股骨干骨折系统模型建立及有限元分析-生物力学毕业论文
- 格式：doc
- 大小：5.13 MB
- 文档页数：45
下载文档原格式
合集下载
股骨干骨折的生物力学研究进展
维普资讯
实用骨科杂志
第 １ ３卷 ， １ 第 １期 ，０ ７年 １ ２０
图霪
股 骨 干 骨 折 的 生 物 力 学 研 究 进 展
张 华 ， 鹏 ， 耀 荣 ， 建 民 赵 安 吴
（ 肃 中医学院 ， 肃 兰州 ７００） 甘 甘 ３ ０ ０
文 章 编 号 ：０ ８ ５ ７ （ ０ ７ １ — ０ ６ １ ０ — ５ ２ ２ ０ ） １ ６ ９—０ ３
中图分类号 ： ８．２ Ｒ６ ３ ４
文献标识码 ： Ａ
股骨干是人体中最长的管状骨， 由厚而坚强的圆柱形密 致骨构成。股骨干骨折是临床的常见病和多发病， 其正确治
疗需要了解股骨干的解剖、 生物力学及创作机制， 并根据骨
有关。刘安庆等 也通过实验分析认为， 在不同的载荷下股 骨干上的应力分布范 围主要集中在中下 １３ 并由此得 ／ 处，
１ 股 骨干的解 剖及生物力学特 性
１２ 股骨干材料力学特性 股骨干是一种具有新陈代谢功 ．
能的有生命的材料。它主要 由密质骨构成， 是胶原纤维增强 的层合复合材料， 除血管和骨细胞外， 空隙极少， 含有大量的
哈佛式系统， 呈现非线性粘弹性性能。它的生长符合 Ｗｏ ｆ ｌ ｆ 定律， 活体骨不断进行着骨再建的过程， 使骨的内部结构和
股骨干下 １３ ， ／ 段 即股骨踝上 ５ ｍ 的部位为股骨干 ～７ ｃ 与股骨髁的移行部， 此处股骨的横截面由圆形逐渐增大变成 扁圆形， 骨髓腔也产生相应的变化， 股骨嵴的两唇在此平面 的后侧彼此分离形成一尖端向上的三角形平面（ 胭面）此处 ， 骨表面凹凸不平。根据工程力学原理［ ， ２ 在构件断面突然改 ］ 变的附近区域或构件表面粗糙不平、 光洁度不好的部分 ， 会 引起应力集 中， 成为力学上的薄弱点， 应力损伤往往由此开
实用骨科杂志
第 １ ３卷 ， １ 第 １期 ，０ ７年 １ ２０
图霪
股 骨 干 骨 折 的 生 物 力 学 研 究 进 展
张 华 ， 鹏 ， 耀 荣 ， 建 民 赵 安 吴
（ 肃 中医学院 ， 肃 兰州 ７００） 甘 甘 ３ ０ ０
文 章 编 号 ：０ ８ ５ ７ （ ０ ７ １ — ０ ６ １ ０ — ５ ２ ２ ０ ） １ ６ ９—０ ３
中图分类号 ： ８．２ Ｒ６ ３ ４
文献标识码 ： Ａ
股骨干是人体中最长的管状骨， 由厚而坚强的圆柱形密 致骨构成。股骨干骨折是临床的常见病和多发病， 其正确治
疗需要了解股骨干的解剖、 生物力学及创作机制， 并根据骨
有关。刘安庆等 也通过实验分析认为， 在不同的载荷下股 骨干上的应力分布范 围主要集中在中下 １３ 并由此得 ／ 处，
１ 股 骨干的解 剖及生物力学特 性
１２ 股骨干材料力学特性 股骨干是一种具有新陈代谢功 ．
能的有生命的材料。它主要 由密质骨构成， 是胶原纤维增强 的层合复合材料， 除血管和骨细胞外， 空隙极少， 含有大量的
哈佛式系统， 呈现非线性粘弹性性能。它的生长符合 Ｗｏ ｆ ｌ ｆ 定律， 活体骨不断进行着骨再建的过程， 使骨的内部结构和
股骨干下 １３ ， ／ 段 即股骨踝上 ５ ｍ 的部位为股骨干 ～７ ｃ 与股骨髁的移行部， 此处股骨的横截面由圆形逐渐增大变成 扁圆形， 骨髓腔也产生相应的变化， 股骨嵴的两唇在此平面 的后侧彼此分离形成一尖端向上的三角形平面（ 胭面）此处 ， 骨表面凹凸不平。根据工程力学原理［ ， ２ 在构件断面突然改 ］ 变的附近区域或构件表面粗糙不平、 光洁度不好的部分 ， 会 引起应力集 中， 成为力学上的薄弱点， 应力损伤往往由此开
《2024年股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定的三维有限元分析》范文
《股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定的三维有限元分析》篇一股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定术的三维有限元分析一、引言随着医疗技术的进步，骨科手术逐渐向微创、精准、快速康复的方向发展。
