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1、目 录第一章 绪论111引言11.2骨折内固定接骨板的国内外研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2国内研究现状21.3骨生物力学有限元仿真的研究现状21.3.1国外研究现状21.3.2国内研究现状31.4骨生物力学性能实验的国内外研究现状31.4.1骨生物力学性能实验的国外研究现状31.4.2骨生物力学性能实验的国内研究现状41.5论文的研究目的、内容及章节安排41.5.1研究目的41.5.2研究内容41.5.3章节安排41.6本章小结5第二章 股骨及相关附属结构的简介62.1股骨的解剖结构62.2股骨的附属结构72.2.1膝关节的解剖结构分析72.2.2髋关节的解剖结构分析82.3股骨
2、干骨折类型82.4骨折愈合机制92.5本章小结9第三章 股骨干骨折系统模型建立及有限元分析113.1有限元分析的前提11 3.2股骨三维模型的建立113.2.1反求工程的概念113.2.2股骨模型的建立133.2.3钛合金接骨板、骨钉模型的建立及与股骨的装配173.2.4在ANSYS软件内建立股骨骨折系统模型173.3内固定接骨板系统的有限元分析183.3.1定义单元类型和材料属性183.3.2 划分网格193.3.4加载方式213.3.5计算求解213.3.6 后处理213.3.7有限元分析结果整理293.3.8 结果分析303.4 本章小结31第四章 股骨愈合的力学实验324.1电测法的简
3、介324.1.1电测法的基本概述324.1.2电测法的特点324.2电测法在骨生物力学的应用324.3骨愈合力学实验334.3.1实验设计334.3.2实验数据统计344.4对应有限元分析模型的建立354.5本章小结36第五章 股骨有限元分析结果与实验结果的对照375.1实验数据整理375.2实验数据与有限元分析数据的比较385.3本章小结40第六章 结论与展望416.1 结论41 6.2展望41参考文献42致谢43天津理工大学2014届本科毕业论文第一章 绪论11引言生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运
4、动生物力学等。生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。但是，无论在形态还是力学性质上，骨头都是各向异性的。20世纪70年代以来，对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究，如组合杆假设，二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究。骨是一种复合材料，它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物，骨板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的无机晶体使骨强度大大提高。体现了骨以最少
5、的结构材料来承受最大外力的功能适应性。股骨骨折是属于骨生物力学的一个重要研究课题,骨生物力学也是生物力学的一个重要分支。随着人们对股骨骨折研究工作的不断开展，骨力学性能的探究由最初使用的实验手段逐渐倾向于现代的有限元分析法。这主要是因为实验在人体体内是无法进行的，近年来有限元分析法的飞速发展为进行骨力学探究开辟了一条新的思路。本研究将利用逆向工程技术通过CT扫描的图像，应用MIMICS软件对扫描图像进行处理，建立股骨模型，将股骨模型导入三维CAD软件Pro/E,按照特定基准进行装配，完成股骨内固定系统模型的建立。有限元分析及基于原模型的改进设计，建立股骨近端内固定系统生物动力学模型分析框架，利
