数字化夹板设计及有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.013

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (7): 1052-1056.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.013

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数字化夹板设计及有限元分析

姜自伟¹，黄枫¹，成思源²，郑晓辉¹，孙世栋¹，赵京涛¹，丛海宸²，孙汉桥¹，董航¹

¹广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405；²广东工业大学，广东省广州市 510520

修回日期:2016-10-28 出版日期:2017-03-08 发布日期:2017-04-11
通讯作者: 黄枫，硕士，主任中医师，广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405
作者简介:姜自伟，男，1980年生，山东省临沂市人，博士，副主任中医师，主要从事中医药治疗骨与关节损伤研究。
基金资助:
广州中医药大学第一附属医院创新强院工程：岭南特色诊疗技艺应用与推广(2015JY02)；挖掘与整理传统中医项目(2016ZY04)；国家中医药管理局 2013 年全国名老中医药专家传承工作室建设项目---陈基长全国名老中医药专家传承工作室

Design and finite element analysis of digital splint

Jiang Zi-wei¹, Huang Feng¹, Cheng Si-yuan², Zheng Xiao-hui¹, Sun Shi-dong¹, Zhao Jing-tao¹, Cong Hai-chen², Sun Han-qiao¹, Dong Hang¹

¹Department of Traumatic Orthopedics, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; ²Guangdong University of Technology, Guangzhou 510520, Guangdong Province, China

Revised:2016-10-28 Online:2017-03-08 Published:2017-04-11
Contact: Huang Feng, Master, Chief physician, Department of Traumatic Orthopedics, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Jiang Zi-wei, M.D., Associate chief physician, Department of Traumatic Orthopedics, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the Innovation and Strong Hospital Project Fund of the 1^st Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine: Application and Promotion of Characteristic Diagnosis and Treatment Skills in Lingnan area, No. 2015JY02; Digging and Arranging Traditional Chinese Medicine Project, No. 2016ZY04; the National Famous Traditional Chinese Medicine Experts Heritage Studio Construction Project of State Administration of Traditional Chinese Medicine in 2013.

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

夹板固定法：用扎带或绷带把木板、竹板、硬纸或塑料制成的夹板固定在骨折已复位的肢体上，以利于骨折断端在相对静止的条件下愈合，同时配合以循序渐进的功能锻炼，促进骨折愈合和恢复肢体功能的一种治疗方法。又称夹缚疗法。

摘要

背景：四肢骨折夹板固定是常用的治疗方法，但存在夹板制作无个体化差异，夹板易松脱，患者不能自我调整等弊端。

目的：探索数字化夹板的设计方法及有限元分析。

方法：通过前臂CT扫描，体表数据提取，逆向建模，修饰，制作出数字化夹板模型，并建立前臂及夹板有限元模型，赋予相应的材料属性及力学加载，通过有限元分析计算肢体总体、骨骼、软组织及夹板最大应力及位移。

结果与结论：数字化夹板具有较好的肢体贴服性，对皮肤的压力比较均衡，固定过程中在允许骨折微动的同时较好保持了夹板系统的稳定性。结果表明，通过数字化建模技术可以设计出肢体贴服性强的夹板，并且显示了较好的骨折固定及力学性能。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-5277-6757(姜自伟)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 夹板, 有限元

Abstract:

BACKGROUND: Splint fixation was a common treatment for limb fracture, but there were some limitations, such as lack of individual difference, easy to lose and being unable to self-adjusting.

OBJECTIVE: To explore the design method of digital splint and related finite element analysis.

METHODS: Forearms were scanned with CT; periphery parameters were extracted, followed by reverse modeling and modifying. The digital splint models were constructed. Material attribute and mechanical loading were conducted. The limb length, maximum stress and displacement of the bone, soft tissue and splint were calculated by finite element analysis.

RESULTS AND CONCLUSION: The digital splint has favorable tight attaching and balanced stress to skin, and which keeps well stability for the micro-motion fracture ends. Our study indicated that better tight attaching splint could be designed by digital modeling technology. Favorable fracture fixation and mechanical property could be also achieved.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Digitization, Splints, Finite Element, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

姜自伟，黄枫，成思源，郑晓辉，孙世栋，赵京涛，丛海宸，孙汉桥，董航. 数字化夹板设计及有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1052-1056.