股骨近端良性病变的手术治疗中，骨水泥联合钢板内固定技术因其良好的固定效果和较快的康复速度，被广泛应用于临床。
本文旨在通过三维有限元分析的方法，对股骨近端良性病变采用骨水泥联合钢板内固定术的生物力学性能进行深入研究。
二、材料与方法1. 病例选择选取近期接受股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定术的患者，其年龄、性别、病变部位等基本情况应具有代表性。
2. 三维模型构建利用医学影像技术（如CT、MRI）获取患者股骨近端的影像数据，通过专业软件进行三维重建，构建出精确的三维模型。
3. 材料属性设定对模型中的骨组织、骨水泥、钢板等材料设定合理的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
4. 有限元网格划分将三维模型划分为有限元网格，网格的划分应尽可能细致，以保证分析的准确性。
5. 边界条件与载荷设定设定合理的边界条件和载荷，模拟患者在术后行走、运动等过程中的生物力学环境。
三、结果与分析1. 应力分布分析通过有限元分析，可以得出骨水泥、钢板及周围骨组织的应力分布情况。
分析各部分的应力大小及分布规律，有助于了解手术后的生物力学性能。
2. 固定效果评价通过对比术前术后的应力分布情况，可以评价骨水泥联合钢板内固定术的固定效果。
分析固定后骨组织的应力是否得到有效分散，钢板和骨水泥是否发挥了良好的支撑作用。
3. 手术风险评估根据有限元分析结果，可以评估手术风险。
如应力集中区域可能导致的骨折、钢板松动等问题，为手术方案的选择和术后康复提供参考。
四、讨论通过对股骨近端良性病变采用骨水泥联合钢板内固定术的三维有限元分析，我们可以得出以下结论：1. 骨水泥和钢板的联合使用可以有效地分散股骨近端的应力，促进骨折愈合，提高患者的康复速度。
2. 合理的手术方案和操作技巧对于保证手术效果至关重要，医生应根据患者的具体情况选择合适的手术方案。
国内外对生物力学性能实验的研究毕业论文
国外对生物力学性能实验的研究毕业论文目录第一章绪论 (1)1．1引言 (1)1.2骨折固定接骨板的国外研究现状 (1)1.2.1国外研究现状 (1)1.2.2国研究现状 (2)1.3骨生物力学有限元仿真的研究现状 (2)1.3.1国外研究现状 (2)1.3.2国研究现状 (3)1.4骨生物力学性能实验的国外研究现状 (3)1.4.1骨生物力学性能实验的国外研究现状 (3)1.4.2骨生物力学性能实验的国研究现状 (4)1.5论文的研究目的、容及章节安排 (4)1.5.1研究目的 (4)1.5.2研究容 (4)1.5.3章节安排 (4)1.6本章小结 (5)第二章股骨及相关附属结构的简介 (6)2.1股骨的解剖结构 (6)2.2股骨的附属结构 (7)2.2.1膝关节的解剖结构分析 (7)2.2.2髋关节的解剖结构分析 (8)2.3股骨干骨折类型 (8)2.4骨折愈合机制 (9)2.5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 (11)3.1有限元分析的前提 (11)3.2股骨三维模型的建立 (11)3.2.1反求工程的概念 (11)3.2.2股骨模型的建立 (13)3.2.3钛合金接骨板、骨钉模型的建立及与股骨的装配 (17)3.2.4在ANSYS软件建立股骨骨折系统模型 (17)3.3固定接骨板系统的有限元分析 (18)3.3.1定义单元类型和材料属性 (18)3.3.2 划分网格 (19)3.3.4加载方式 (21)3.3.5计算求解 (21)3.3.6 后处理 (21)3.3.7有限元分析结果整理 (29)3.3.8 结果分析 (30)3.4 本章小结 (31)第四章股骨愈合的力学实验 (32)4.1电测法的简介 (32)4.1.1电测法的基本概述 (32)4.1.2电测法的特点 (32)4.2电测法在骨生物力学的应用 (32)4.3骨愈合力学实验 (33)4.3.1实验设计 (33)4.3.2实验数据统计 (34)4.4对应有限元分析模型的建立 (35)4.5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 (37)5.1实验数据整理 (37)5.2实验数据与有限元分析数据的比较 (38)5.3本章小结 (40)第六章结论与展望 (41)6.1 结论 (41)6.2展望 (41)参考文献 (42)致谢 (43)第一章绪论1．