【正文】 研究的目的、意義，對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行必要的說(shuō)明，最后介紹本文各章節(jié)的安排。人體中最大的長(zhǎng)管狀骨是股骨分為一體兩端。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(xiàn)，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(xiàn)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(chēng)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(duì)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(dòng)自如又不會(huì)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(dòng)，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(gè)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(yùn)動(dòng)功能，而且還有一定范圍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)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(shí)，伴有所謂的扣鎖活動(dòng)。膝關(guān)節(jié)在屈曲位時(shí)，還可以做內(nèi)旋、外旋運(yùn)動(dòng)。時(shí)，膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)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(yùn)動(dòng)。加之關(guān)節(jié)囊厚，限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度的韌帶堅(jiān)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(lèi)直立步行，重力通過(guò)髖關(guān)節(jié)傳遞等機(jī)能的反映。人體在進(jìn)行各項(xiàng)活動(dòng)時(shí)，人體體重需要借助肌肉達(dá)到平衡。 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(dá)，骨折后多有錯(cuò)位及重疊。股骨下1/3骨折時(shí)，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(dòng)、靜脈。如系開(kāi)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?dòng)、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(dòng)脈可無(wú)搏動(dòng)或搏動(dòng)輕微，傷肢有循環(huán)異常的表現(xiàn)，可有淺感覺(jué)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(lèi)，各類(lèi)又分為3三個(gè)亞型,。斜型和A3為30176。 股骨干骨折類(lèi)型了解骨折愈合機(jī)制是研究、設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)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(guò)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(huì)影響愈合的速度，甚至中斷愈合導(dǎo)致骨不連。斷處的活動(dòng)為多大是恰到好處的，而且骨愈合并不是十分牢固，想要達(dá)到牢固的愈合需要長(zhǎng)期的固定才行。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(lèi)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(jì)的基礎(chǔ) 。有限元分析是要在一些必要假設(shè)狀態(tài)下進(jìn)行，在滿(mǎn)足本次有限元分析的前提下，做出如下幾點(diǎn)假設(shè)：⑴連續(xù)性假設(shè)。⑵完全彈性假設(shè)。⑶均勻各項(xiàng)同性假設(shè)。⑷小變形假設(shè)。⑸形體簡(jiǎn)化假設(shè)。反求工程也稱(chēng)逆向工程，是根據(jù)已存在的實(shí)物樣本中獲取數(shù)字模型并制造新產(chǎn)品的技術(shù)。 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。反求工程有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：1．?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)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。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。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(mǎn)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。圖 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)流程圖Mimics即為Materialise39。通過(guò)使用Mimics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。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。 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(jī)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(chǔ)為DICOM格式。通過(guò)文件頭Mimics軟件可以自動(dòng)識(shí)別DICOM格式影像數(shù)據(jù)的圖像像素、物體實(shí)際比例，層距以及掃描架傾斜度3個(gè)必要參數(shù)，可以通過(guò)直接在Mimics軟件中導(dǎo)入掃描圖片操作來(lái)導(dǎo)入股骨CT數(shù)據(jù)，設(shè)定圖片轉(zhuǎn)換的一系列項(xiàng)目，完成所需轉(zhuǎn)換，、。