三维空间外固定器结构设计及其性能分析与仿真毕业设计论文.docx
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三维空间外固定器结构设计及其性能分析与仿真毕业设计论文
毕业论文
系（专业）：
机械设计制造及其自动化
题目：
三维空间外固定器结构设计
及其性能分析与仿真
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3）其它
毕业设计（论文）中文摘要
三维空间外固定器结构设计及其性能分析与仿真
摘要：
三维空间外固定器是医学上一种通过将骨连接到体外装置以固定伤肢来治疗骨和关节损伤及矫正骨骼畸形的方法，是治疗骨折、严重的肢体损伤和残缺及重建患肢功能的一种主要手段，广泛应用于现代骨科手术中。
三维空间外固定器通过固定针将骨骼与外固定架固定，通过调节外固定架的位姿来调整骨骼的位姿，把骨骼调整到有利于恢复的位置，从而完成对骨骼的正畸、愈合等治疗。
本文通过查阅相关的中外文献，了解三维空间外固定器的应用背景、研究现状及其发展趋势，拟定三维空间外固定器的结构设计方案并进行总体设计，模拟临床对三维空间外固定器进行位置反解求解，并利用Adams软件进行运动学仿真，对设计的三维空间外固定器利用ANSYS软件进行力学分析。
关键词：
外固定器骨骼Stewart平台分析仿真
毕业设计（论文）外文摘要
TitleThestructuredesignofthethree-dimensionalspace
externalfixatoranditsperformanceanalysisand
simulation
Abstract
3Dexternalfixatorisakindofmedicinebyboneisconnectedtotheexternaldevicetofixtheinjuredlimbtotreatbone,jointdamageandbonedeformitycorrection.Itisamainmeansofthelimbfunctioninpatientswithtreatmentoffractures,severelimbinjury,incompleteandreconstruction,whichiswidelyusedinmodernorthopedicsurgery.3Dexternalfixationlinkinjuredbonetofixedframebypins,andadjustingtheexternalfixatorposetoadjustskeletonspose,theboneisconducivetotherecoveryposition,thuscompletingthetreatmentofskeletalorthopedicandhealing.ThroughaccesstorelevantforeignandChinesedocumenttounderstand3Dfixatorapplicationbackground,researchconditionanddevelopmenttrendofdevelop3Dfixationstructuredesignandoveralldesign,clinicalsimulationof3Dfixationpositioninversesolution,andthekinematicssimulationisdonebythesoftwareofAdams,todesign3DfixationusingANSYSsoftwareformechanicalanalysis.
Keywords：
ExternalfixerBonesStewartAnalysisandsimulation
1绪论
1.1课题提出的背景和意义
外固定是医学上一种通过将骨连接到体外装置以固定伤肢来治疗骨和关节损伤及矫正骨骼畸形的方法，它可以通过调整四肢的某一节段来恢复肢体的长度和排列。