1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。
基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析
基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析人体骨骼结构是由各种骨骼组成的复杂系统，它在支撑和保护身体的同时，也承载着各种外力。
为了更好地了解人体骨骼在运动中的应力和变形情况，可以运用有限元分析方法，通过数值模拟来研究其力学行为。
有限元分析是一种数值计算方法，它将复杂的结构分割为许多小单元，通过数学模型来近似描述原始结构的力学行为。
在应用有限元分析方法进行人体骨骼结构研究时，首先需要获取人体骨骼的三维模型数据。
这可以通过医学影像技术，如CT扫描或MRI扫描，来获取。
通过对骨骼结构进行有限元网格划分，即将骨骼模型分割为许多小单元，可以将骨骼结构分割成骨骼片、骨骼节段等。
然后，在每个小单元上建立相应的位移、应力和应变方程，通过有限元法求解这些方程，可以得到骨骼结构在受力情况下的响应。
通常，人体骨骼结构有限元分析的目的是研究其在不同负荷条件下的应力分布、应变形变和力学特性。
例如，可以模拟人体骨骼在行走、跑步、承重等运动中的应力分布情况，以评估不同运动方式对骨骼的影响。
通过有限元分析，可以进一步探索骨骼结构受力情况对人体健康的影响。
例如，可以模拟骨折的发生和愈合过程，研究骨折部位的应力分布和应变情况，为临床医生提供指导意见。
此外，有限元分析还可以研究人体骨骼的生物力学性能，如疲劳寿命、材料刚度等，为设计和优化人工骨骼植入物提供参考。
然而，基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析也面临一些挑战和限制。
首先，人体骨骼结构的模型复杂度高，其几何形状和材料性质具有很大的个体差异性，需要准确的模型参数来进行分析。
其次，人体骨骼结构在运动中会受到多种力的作用，如集中力、均布载荷等，如何准确描述这些力对骨骼的影响，是一个难题。
此外，人体骨骼结构的生理和病理状态也会对分析结果产生影响，如骨质疏松、骨病等。
综上所述，基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析是一种有效的研究方法，可以揭示骨骼在受力情况下的行为和性能。
通过这种方法，可以深入了解人体骨骼的力学特性，为运动损伤防护、骨折治疗和人工骨骼植入物设计提供科学依据。
《2024年股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定的三维有限元分析》范文
《股骨近端良性病变骨水泥联合钢板内固定的三维有限元分析》篇一一、引言在骨科领域，股骨近端良性病变是一种常见的病症，常常需要进行内固定手术治疗。
骨水泥和钢板内固定作为常见的治疗方法，已被广泛地应用于此类手术中。
为了更深入地了解骨水泥联合钢板内固定在股骨近端良性病变治疗中的力学特性，本文通过三维有限元分析方法，对这一治疗方法进行了详细的研究和分析。
二、方法1. 模型建立首先，我们根据医学影像数据（如CT扫描）建立了股骨近端的几何模型。
在考虑到骨水泥和钢板的结构特点后，我们将它们分别植入到股骨模型中，形成了骨水泥联合钢板内固定的三维模型。
2. 材料属性我们根据文献资料和实验数据，为模型中的各部分（如骨组织、骨水泥、钢板等）赋予了合理的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
