(guān)節(jié)的主耍結(jié)構(gòu)含括股骨（ femur）下端、脛骨（ tibia）上端、及髕骨（ patella； knee cap）之關(guān)節(jié)面﹐膝關(guān)節(jié)之所以能活動自如又不會發(fā)生脫位﹐主要是前、后十字韌帶（ anterior and posterior cruciate ligaments）、內(nèi)側(cè)韌帶（ medial collateral ligament）、外側(cè)韌帶（ lateral collateral ligament）、關(guān)節(jié)囊（ joint capsule）及附著于關(guān)節(jié)附近的肌腱提供了關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。另外，藉由位于關(guān)節(jié)前后肌肉群的拉動，讓關(guān)節(jié)可以彎曲及伸直。 由于膝關(guān)節(jié)具有特殊的半月板 ， 因此它不僅是一個軸樞關(guān)節(jié) ， 而且也帶有某些球窩關(guān)節(jié)的特征 ， 即它不僅有屈曲 、 伸展運動功能 ， 而且還有一定范圍的旋轉(zhuǎn)運動 。 膝關(guān)節(jié)的屈曲運動在很大程度上由 半腱肌 、 半膜肌 、 股二頭肌 、 股薄肌和縫匠肌完成 。 膝關(guān)節(jié)屈曲 、 伸展時 ， 伴有所謂的扣鎖活動 。 膝關(guān)節(jié)在屈曲位時 ， 還可以做內(nèi)旋 、 外旋運動 。時， 膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動度最大。髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運動。加之關(guān)節(jié)囊厚，限制關(guān)節(jié)運動幅度的韌帶堅韌有力，因此，與肩關(guān)節(jié)相比，該關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性大。這種 結(jié)構(gòu)特征是人類直立步行，重力通過髖關(guān)節(jié)傳遞等機能的反映。 人體在進行各項活動時，人體體重需要借助肌肉達到平衡。 如圖 股骨干包括粗隆下 2～ 5厘米至股骨髁上 2～ 5厘米的骨干。由于大腿的肌肉發(fā)達，骨折后多有錯位及重疊。股骨下 1/3骨折時，由于血管位于股骨折的后方，而且骨折遠(yuǎn)斷端常向后成角，故易刺傷該處的腘動、靜脈。如系開放性或粉碎性 骨折 ，出血量可能更大，患者可伴有血壓下降、面色蒼白等出血性 休克 的表現(xiàn)；如合并其他部位臟器的損傷， 休克 的表現(xiàn)可能更明顯。 可具有 骨折 的共性癥狀，包括疼痛、局部腫脹、成角畸形、異?；顒?、肢體功能受限及縱向叩擊痛或骨擦音。如合并有神經(jīng)、 血管損傷 ，足背動脈可無搏動或搏動輕微，傷肢有循環(huán)異常的表現(xiàn)，可有淺感覺異?；蜻h(yuǎn)端被支配肌肉肌力異常。 股骨干骨折可分為 A、 B、 C三類 ，各類又分為 3三個亞型 ,如圖 。 斜型 和 A3為 30176。 圖 股骨干骨折類型 了解骨折愈合機制是研究、設(shè)計及評價內(nèi)固定器材的基礎(chǔ) ,骨折愈合是多種基因聚集、修復(fù)細(xì)胞的復(fù)雜過 程，其所需要適合的環(huán)境受多種因素影響，若因素改變或受到干擾會影響愈合的速度，甚至中斷愈合導(dǎo)致骨不連。斷處的活動為多大是恰到好處的，而且骨愈合并不是十分牢固，想要達到牢固的愈合需要長期的固定才行。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 10 本章介紹了人體 股骨、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié) 的 解剖 結(jié)構(gòu)及其 生物力學(xué)特征；股骨干骨折的類型，骨折愈合的主要生物力學(xué)因素、伍爾夫定律等，是后續(xù)的有限元分析設(shè)計的基礎(chǔ) 。 有限元分析的前提 有限元分析是要在一些必要假設(shè) 狀態(tài)下進行，在滿足本次有限元分析的前提下，做出如下幾點假設(shè)： ⑴ 連續(xù)性假設(shè)。 ⑵ 完全彈性假設(shè)。 ⑶ 均勻各項同性假設(shè)。 ⑷ 小變形假設(shè)。 ⑸ 形體簡化假設(shè)。 股骨三維模型的建立 反求工程的概念 反求工程也稱逆向工程，是根據(jù)已存在的實物樣本中獲取數(shù)字模型并制造新產(chǎn)品的技術(shù)。而逆向工程設(shè)計流程圖如圖 所示。進行一系列的預(yù)處理（簡化、三角化、去除噪音等）；由于測量模型常由多個表面構(gòu)成，因而還需對測量的數(shù)據(jù)進行分塊，再進行表面模型的擬合，最后倒入 CAD 進行產(chǎn)品模型的重構(gòu)，如圖 所示。主要分為接觸式、非接觸式和破壞式三類，其中代表性的數(shù)據(jù) 采集設(shè)備有三坐標(biāo)測量機、光學(xué)掃描儀和斷層掃描儀。數(shù)據(jù)處理的目的是為了留下恰好能夠重構(gòu)出 CAD 模型的數(shù)據(jù)和對波點進行過濾 。 