3D打印指骨骨折弹性固定器的研究

摘要

在指骨骨折外固定领域中，为了避免石膏固定透气性差、高分子绷带固定不牢靠、夹板固定压迫边缘皮肤的各自缺陷，本文旨在研究一种符合人体手部生物力学的个性化、不等刚度的弹性外固定器。该外固定器不仅匹配患者手指的形状，而且匹配患者骨折部位，可实现指骨骨折部位的可靠精确固定。
　　本文以拇指远节指骨骨折患者为研究对象，主要研究内容如下：
　　1.拇指模型的三维重建及外固定器模型的设计。需要重建的拇指模型包含拇指骨骼和整个拇指两种三维模型。利用指骨骨折患者的手部CT数据，研究Mimics软件阈值分割方法，快速重建手部骨骼三维模型和整个手的三维模型。为简化计算量，需切割出拇指的骨骼三维模型和整个拇指三维模型。依据整个手的三维模型，在3DMax中设计出个性化、不等刚度、透气的外固定器。
　　2.有限元分析模型的建立。建立三种用于有限元分析的实体模型：拇指骨骼、拇指软组织、外固定器。其中拇指软组织模型是通过实体化之后的拇指骨骼模型和整个拇指模型在有限元软件中做布尔减运算获得。在建模中，手动规划各个模型的 NURBS曲面，并且采用六面体主导划分法划分网格。
　　3.有限元分析。探索不同外力冲击外固定器表面所对骨折部位的应力和形变影响。当49N的外力作用在外固定器1cm2的面上时，尽管骨折部位受到最大值为2.0435Mpa的应力，但其发生的形变很小，可以忽略不计。
　　4.用于成型外固定器的材料及3D打印技术的研究。通过对比TPU、PLA、光敏树脂这三种材料3D打印所成型的外固定器，确定TPU材料选取的正确性。再对比颗粒状和线状TPU所快速成型的外固定器以及所使用的打印机设备，确定线状TPU更佳。最终确定Ultimaker2+型号3D打印机打印线状TPU材料所成型的外固定器最适合于指骨骨折外固定。
　　本研究的外固定器历经从无到有的整个过程，最终快速成型的外固定器实现了透气、可靠固定、穿戴舒适的目标。另外，该外固定器具有确切的生物力学性能指标，即固定器1cm2的面上可承受49N的外力冲击而不会再次对骨折部位造成伤害。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 指骨骨折生物力学研究现状

1.3 指骨骨折外固定器研究现状

1.4 3D打印技术在骨折领域的应用现状

1.5 主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 手指模型三维重建及骨折外固定器模型的建立

2.1 手指解剖结构

2.2 指骨骨折的生物力学特征

2.3 手部功能的评定

2.4 手指模型三维重建

2.5 匹配骨折处外固定器几何模型的建立

2.6 本章小结

第3章 外固定器作用于手指骨折处有限元模型的建立与分析

3.1 有限元分析简介

3.2 用于有限元分析的实体几何模型的建立

3.3 外固定器作用手指骨折处的有限元分析

3.4 本章小结

第4章 3D打印外固定器

4.1 3D打印技术简介

4.2 3D打印技术类型及材料的选取

4.3 外固定器三维实体成型

4.4 外固定器评价

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录