3. 有限元分析我们利用专业的有限元分析软件，对模型进行了三维有限元分析。
通过设定不同的力学条件，模拟了手术后的生理负载情况，从而分析了骨水泥和钢板内固定在股骨近端良性病变治疗中的力学响应。
三、结果1. 应力分布通过有限元分析，我们发现在生理负载下，钢板和骨水泥都承担了相当一部分的应力。
钢板通过其坚固的结构有效地将应力传递至周围骨骼，而骨水泥则以其优良的生物相容性和力学性能起到了缓冲应力的作用。
这种双重固定的方式，显著地提高了股骨的力学稳定性。
2. 生物力学性能我们的分析还表明，骨水泥联合钢板内固定显著提高了股骨的生物力学性能。
在各种生理负载下，这种治疗方法都能保持股骨的稳定性和完整性，有效防止了骨折的发生。
四、讨论本研究通过三维有限元分析，深入地探讨了骨水泥联合钢板内固定在股骨近端良性病变治疗中的力学特性。
我们发现，这种治疗方法通过钢板和骨水泥的双重固定，显著地提高了股骨的力学稳定性和生物力学性能。
这不仅有利于骨折的愈合，还能有效地防止再次骨折的发生。
然而，我们的研究也存在一定的局限性。
首先，我们建立的模型是理想化的，未能完全反映真实人体的复杂性。
股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证
撞 研 究。
关 键 词 ： 法 医病 理 学 ： 生物 力 学 ： 限 元 分析 ： 有 体层 摄 影 术 ， 旋 计 算 机 ； 骨 螺 股 中 图 分 类 号 ：Ｄ ７ ５１ Ｆ ９． 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ／ｉ ｎ１０ ～ ６ ９ ０ １ ４ ０ ｏ：１ ． ９ ．ｓ． ４ ５ １ ． １． ． １ ９ ｊｓ ０ ２ ００
点 应 力 平 均 为 （． ９ ± ． ３ ） Ｐ ， 骨 三 点 弯 曲 试 验 中应 变一 度 曲 线 与 Ｋ ｎ ｅｙ试 验 结 果 一 致 ， 骨 ３ ０ ７ １ ７ Ｍ ａ 股 ２ ３ ５ 挠 ｅ ｎｄ 股 侧 面撞 击 有 限元 分析 结 果 与 法 医 学 尸体 解 剖 所 见 相 符 。 结 论 本研 究 建 立 的模 型 适 用 于 股 骨 生物 力 学碰
垂 直 载荷 、 行 三 点 弯 曲试 验 及 股 骨 侧 面撞 击 分析 ， 进 以验 证 模 型 的 可行 性 。 结 果 Ｃ Ｔ扫 描 共 获得 ５ １张 扫 ２
描 图片 ． 所建 立的股骨三 维有 限元模 型 ， １ ９个节点 ，０ ４个四 面体单 元。垂直载荷下股骨颈各 节 目的 探 讨 利 用 Ｍｉ ｉ 软 件 将 Ｃ 医学 影 像 数 据 转 化 为 有 效 的股 骨 有 限元 模 型 的 可 行 性 ， ｍｃ ｓ Ｔ 为股 骨
骨折 的 生 物 力 学研 究提 供 模 型 基 础 。 方 法 利 用 １ ６排 螺 旋 Ｃ Ｔ扫 描 股 骨 ， 扫 描 结 果 以 Ｄ Ｃ Ｍ 格 式 导 入 将 ＩＯ Ｍｉ ｉ 软 件 中 ， 成 股 骨 三 维模 型 ， 对 模 型 网格 划 分 、 ｍｃ ｓ 生 并 材料 赋值 。 Ｌ — Ｙ Ａ 软件 中分 别施 加 １ ０ Ｎ的 在 ＳＤ Ｎ ０ ０
关 键 词 ： 法 医病 理 学 ： 生物 力 学 ： 限 元 分析 ： 有 体层 摄 影 术 ， 旋 计 算 机 ； 骨 螺 股 中 图 分 类 号 ：Ｄ ７ ５１ Ｆ ９． 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ／ｉ ｎ１０ ～ ６ ９ ０ １ ４ ０ ｏ：１ ． ９ ．ｓ． ４ ５ １ ． １． ． １ ９ ｊｓ ０ ２ ００
点 应 力 平 均 为 （． ９ ± ． ３ ） Ｐ ， 骨 三 点 弯 曲 试 验 中应 变一 度 曲 线 与 Ｋ ｎ ｅｙ试 验 结 果 一 致 ， 骨 ３ ０ ７ １ ７ Ｍ ａ 股 ２ ３ ５ 挠 ｅ ｎｄ 股 侧 面撞 击 有 限元 分析 结 果 与 法 医 学 尸体 解 剖 所 见 相 符 。 结 论 本研 究 建 立 的模 型 适 用 于 股 骨 生物 力 学碰