從已有的實物模型產(chǎn)出相應(yīng)的 CAD模型的過程即為產(chǎn)品的三維CAD模型重構(gòu)，為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計等提供數(shù)學(xué)模型支持。s interactive medical image control system 是一個圖像處理工具用來連接二維圖像數(shù)據(jù)（ CT， MRI，工業(yè)掃描數(shù)據(jù)等）和三維工程學(xué)應(yīng)用的。 Geomagic 是一款逆向工程 CAD 建模軟件。實現(xiàn)曲面造型的基本流程如圖 所示。 股骨的數(shù)據(jù)采集工作是借助天津某醫(yī)院旋轉(zhuǎn) CT 機完成的。在掃描電壓 120KV，電流 200mA，掃描層厚 1 mm，掃描層數(shù) 200 層，得到連續(xù)橫斷面圖像以及矢截面圖像，并將掃描的數(shù)據(jù) 存儲為 DICOM 格式。通過文件頭 Mimics 軟件可以自動識別 DICOM格式影像數(shù)據(jù)的圖像像素、物體實際比例，層距以及掃描架傾斜度 3 個必要參數(shù)，可以 通過直接 在 Mimics 軟件中導(dǎo)入掃描圖片操作 來 導(dǎo)入股骨 CT 數(shù)據(jù)，設(shè)定圖片轉(zhuǎn)換 的一系列 項目，完成 所需 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換生成的股骨冠截面圖和矢截面圖 如 圖 、 所示 。 可以通過 查看 提取組織 的效果（噪點少，且骨組織完整）來確定 閾值設(shè)置 時 是否合適 。用 “ profile line” 測量骨的 Hu 值得到如圖 34 所示曲線，將灰度值 1686Gv（對應(yīng) Hu 值 662）以上定義為皮質(zhì)骨。 圖 閾值設(shè)置對話框 （ 2）編輯圖像 經(jīng)過 閾值 設(shè)定 生成的股骨 圖像 中間 存在一些 空洞， 以便得到準(zhǔn)確的 CT 圖像，需要 利用圖像編輯 功能逐圖 進行修改 ，如圖 所示。 最后通過“ FEARemesh” ,在 Remech 中進行對股骨模型網(wǎng)格 進行 重新劃分 ，應(yīng) 用 “ smoothing” 命令細(xì)化網(wǎng)格，得到優(yōu)化完成的股骨模型，如圖 39 所示。 圖 股骨模 圖 優(yōu)化后的股骨模型 Geomagic 軟件進行表面處理 （ 1）點階段 在 Geomagic 中將 igs 格式股骨整體模型導(dǎo)入并形成點云，如圖 310 所示。然后，點擊“減少噪音”工具，在彈出對話框中選擇“棱柱型”，平滑等級偏低，偏差限定“ ”；最后，點擊“統(tǒng)一采樣”工具，在彈出對話框中選擇“絕對”輸入間距“ ”。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 16 圖 股骨點云圖 圖 封裝后股骨曲面圖 ⑵ 多邊形階段 在模型管理器中右鍵單擊點云，選擇“隱藏”，視圖窗口只顯示多邊形，進行多邊形階段處理：首先，點擊 “填充孔”按鈕，有包括填充完整孔、填充邊界孔及生成橋填充三種填充方式。最后，用“去除特征”功能刪除模型中不規(guī)則的三角形區(qū)域并且插入一個與周邊三角形連接更好的三角形網(wǎng)格。 圖 多邊形處理后的股骨模型 ⑶ 形狀階段 多邊形階段轉(zhuǎn)換后經(jīng)過技術(shù)處理所得到理想曲面模型，這個過程即為形狀階段。將模型在 Geomagic 中以 igs 格式保存。 探 測 輪 廓 線 編 輯 輪 廓 線 探 測 曲 率 自 動 擬 合 曲 面曲 面 片 處 理格 式 生 成 處 理曲 面 生 成曲 面 輸 出 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)論文 17 圖 形狀階段流程圖 圖 形狀階段處理后股骨模型圖 鈦合金接骨板、骨釘模型的建立及與股骨的裝配 將 在 Geomagic 中 獲得股骨 igs 文件通過軟件端口導(dǎo)入 PRO/E 中 ，并在 PRO/E 中繪制股骨中段骨折所用接骨板及骨釘，將骨釘簡化為圓柱體。最后將裝配好的股骨模型以 .x_t 格式進行保存，以備ANSYS 中使用。但此時的裝配模型只是位置上的裝配，各零件之間沒有任何約束關(guān)系。 選擇菜單項“ Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Operate→ Booleans→ Partition→ Volume→ Pick all” ， 將所有發(fā)生干涉的部分劃分為單獨的體，相鄰的部分是粘接的關(guān)系。 選擇菜單項“ Work plane→ Isplay working plane”，顯示輔助坐標(biāo)系。點擊 “ Main Menu→ Preprocessor→ odeling→ perate→ Booleans→ Divide→ Volu by wrkplane”選擇皮質(zhì)骨，將股骨從輔助坐標(biāo)系的位置切割開，再次應(yīng)用 菜單項“ Work plane→ offset WP by Increments”，將輔助坐標(biāo)