6、用ANSYS分析模型受力获取了股骨骨折系统在各种加载条件下，各个部件的应力应变情况。1.2骨折内固定接骨板的国内外研究现状1.2.1国外研究现状1958 年由穆勒等15名瑞士外科医生发起成立了内固定研究会 ，简称ASIF 或AO。自AO成立之日起为骨科内固定做出了不可替代的贡献，半个世纪以来随着内固定接骨板技术的发展与普及，现已形成一个从原则、理论、方法到设备和器材的完整体系，成为当今骨折治疗领域中的经典手段之一。 AO学派继承了达尼斯等学者的内固定思想和骨折一期愈合理论，倡导和推进骨折内固定治的疗与研究，提出了著名的AO四原则，包括了坚强内固定、解剖复位、无创外科技术、术后早期无痛活动。这四
7、个原则几乎成为了从事骨科临床治疗工作的医生的应掌握的首要治疗原则。从上个世纪90年代初期，AO学者戈博、帕尔马尔等提出了关于生物学固定的新的概念，不破坏骨的生长发育的正常生理环境。强调骨折治疗要重视骨的生物学特性，也反映出BO新概念的核心。1.2.2国内研究现状在国内，近年来研究内固定接骨板的学者和专家越来越多。一些学者研制了一种锥状点式接触钢板是为了达到减少骨皮质血供受损目的在普通接骨板的底面焊接锥状突起；赵玉峰等设计的复合动力点接触接骨板经过生物力学测试，显示出的弯扭强度与DCP板基本相似。许多医学工作者在我国传统医学的基础上结合国外动力加压接骨板的优点，设计出多种接骨板系统包括角翼自动加
8、压钢板、非等强度自动加压钢板、槽状带齿自动加压钢板、梯型自动加压钢板等。第三军医大学的熊雁等结合了AO研究进展中接骨板的所有优点设计出了点接触锁定加压接骨板(PC-LCP)，其设计出的接骨板就是为了进一步保护骨折端及骨皮质血运，提供骨折愈合的最佳生物学环境，并且为了让充分保护了骨皮质及骨折区域的血供该设计避免了接骨板与骨面之间不必要的接触。随着科学技术的飞速发展，大量创新理论被实践所证实，尤其是骨折愈合得到了重新认识与审视，骨科内固定治疗体系即将迎来另一个飞速发展的时期。如今国内研制出综合了AO、BO的理论并且加入自己的独到观点的天鹅型记忆接骨器，研制出了利用了镍钛形状记忆合金的奥马金相可逆性
9、的记忆合金接骨器，不仅已经应用于临床，并且效果十分良好。1.3骨生物力学有限元仿真的研究现状1.3.1国外研究现状自1943年库朗首创了有限元法，有限元法已应用到了很多领域。在1972年Rybicki和 Brekelmans首次在骨生物力学中应用有限元法，随着计算机应用的普及，有限元对骨生物力学的研究起重大作用，在其中占领主导地位，主要应用于内外固定系统的研究、各种人工假体的设计及优化，及骨系统的应力分析。研究人体椎间盘、周围韧带、关节内软骨的生物力学特性；测试评价人工关节置换的效果。利用有限元法得到的计算结果应需要与体内或体外实验进行比较，有些情况需要结合动物、临床实践进行比较分析。现今的有
10、限元模型不仅能逼真地模拟各种骨骼、椎间盘，还能将周围的软组织加入模型，使其更加逼真形象，为人类未来的医学事业做出更大贡献。历史上， 在骨科生物力学与生物材料两方面, 焦点先放于股骨。全髋关节置换术是一个很常见的手术， 全球每年大约要完成30万例。随之而来, 大量的失败病例出现。由于以上两点, 刺激植入股骨假体的二维和三维有限元模型的发展。事实上，失败主要出现在股骨假体侧。Huiskes的工作对了解股骨植入物载荷传递的基本机制做出了非常重要贡献。大约在同一时期,，对全膝关节置换的计算机辅助分析也开始进行，由于多数临床问题出现在假体的胫骨部分， 因此在当时的研究主要集中于胫侧。Chand首先发展了