骨外固定是治疗骨折、严重的肢体损伤和残缺及重建患肢功能的一种主要方法。
外固定是外置接骨术（externalosteosynthesis）的同义词。
三维空间外固定器是用于骨科微创矫正肢体先天和创伤后畸形的医用设备，可在三维空间同时矫正肢体的成角、长短，位移和旋转畸形一步到位，也能将残余的畸形二次矫正到位。
外固定在治疗骨折有许多优点。
首先，对于患者的创伤较小，一般只需要有一些小的伤口，对于伤口的感染控制、观察及愈合都有很好的帮助；第二，便于对患者的伤骨、断骨进行固定，可以很好的加快愈合以及减少愈合畸形；第三，便于伤后肌肉以及骨应力的恢复，并能很好地防止由于长期不活动导致的关节僵硬等现象；第四，由于组装操作，操作简单，易于拆除，而且固定装置可以重复利用[1]。
外固定器现多应用于较为严重的骨折、骨骼的畸形矫正等的治疗，现还在骨骼的延长技术中扮演着重要的角色，在一些利用传统的骨伤固定方法不适的病症的应用中有非常良好的前景。
1.2三维空间外固定器的研究和应用现状
外固定器治疗骨折的这一疗法最早是由法国的Malgaigne（1853年）发明的，他设计了爪型外固定器，这一装置可使髌骨骨折复位，同时可以对骨头进行加压固定。
1907年比利时的Labotte使用螺钉在体外固定骨折，这是各个文献中最早关于外固定的报告，这种方法于现在的外固定方法已经十分相似。
1934年Anderson首先使用了骨外固定（externalskeletulfixation）的称法，他使用的外固定器不仅可以治疗骨折，还可以用做骨延长术和关节固定术。
1938年瑞士Hoffmann所用的外固定器在外固定器发展的历史上具有里程碑的意义，他使用的外固定器已经可以进行对各种变形矫正和延长短缩骨骼的功能。
1948年英国的Charnley论证了应用外固定对膝关节融合后进行加压固定，这种加压固定的方法可以使骨折愈合的时间较之前加快二到三倍，在这之后全世界普遍认同并采用加压治疗骨折，同时这也是世界上首先对骨外固定这一方法进行的理论阐述。
最早发表骨延长的是Codivillani（1905年），他的方法是首先将股骨截断，之后利用跟骨牵引将骨头进行延长。
德国的Wagner（1970年）是使用外固定架做骨延长的代表人物，他的方法是在截骨之后用外固定架将骨牵开，然后再对骨头做植骨内固定手术，但是这种骨延长治疗最少需要三次手术才能完成骨延长。
在1970年，意大利的De.Bastiani设计出一种单边、简便、具有伸缩作用的动态外固定架及其骨折动态的外固定理念，在世界范围得到推广[2]。
三维外固定器在国内外的医学领域都得到了很良好的发展，在骨外科的愈合及矫正方面有着很高的地位。
Ilizarov环形外固定器理论是依靠几个固定环作为支架将骨头固定[3]，已被现在的临床实践中广泛的应用。
图1-1Ilizarov环形外固定器
在国内，外固定器也有着不小的进步。
例如吴建强、黄昌林通过设计及临床实践，针对于畸形骨干的矫正，研制了一款半环平面可调式外固定架[4]，主要应用于下肢长管状骨的骨折及畸形矫正。
图1-2改良型镶嵌式骨外固定器
1.3外固定器的分类
目前人们已经研制了许多外固定器，这些外固定器主要分为两型，为针式（pin）和环式（ring）[5]。
其中针式外固定器又可分为简单固定器和钳式固定器，简单固定器依靠单个针起作用，而钳式固定器则是对钢针组进行立体控制，钢针的钳夹通过“万向”关节与支撑杆相连,可在安装后进行调节，其中后者的应用较为广泛。
针式外固定器根据结构可分为四种类型[5]：
分别为单侧单平面构型（单平面半针外固定器）、单侧双平面构型、双侧单平面构型（单平面全针固定器）、双侧双平面构型（四边式外固定器）。
环式外固定器[5]是通过棒或关节部位相连的整环或半环构成。
这些固定器用直径大约1.5至2.0毫米的半针或高张力的钢丝将环与骨头相连，或者多向穿针与环固定。
这种方法可以对骨头进行多面固定，对于骨头的固定较为稳定。
环式固定器不仅可以用于对骨折的治疗，也可以用来做骨头的延长或者骨头的畸形矫正。