垂 直 载荷 、 行 三 点 弯 曲试 验 及 股 骨 侧 面撞 击 分析 ， 进 以验 证 模 型 的 可行 性 。 结 果 Ｃ Ｔ扫 描 共 获得 ５ １张 扫 ２
描 图片 ． 所建 立的股骨三 维有 限元模 型 ， １ ９个节点 ，０ ４个四 面体单 元。垂直载荷下股骨颈各 节 目的 探 讨 利 用 Ｍｉ ｉ 软 件 将 Ｃ 医学 影 像 数 据 转 化 为 有 效 的股 骨 有 限元 模 型 的 可 行 性 ， ｍｃ ｓ Ｔ 为股 骨
骨折 的 生 物 力 学研 究提 供 模 型 基 础 。 方 法 利 用 １ ６排 螺 旋 Ｃ Ｔ扫 描 股 骨 ， 扫 描 结 果 以 Ｄ Ｃ Ｍ 格 式 导 入 将 ＩＯ Ｍｉ ｉ 软 件 中 ， 成 股 骨 三 维模 型 ， 对 模 型 网格 划 分 、 ｍｃ ｓ 生 并 材料 赋值 。 Ｌ — Ｙ Ａ 软件 中分 别施 加 １ ０ Ｎ的 在 ＳＤ Ｎ ０ ０
《2024年基于三维有限元和Mimics技术的跟骨骨折分型》范文
《基于三维有限元和Mimics技术的跟骨骨折分型》篇一一、引言随着科技的不断进步，对于骨科损伤特别是跟骨骨折的诊治手段与诊断准确率正在持续提升。
三维有限元模型技术和Mimics 技术在跟骨骨折的形态分析、骨折类型判定及治疗策略的制定等方面具有重要作用。
本文将通过介绍三维有限元模型技术和Mimics技术的原理及在跟骨骨折分型中的应用，阐述其在提升骨折诊断和治疗效果方面的优势。
二、三维有限元模型技术及Mimics技术概述1. 三维有限元模型技术：该技术基于数学和物理原理，通过建立精确的骨骼模型，模拟骨骼在受到外力作用时的反应，从而对骨折类型进行预测和评估。
2. Mimics技术：Mimics是一种医学影像处理软件，能够通过处理CT或MRI等医学影像数据，重建出精确的三维骨骼模型。
该技术为医生提供了更直观、全面的诊断信息，有助于更准确地判断骨折类型。
三、基于三维有限元和Mimics技术的跟骨骨折分型1. 骨折类型的定义：根据骨折的形态、位置及移位程度，可将跟骨骨折分为多种类型。
如跟骨结节撕脱性骨折、跟骨前突骨折、跟骨体部骨折等。
2. 诊断流程：首先，通过Mimics技术处理CT或MRI影像数据，重建出跟骨的三维模型。
然后，结合三维有限元模型技术，分析骨折部位的形态变化及应力分布情况，从而判断骨折类型。
3. 分类标准：根据骨折的严重程度、位置及移位情况，将跟骨骨折分为轻、中、重三个等级。
每个等级下再根据具体表现细分为不同的类型。
四、三维有限元和Mimics技术在跟骨骨折分型中的应用优势1. 提高诊断准确率：通过三维有限元和Mimics技术的结合，医生可以更直观地了解骨折部位的形态变化及应力分布情况，从而提高诊断准确率。
2. 指导治疗策略：根据三维有限元分析结果，医生可以预测骨折部位的应力分布情况，从而制定出更合适的治疗策略。
同时，Mimics技术还可以帮助医生在手术过程中定位骨折部位，提高手术效率及安全性。
股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证
股骨有限元模型的建立及损伤生物力学验证邹冬华;李正东;黄平;刘宁国;陈忆九【摘要】Objective To investigate the feasibility of creating an effective femoral finite element model from medical images of CT scan with Mimics software, and to provide a good model for femoral fracture biomechanics. Methods CT images of femur were obtained from 16-slice spiral CT, which were subsequently imported into Mimics software