可以通過(guò)查看提取組織的效果（噪點(diǎn)少，且骨組織完整）來(lái)確定閾值設(shè)置時(shí)是否合適。用“profile line”測(cè)量骨的Hu值得到如圖34所示曲線(xiàn)，將灰度值1686Gv（對(duì)應(yīng)Hu值662）以上定義為皮質(zhì)骨。 閾值設(shè)置對(duì)話(huà)框（2）編輯圖像經(jīng)過(guò)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(jìn)行修改。最后通過(guò)“FEARemesh”,在Remech中進(jìn)行對(duì)股骨模型網(wǎng)格進(jìn)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。 股骨模 優(yōu)化后的股骨模型（1）點(diǎn)階段在Geomagic中將igs格式股骨整體模型導(dǎo)入并形成點(diǎn)云，如圖310所示。然后，點(diǎn)擊“減少噪音”工具，在彈出對(duì)話(huà)框中選擇“棱柱型”，平滑等級(jí)偏低，偏差限定“”；最后，點(diǎn)擊“統(tǒng)一采樣”工具，在彈出對(duì)話(huà)框中選擇“絕對(duì)”輸入間距“”。 股骨點(diǎn)云圖 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(diǎn)云，選擇“隱藏”，視圖窗口只顯示多邊形，進(jìn)行多邊形階段處理：首先，點(diǎn)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(gè)與周邊三角形連接更好的三角形網(wǎng)格。將模型在Geomagic中以igs格式保存。在Pro/E軟件中完成股骨、接骨板及骨釘?shù)难b配。 股骨骨折系統(tǒng)裝配圖，生成ANSYS軟件內(nèi)的股骨干骨折系統(tǒng)裝配模型。通過(guò)ANSYS的Boolean制造股骨的骨折。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。選擇“Work plane→ffset WP by Increments”將輔助坐標(biāo)系設(shè)置于股骨中段。 股骨骨折系統(tǒng)有限元模型圖對(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(lèi)型（Element Type）、材料屬性（Material Props）和實(shí)常數(shù)（Real Constants）。點(diǎn)擊“Preprocessor→Element Type→Add…→Solid→Solid45→OK →Close”設(shè)定所需要的單元類(lèi)型。 Material Model Number2，Material Model Number3的設(shè)置同理可設(shè)。網(wǎng)格大小參數(shù)設(shè)置根據(jù)精細(xì)與經(jīng)濟(jì)兼顧的原則，使得網(wǎng)格化后產(chǎn)生的單元既能保證有一定的模擬精度，又滿(mǎn)足對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的需求且省時(shí)省力。劃分網(wǎng)格后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為38239，網(wǎng)格數(shù)為189306。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模型更方便加載，本研究采用節(jié)點(diǎn)耦合、建立剛性域的方法施加載荷。 關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)常數(shù) 設(shè)置材料特性Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→New Model +005。 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)選擇菜單“Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool ”選取關(guān)鍵點(diǎn)38240劃分網(wǎng)格，即完成了關(guān)鍵點(diǎn)質(zhì)量的創(chuàng)建。形成剛性區(qū)域。由于前面已經(jīng)在股骨頭建好了剛性區(qū)。 后處理⒈股骨骨折斷，股骨骨折系統(tǒng)在各種加載情況下的應(yīng)力分布情況（1）股骨骨折系統(tǒng)在250N軸向加載力下，；股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于接骨板中段右側(cè)，股骨最大應(yīng)力處位于骨折上端螺釘位置，；這說(shuō)明在患者剛骨折時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在250N軸向壓力下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板在骨折位置部分的強(qiáng)度。 接骨板在前后彎曲加載下的 股骨在前后彎曲加載下等效應(yīng)力分布圖（愈合0%） 的等效應(yīng)力分布圖（愈合0%）（3）股骨骨折系統(tǒng)在內(nèi)外彎曲15Nm力矩下，股骨骨折系統(tǒng)；股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于接骨板中段兩側(cè)，最大等效應(yīng)力為129Mpa，股骨最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端最近的螺釘位置，；這說(shuō)明在患者剛骨折時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在內(nèi)外彎曲15Nm力矩下，接骨板主要承擔(dān)載荷，且接骨板中段兩側(cè)位置應(yīng)滿(mǎn)足在129Mpa等效應(yīng)力以?xún)?nèi)不會(huì)斷裂。 股骨在軸向加載下的等效應(yīng)力分布圖（愈合25%） 等效應(yīng)力分布圖（愈合25%）（2）股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲15Nm力矩下，；股骨骨折系統(tǒng)最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端螺釘處，接骨板最大應(yīng)力處位于股骨遠(yuǎn)端最近的螺釘位置，；這說(shuō)明在股骨愈合25%時(shí)，股骨骨折系統(tǒng)在前后彎曲15Nm力矩下，股骨主要承擔(dān)載荷，且遠(yuǎn)端螺釘部分的強(qiáng)度。 接骨板在內(nèi)外彎矩加載下的 股骨在內(nèi)外彎矩加載下的等效應(yīng)力分布