此外，还有一种被称为三角式的外固定器[5]，这是一种以单平面双侧外固定器为基础，将固定针和连接杆连接在骨头的矢状面上，是一种介于针式与环式的第三种外固定器。
1.4外固定器的改进方向
外固定器从发明至今，已经有将近二百年的历史了。
人们在不断地改进外固定器，其改动的方向大概可以总结为以下几个方向：
①外固定器机械结构的改进：
逐步改进并采用不同的机械结构，尝试使断骨或伤骨保持静态或者动态的接触，尽量保证骨的力学环境为骨所适宜生长的，同时要求外固定器稳定性好，灵活性高。
②外固定器材料的使用：
外固定器主要是由固定针、固定架和连接杆组成。
固定针是用来连接外固定装置与骨骼的，主要有无螺纹光滑针、中间螺纹针或尖螺纹（Schanz针）等，最近学界对轻基磷灰石（HA）涂层的固定针的研究较多。
外固定架常用金属、有机玻璃板、塑料装置[6]、可透X线的高强度尼龙[7]等材料，而连接杆一般由不锈钢和钛制成，也有碳素合成的连接杆。
③智能化外固定器：
大量临床和实验观察证实了现在骨科医学一个重要的理论：
坚硬固定产生骨折一期愈合，非坚硬固定产生骨折二期愈合，其中力学环境是影响骨折愈合方式的重要特征[8]。
一些学者利用有限元分析的方法对外固定器进行合理的力学规划[8]。
由于骨在不同的生长期需要不同的应力刺激，智能化外固定器可以采取在骨愈合的不同阶段，控制不同的应力来保证骨生长在合适的力学环境中。
国外也曾针对固定针进行了改进，他们将固定针（DistractionNail）后部加入电机与控制器以更高效的控制对骨的应力[9]。
图3Distractionnail装配图
④外固定器治疗与其它疗法相结合：
利用固定器机械固定伤骨断骨，同时结合其他诸如声波疗法、电磁疗法等进行组合治疗，加快骨的恢复周期。
同时，国外还针对断骨的愈合检测进行研究，可以利用超声波对骨骼的愈合情况进行检查[10]，这在未来可能与外固定器结合形成治疗检测一体的技术。
此外，对于外固定器上的检测，国外也曾有过利用荧光镜检测的论述[11]。
骨头的愈合也可以通过检测外固定器的应力来实现，例如利用vonMisesstress[12]对骨折愈合进行检测以及利用骨折轨迹跟踪（FractureTrack）进行检验[13]。
近些年的研究表明，低频振动对于人的成骨细胞的生长有一定的促进作用。
在适当频率的振动中，骨细胞的分化与增殖速率有一定的上升[14]。
在近些年的研究中，机械振动与人骨骼的生长并未与空间固定器有机的结合，这也是未来研究需要去探索的。
1.5本文主要研究内容
本课题需要通过查阅相关的中外文献，了解三维空间外固定器的应用背景、研究现状及其发展趋势；拟定三维空间外固定器的结构设计方案并进行总体设计；进行人体骨骼建模并对三维空间外固定器进行力学分析，进行计算机构位置反解；建立各零部件的三维CAD模型，并进行整体装配；完成三维空间外固定器的运动学仿真。
绘制装配图、零件图；撰写论文。
要求所设计的三维空间外固定器，结构方案合理，图纸表达清晰，绘图符合国家标准。
论文完成外固定器的机构位置反解分析及力学分析。
2泰勒空间外固定器的建模及胫骨的建模及装配
2.1引言
在这一章，本课题需要完成对泰勒空间外固定器的建模装配、人体胫骨的建模以及外固定器与胫骨的总体装配。
本课题对于成人胫骨的建模较为困难，在之后的工作中，本课题需要以真人骨骼为基础进行研究。
而将骨骼通过医学上的手段、计算机手段并最终成为一个可在机械相关软件上进行操作的零件，其工作量应相当巨大。
此外，在这一章中，本课题还需要对泰勒空间外固定器与伊里扎洛夫空间外固定器进行对比，并对泰勒空间外固定器进行较为详细的阐述。
本课题需要通过对泰勒空间外固定器与伊里扎洛夫空间外固定器的对比，较为细致的了解这两个固定器之间的关系及二者之间的相同之处与各自的特点，以达到对骨外固定器有更进一步的了解。
2.2泰勒空间外固定器的介绍
目前关于骨外固定支架的种类繁多，医学临床中常用单边式或环式的外固定架，其中Illizarov支架应用最为广泛。