according to DICOM standard. The 3D femoral finite element model was developed, meshed and assigned with material properties. The feasibility of the model was tested and validated with LS-DYNA in different modes including vertical load of 1 000 N, 3-points bending and side impacts. Results Five hundred twenty-one scanning images were available and reconstructed to create a femoral finite element model consisting of 17 879 nodes and 106 834 tetrahedron elements. The average stress on the femoral neck nodes under vertical load was (3.2097±1.3735) Mpa. Strain-deflection curve in 3-points bending test was consistent with Kennedy's study results. The results of the side impact test were in accordance with the forensic anatomical findings. Conclusion The established model should be applicable to femoral collision biomechanics studies.%目的探讨利用Mimics软件将CT医学影像数据转化为有效的股骨有限元模型的可行性,为股骨骨折的生物力学研究提供模型基础.方法利用16排螺旋CT扫描股骨,将扫描结果以DICOM格式导入Mimics软件中,生成股骨三维模型,并对模型网格划分、材料赋值.在LS-DYNA软件中分别施加1000N的垂直载荷、进行三点弯曲试验及股骨侧面撞击分析,以验证模型的可行性.结果 CT扫描共获得521张扫描图片,所建立的股骨三维有限元模型,共17 879个节点,106 834个四面体单元.垂直载荷下股骨颈各节点应力平均为(3.209 7±1.373 5)MPa,股骨三点弯曲试验中应变-挠度曲线与Kennedy试验结果一致,股骨侧面撞击有限元分析结果与法医学尸体解剖所见相符.结论本研究建立的模型适用于股骨生物力学碰撞研究.【期刊名称】《法医学杂志》【年(卷),期】2011(027)004【总页数】5页(P241-245)【关键词】法医病理学;生物力学;有限元分析;体层摄影术,螺旋计算机;股骨【作者】邹冬华;李正东;黄平;刘宁国;陈忆九【作者单位】司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;复旦大学上海医学院法医学系,上海200032;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063;司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室,上海200063【正文语种】中文【中图分类】DF795.1有限元方法是根据变分原理求解数学上可描述的物理问题的一种数值计算方法，其主要优点是能够解决结构、材料性质和荷载情况都比较复杂的生物力学问题。
基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析
基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析
近几十年来，医学及工程学领域均在以不同的方式尝试精确建模人体骨骼。