11、早期膝关节的二维有限元模型, 以后又出现了膝关节的三维有限元模型。由于计算机技术水平的限制, 当时进行此类分析需要大量的人力物力。相对于这些早期分析, 现代计算机技术允许发展既省时廉价又功能强大的三维有限元模型。1.3.2国内研究现状骨折的生物力学也常用有限元分析法进行分析。张建新等利用有限元分析从骨科生物力学角度探讨横形与斜形骨折愈合的影响。其结果发现横形骨折复位后固定稳定且牢固，而且骨折的早、中、后期均可压力所产生的压电效应，斜形骨折则不能。研究发现压电效应能促进骨痂的生长。廖东华等对离体的胫骨进行有限元分析， 证明了士兵胫骨应力骨折确是与其中应力水平密切相关的，载荷应力大者正是应力骨折发
12、病率高者,，最高应力集中部位在膝下约 1/3 长度处的前方部位,，同临床统计分析结果是相符合的。这也证明了胫骨骨折的确是由于应力较高所致。刘献祥等通过有限元法对小儿肱骨髁上部力学特性进行了分析, 根据结果认为伸直型肱骨髁上骨折的固定方法为: 若内侧移位, 则采用屈曲 90旋前位固定； 若外侧移位, 则采用屈 90旋后位固定；若内外侧骨膜完全破裂即粉碎性骨折， 不论是内侧移位, 还是外侧移位, 只要复位良好, 宜采用旋后位、中立位固定, 但考虑到前臂、腕、手部的功能, 以屈曲 90旋后位固定为优。1.4骨生物力学性能实验的国内外研究现状1.4.1骨生物力学性能实验的国外研究现状1846年，沃特海
13、姆测量出骨生物弹性性质，并得出非线性的应力-应变关系方程；1864年，Wertheim用当时最先进的实验方法测定了骨的弹性性质，Carter和Hayes通过实验测量和分析了骨骼的应力应变的情况，提出了利用骨骼的表观密度计算骨骼弹性模量的方法；1884年，伍尔夫提出在体骨将随其所售的应力、应变而改建； 1977年，通过实验研究了松质骨的弹性模量和强度对应变率的敏感性；LakeS和Katz等人在1979年通过对骨的粘弹性力学行为研究，建立了皮质骨的非线性粘弹性本构方程；1990和1993年，Crolet将均匀化理论用于密质骨。1.4.2骨生物力学性能实验的国内研究现状赵均海等通过人体密质骨撞击实验
14、研究，得出了应力-应变率随时间变化的曲线以、应力-应变关系图线；王勃等人通过对人的股骨和胫骨各向异性力学参数、流变形特性的研究，测试了国人的股骨和胫骨不同方向的力学参数，并得到应力松弛时力与时间的关系；赵文志等人通过动物力学实验研究，建立了可数值量化的应力与股骨近端生长关系的生物力学模型；吴维才等通过实验研究了扭转载荷下股骨的力学性质。1.5论文的研究目的、内容及章节安排1.5.1研究目的随着生物力学的研究工作的不断开展，骨力学性能的探究由初期常用的实验手段逐渐倾向于有限元法。本文以钛合金接骨板固定股骨中段骨折的三维重建模型为研究对象，基于CT螺旋扫描图像利用Mimics医学软件、Geomag
15、ic逆向工程软件，对股骨三维模型进行重建，再通过三维CAD软件建立接骨板固定的股骨骨折系统模型；运用有限元法对股骨骨折系统进行模拟仿真分析，并对部分仿真结果进行实验验证。利用ANSYS有限元分析软件进行分析。1.5.2研究内容本研究利用逆向工程软件建立由钛合金接骨板固定的股骨骨折系统模型，运用有限元法对股骨骨折系统进行模拟仿真分析，并对部分仿真结果进行实验验证。主要研究内容如下：1股骨骨折系统模型的建立：利用Mimics医学软件、Geomagic逆向工程软件，基于CT螺旋扫描图像，重建股骨三维模型。利用三维CAD软件Pro/E绘制的接骨板进行打孔，骨钉简化成简单的圆柱体，将重建的股骨模型在Pro/E中装配组成股骨骨折系统模型。2股骨骨折系统的有限元分析：将装配好的股骨骨折系统模型导入有限元分析软件，进行布尔操作、定义单元类型和材料属性、划分网格、约束与加载和后处理操作，获取股骨骨折系统在轴向力、弯曲力矩、扭转力矩加载情况下的应力应变情况，并对所得到的数据进行分析。3股骨骨折系统模型的力学性能实验：应用电测法对股骨骨折系统在轴向加载下八个位置的应变进行了测量，八个位置分别为