图2-1Illizarov支架
1994年，美国的J.CharlesTaylor和HaroldS.Taylor将并联机构Stewart平台以及Chasles理论应用于骨外固定，并成功地改良了Illizarov骨外固定器[15]。
泰勒空间骨外固定支架是由六个可伸缩的套杆连接着两个圆环组成。
通过调整这六个可伸缩的套杆的长度，两个圆环之间的位姿就可以相互变换[16]。
将断骨的两端分别与泰勒支架上的两个固定环相连接，即可通过调整固定环来调整骨头的固定及其位姿，从而正确固定调整骨间姿态，完成对骨愈合的治疗。
图2-2泰勒空间骨外固定支架示意图
2.3泰勒空间外固定器与伊里扎洛夫空间外固定器的对比
Illizarov固定架一般用四根螺纹杆串联二至四个环组成，对于肢体畸形的不同以及肢体形态的不同，需要设计不同的框架构型，往往还需要附加一些辅助配件。
而正是由于构型的不同，为了保证完成骨骼的治疗，人们通常需要大量的实验与临床经验，才能设计出适合目标骨骼治疗的具体框架构型。
Illizarov支架多使用较细的克氏针以及橄榄针作为固定架的固定针。
该支架需要考量许多问题，例如使用的钢针数量、钢针的跨距、进针的方向角度以及不同的肢体状况。
这之中的安装过程十分繁琐，在安装过程中需要进行不断地调整，添加、减少构件，变换构型。
泰勒空间固定支架是由六根可以伸缩的支撑杆连接两端的两个环组成，而支撑杆与固定环之间是一种可以调节的非垂直状态。
该结构与钻石晶体的结构形态相类似，即使支撑杆倾斜，杆件也不会承受弯曲应力。
由于引入Stewart机构，故泰勒固定架只需要适当改变空间的位姿就可以完成固定架的调整安装，所以在临床的实践中，泰勒固定架的通用性更为优秀。
Illizarov环式固定架的适应症较为广阔，常用于治疗粉碎性或近关节处的断裂[17]，并广泛应用于非联合、损伤后残留的不重合现象的矫正治疗[18]，对于骨端加压以及股延长这些单方向的畸形矫正有更为良好的表现。
在固定中，四杆的伸缩较为方便，不需要过度计算机的辅助。
而且使用较细的钢针进行固定，用较细的钢针可以保证弹性较为适宜，有利于成骨细胞的生长。
而泰勒支架的构型单一，矫正过程中不需要再次变换支架，学习操作的时间较短，可以同时矫正四维畸形。
泰勒支架轴向强度是Illizarov支架的1.1倍，弯曲强度是Illizarov支架的两倍，扭力强度是Illizarov支架的2.3倍。
然而，泰勒支架的价格也较Illizarov固定架高出许多，故对与泰勒架的普及有一定的限制[15]。
2.4泰勒空间外固定器的结构
泰勒空间外固定架属于模块化拼装，主要由固定环、固定杆、螺纹针、克氏针、万向关节器、四棱立柱、半针衬套、孔针座等零件构成。
根据不同的骨骼以及不同的创伤及畸形状况，医生选择不同的模块组合拼装，对于每一个病例，泰勒空间外固定架都由不同的零件拼装。
2.5胫骨的建模
胫骨平台骨折约占骨折总数的1%，是人体常见的骨折类型[19]。
胫骨位于小腿的内侧[20-21]，在运动中承力较多,可承受1256-1685kg/cm2的压力强度[22]。
人类皮质骨密度平均值约为1.8g/cc[23]。
本次骨外固定的骨骼准备选用胫骨作为实验母体进行装配。
选取直径为2.5mm的克氏针作为全针，直径为5mm的螺纹针作为半针[15]。
想要获得胫骨模型，本课题首先需要用CT扫描设备对成人胫骨进行扫描。
本课题采用的设备为美国GE公司生产的LightSpeed16排多层CT，然后将CT扫描断层数据利用DICOM格式保存下来，并将这些数据导入到交互式医学图像控制系统Mimics10.01软件，并在这个软件中进行医学的图像处理[24]，之后经过逆向工程软件GeomagicStudio12生成实体曲面模型，导入三维绘图软件UG/NX8.5进行曲面处理并生成实体。
2.5.1Mimics10.01软件介绍及操作过程
Mimics是一款在医学上非常著名的交互式的医学影像控制系统软件。
它作为一套高度集成了3D图像生成及编辑处理软件，它能够识别并输入各种扫描后所得到的数据，例如CT、MRI所拍照出的影像，在医学上有极大的用处。