其中，股骨作为人体最大的长骨之一，其精确建模具有极大的研究意义。
本文旨在介绍一种基于CT 的股骨精确建模方法，并对其进行三维有限元分析。
首先，该方法的第一步是获取股骨CT扫描图像。
这可以通过常规放射性检查或计算机断层扫描（CT）来实现。
然后，使用三维图像处理软件对图像进行处理，生成精确的三维股骨模型。
处理过程中需注意区分股骨头和股骨体、转子，以及软骨等结构组织。
接下来，对三维模型进行网格剖分和离散化，将其转换为有限元模型。
确定相应的材料参数和边界条件，并通过数值模拟方法，使用适当的有限元软件进行三维有限元分析。
分析过程中需确定负载情况，以及骨骼组织的材料特性，如骨密度、韧性等。
通过分析得到的数据，可以评定股骨的应力分布、刚度、韧性等性能参数。
在手术前确定骨骼缺损的大小和形状，以及材料特性，同时根据具体手术需求，模拟手术过程，选择合适的修复方法。
此外，还可以对修复方法进行比较，选择最优解决方案。
本方法不仅可以用于医学研究，还能在医疗领域应用于手术前规划和手术过程仿真，以提高手术成功率和患者的生活质量。
同时，在理论和实践中，都有意义。
人体股骨有限元模型的建立及静力学分析
第２ Ｏ卷
第 ３期
北京 石 油化工 学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｉ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｏ ｒ ａ ｆＢｅ ｉｇ Ｉ ｓｉｕ ｅｏ ｊ
Ｐｅ ｒ — ｈｅ ｃ ｌＴｅ ｈ ｌ ｙ ｔ ｏ ｃ ｍｉ ａ ｃ ｎｏ ｏｇ
Ｖｏ － ０ ＮＯ ３ ｌ２ ．
Ｓｅ ２ ２ ｐ． ０１
２１ ０ ２年 ９月
人 体 股 骨 有 限 元 模 型 的 建 立 及 静 力 学 分 析
张 军 文 邓 双 成。 郑 海 洋 孙 涛 孙 立 强 宗大 圣。
（ ． 京 化 工 大 学 ， 京 １ ０ ２ ； ．北 京 石 油 化 工 学 院 ， 京 １ ２ １ ； １北 北 ００９ ２ 北 ０ ６ ７ ３ 北 京 工业 大 学 ， 京 １ ０ ２ ） ． 北 ０ １４
该方 法建立 的模 型速度快 ， 不需要 数据 的 中间转 换， 始Ｃ 原 Ｔ数据 也 不 会 丢失 ， 因此 建立 的模 型 相对 比较准 确 。并 利用 该模 型 分析 人 正 常站 立
件
Ｍｉ ｃ ｌ ． 中 ， 经 过 阀 值 分 割 ｍｉ ０ ０ ｓ
（ｈ ｅｈ ｌｉｇ 、 补 空 洞 （ ａ ｉ ｉ ） 区域 增 ｔ ｒｓ ｏｄｎ ） 填 Ｃ ｖ ｙｆ １ 、 ｔ ｌ 长 （ ｇｏ ｒｗｉｇ 、 算 ３ ｃｌ ｌｔ ３ Ｒｅ ｉｎ ｇ ｏ ｎ ） 计 Ｄ（ ａｃ ａｅ Ｄ） ｕ 后， 还需 要不 断地 重复进 行 以上几 个操 作 ， 目的 是 得 到实 验 需要 的股 骨 部位 ， 需 要 部分 已经 不
人 体股 骨 有 限元 模 型 的 建 模 流 程 如 图 １
所示 。
对体 重 ５ ｇ健康 女性 志 愿 者全 股 骨 进行 Ｏｋ Ｃ Ｔ断层 扫描 ， 得原 始 图片 ， 存 为 ５ ２ １ 取 保 １ ×５ ２
第 ３期
北京 石 油化工 学 院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｉ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｏ ｒ ａ ｆＢｅ ｉｇ Ｉ ｓｉｕ ｅｏ ｊ
Ｐｅ ｒ — ｈｅ ｃ ｌＴｅ ｈ ｌ ｙ ｔ ｏ ｃ ｍｉ ａ ｃ ｎｏ ｏｇ
Ｖｏ － ０ ＮＯ ３ ｌ２ ．
Ｓｅ ２ ２ ｐ． ０１
２１ ０ ２年 ９月
人 体 股 骨 有 限 元 模 型 的 建 立 及 静 力 学 分 析
张 军 文 邓 双 成。 郑 海 洋 孙 涛 孙 立 强 宗大 圣。
（ ． 京 化 工 大 学 ， 京 １ ０ ２ ； ．北 京 石 油 化 工 学 院 ， 京 １ ２ １ ； １北 北 ００９ ２ 北 ０ ６ ７ ３ 北 京 工业 大 学 ， 京 １ ０ ２ ） ． 北 ０ １４
该方 法建立 的模 型速度快 ， 不需要 数据 的 中间转 换， 始Ｃ 原 Ｔ数据 也 不 会 丢失 ， 因此 建立 的模 型 相对 比较准 确 。并 利用 该模 型 分析 人 正 常站 立
件
Ｍｉ ｃ ｌ ． 中 ， 经 过 阀 值 分 割 ｍｉ ０ ０ ｓ
（ｈ ｅｈ ｌｉｇ 、 补 空 洞 （ ａ ｉ ｉ ） 区域 增 ｔ ｒｓ ｏｄｎ ） 填 Ｃ ｖ ｙｆ １ 、 ｔ ｌ 长 （ ｇｏ ｒｗｉｇ 、 算 ３ ｃｌ ｌｔ ３ Ｒｅ ｉｎ ｇ ｏ ｎ ） 计 Ｄ（ ａｃ ａｅ Ｄ） ｕ 后， 还需 要不 断地 重复进 行 以上几 个操 作 ， 目的 是 得 到实 验 需要 的股 骨 部位 ， 需 要 部分 已经 不
人 体股 骨 有 限元 模 型 的 建 模 流 程 如 图 １
所示 。
对体 重 ５ ｇ健康 女性 志 愿 者全 股 骨 进行 Ｏｋ Ｃ Ｔ断层 扫描 ， 得原 始 图片 ， 存 为 ５ ２ １ 取 保 １ ×５ ２
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录第一章绪论 (1)1．1引言 (1)1.2骨折内固定接骨板的国内外研究现状 (1)1.2.1国外研究现状 (1)1.2.2国内研究现状 (2)1.3骨生物力学有限元仿真的研究现状 (2)1.3.1国外研究现状 (2)1.3.2国内研究现状 (3)1.4骨生物力学性能实验的国内外研究现状 (3)1.4.1骨生物力学性能实验的国外研究现状 (3)1.4.2骨生物力学性能实验的国内研究现状 (4)1.5论文的研究目的、内容及章节安排 (4)1.5.1研究目的 (4)1.5.2研究内容 (4)1.5.3章节安排 (4)1.6本章小结 (5)第二章股骨及相关附属结构的简介 (6)2.1股骨的解剖结构 (6)2.2股骨的附属结构 (7)2.2.1膝关节的解剖结构分析 (7)2.2.2髋关节的解剖结构分析 (8)2.3股骨干骨折类型 (8)2.4骨折愈合机制 (9)2.5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 (11)3.1有限元分析的前提 (11)3.2股骨三维模型的建立 (11)3.2.1反求工程的概念 (11)3.2.2股骨模型的建立 (13)3.2.3钛合金接骨板、骨钉模型的建立及与股骨的装配 (17)3.2.4在ANSYS软件内建立股骨骨折系统模型 (17)3.3内固定接骨板系统的有限元分析 (18)3.3.1定义单元类型和材料属性 (18)3.3.2 划分网格 (19)3.3.4加载方式 (21)3.3.5计算求解 (21)3.3.6 后处理 (21)3.3.7有限元分析结果整理 (29)3.3.8 结果分析 (30)3.4 本章小结 (31)第四章股骨愈合的力学实验 (32)4.1电测法的简介 (32)4.1.1电测法的基本概述 (32)4.1.2电测法的特点 (32)4.2电测法在骨生物力学的应用 (32)4.3骨愈合力学实验 (33)4.3.1实验设计 (33)4.3.2实验数据统计 (34)4.4对应有限元分析模型的建立 (35)4.5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 (37)5.1实验数据整理 (37)5.2实验数据与有限元分析数据的比较 (38)5.3本章小结 (40)第六章结论与展望 (41)6.1 结论 (41)6.2展望 (41)参考文献 (42)致谢 (43)第一章绪论1．1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: ①若内侧移位, 则采用屈曲 90°旋前位固定；②若外侧移位, 则采用屈 90°旋后位固定；③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、Geomagic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。