利用这些影像，软件可以建立3D模型进行编辑，自编辑完成后，软件可以输出许多文件格式，如通用的STL格式、SLC格式、IGES格式以及DXF等格式，这些格式可以保证用户在不同的软件之间进行相当规模数据的转换处理工作。
首先先将胫骨的CT扫描文件导入到Mimics10.01中，设置胫骨的视图方向并以适合的的角度显示出来。
利用软件中阈值分割（Threshold）功能选择出本课题想要保留的部分进行选择。
对于骨骼选择，阈值一般在200-3000之间。
通过设置阈值，本课题就可以建立病人胫骨的蒙罩（mask）。
这之后本课题利用蒙罩编辑（EditMasks）功能模块将胫骨周围的噪点和其他骨骼部分擦除，再利用区域增长（Regiongrowth）功能从而使胫骨成为一个单独的蒙罩，并经过三维计算（3DCalculation）即可得到相应的三维模型。
在进行光滑处理获得满意结果后，将胫骨的模型以点云数据（pointcloud）的形式输出出来。
图2-3Mimics处理胫骨模型
2.5.2GeomagicStudio12软件介绍及操作过程
GeomagicStudio是Geomagic公司生产的一款逆向工程软件，该软件可以对任何实物零部件进行扫描，通过扫描点或者通过点云，经过一些操作生成准确的数字模型。
GeomagicStudio软件属于一款自动化逆向工程软件，这款软件可以为客户定制设备，完成即定即造的生产模式，保证客户大批量生产，以及为原始零部件的扫描模拟自动重造。
GeomagicStudio可以完成要求十分严格的的逆向工程、快速还原产品原型以及对产品进行设计的需求。
本课题通过GeomagicStudio可以将之前所采集到的多边形网络和三维扫描数据通过软件的处理和变换，最终生成较为准确的三维参数化的模型，并可以输出许多文件格式，包括IGES、STL、STEP以及Neutral等，以及各种行业所有的标准格式，为用户完美补充了已经拥有的CAD、CAE和CAM工具所不能提供的工作。
将胫骨的模型以点云数据（pointcloud）形式导出后，将点云数据导入到逆向工程软件GeomagicStudio12中进行进一步的加工。
在点云阶段，本课题需要去除点云模型中多余的噪声点、体外孤点以及断开组件连接点，进行表面曲率采样，选择边界并生成多边形阶段；在多边形阶段，本课题需要去除进过点云计算后多余的部分，利用简化命令调整多边形数量，然后对孔进行填充，进行网格医生网格检测并进行钉状物及光滑处理，在胫骨所有外表面均由三角形缝合后可进入精确曲面构建；在曲面阶段，探测并编辑轮廓线，构造并修改曲面片，经过拟合曲面后可以生成最终的胫骨处理模型，将该模型以IGES格式导出。
图2-4点云处理阶段
图2-5多边形处理阶段
图2-6精确曲面处理阶段
2.5.3NX8.5软件介绍及操作过程
UG（UnigraphicsNX）是一款机械及其他学科用来做设计与建模的软件，它集成了CAD/CAM系统，在工程尤其是机械设计与制造中有广泛的应用。
SiemensPLMSoftware公司现已推行了工业4.0，其目的是依托计算机辅助来良好的实现工业生产，而UG正是西门子公司主打的产品。
此外，UG拥有优秀的曲面处理能力，在机械设计制造及曲面造型中都有非常广泛的应用。
将GeomagicStudio12中所生成的IGES格式导入到UG8.5中，可以得到胫骨所包络的曲面，并在软件中生成片体。
将这些片体进行一一缝合并处理重合面或坏面及断面，并最终生成胫骨实体。
图2-7利用UG缝合曲面生成实体
2.6整体的建模与装配
将胫骨模型导入到Creo2.0中与已经建模好的三维空间外固定器按照医学用书及医生的指导进行连接装配，并生成最终的装配。
图2-8Creo2.0总装配图
2.7本章小结
在这一章，本课题主要完成了对泰勒空间外固定器的建模装配、人体胫骨
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