Jiang Zi-wei, Huang Feng, Cheng Si-yuan, Zheng Xiao-hui, Sun Shi-dong, Zhao Jing-tao, Cong Hai-chen,Sun Han-qiao, Dong Hang. Design and finite element analysis of digital splint[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1052-1056.

图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元模型的建立及分析。

1.2 时间及地点 实验于2016年4至6月在广州中医药大学骨科实验室完成。

1.3 对象 年轻女性志愿者1名，年龄28岁，身高160 cm，体质量60 kg，身体健康，无骨关节疾病，及重大创伤史，志愿者签署知情同意书。

1.4 方法

1.4.1 三维有限元模型的建立及夹板设计用东芝64排螺旋CT对患者右侧前臂进行薄层扫描，扫描厚0.5 mm，所有图像用DICOM格式保存,应用Mimics14.0软件和解剖学专业知识半自动分离密质骨、松质骨、骨髓腔及软组织确定图像。

得到前臂三维模型利用Geomagic软件软件进行模型的实体化，导入 ANSYS 14.5进行网格优处理。通过包裹、光滑等工具对模型进行光顺，使用自动划分工具对光顺后的模型进行面网格划分，进一步优化三维模型。在此基础上，利用优化后的面网格生成体网格，得到理想的有限元模型。

在solidworks软件中将三维模型进行配准对齐，制作4片式夹板及3条扎带模型(图1)，并按照传统夹板形状及尺寸做出四片式直夹板模型(图2)，做出桡骨远端伸直型骨折效果(图3)，骨折特点为关节面下3 cm平面截骨，骨折线从掌远侧到背近侧，骨折远端分别向桡背侧移位3 mm，通过布尔运算得到无干涉模型。

1.4.2 定义材料属性^[3] 见表1。

1.4.3 网格划分将三维有限元模型导入ANSYS 14.5有限元分析软件，划分四面体单元，以提高数值计算的精度，模型共划分为203 697个单元，328 211个节点(图4)。

1.4.4 加载及约束^[4]：固定软组织前后两端，设定骨折端摩擦系数为0.1，通过扎带给夹板施加8 N的力，进行有限元分析(图5)。

1.5 主要观察指标 通过有限元分析计算肢体总体、骨骼、软组织及夹板最大应力及位移。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

3.1 小夹板固定的优势与不足 小夹板外固定治疗四肢骨折，不仅透气性强，松紧度可随肢体肿胀程度调整，而且允许早期活动。从肢体的生理功能出发，根据肢体的动态平衡原理，以夹板、扎带及压垫等装置组成外固定系统，通过扎带对夹板的约束力，压垫对骨折断端防止或矫正成角畸形及侧方移位的效应力，并充分利用肢体肌肉收缩活动时所产生的内在动力，来对抗骨折断端移位的倾向，使肢体内部动力因骨折所致的不平衡重新恢复到平衡^[5]。夹板固定后，通过扎带、夹板、压垫的综合作用，能控制造成骨折端成角、旋转、分离等再移位的活动，又保留纵向挤压以利骨折愈合的活动。通过在原成角侧及对侧的上下两面共三点加压垫防止骨折端再次成角以及发生与原移位方向一致的移位等。固定的同时，上肢各关节可以进行早期功能锻炼，肌肉收缩产生的应力与扎带产生的压力，作用于骨折端，产生纵向挤压，促进血液循环及成骨^[6]，加快骨折愈合^[7]，充分体现了“动静结合”的原则^[8-9]。

目前夹板固定治疗四肢骨折虽然应用广泛，但仍然存在一些问题^[10]。目前临床所用夹板的可塑性较差，无法做到因人、因肢体形状而异，贴服度不高，导致夹板对肢体的压应力分布不均，不仅对骨折再移位控制性较低，也容易产生压疮。

扎带以无弹性的绷带为主，且捆扎力度无法定量，具有主观性，不利于掌握和推广。过松会减低固定效能，容易引起骨折再移位，而过紧则容易导致肢体缺血。在治疗过程中，因锻炼，肢体消肿等原因夹板容易移位松脱，影响治疗效果。

3.2 夹板的数字化建模及制作 针对夹板制作无法个体化，扎带压力主观化，夹板容易松脱，患者不能自我调整等弊端。通过逆向建模^[11-12]，数字化设计3D打印^[13-15]，有限元分析等技术的合理应用^[16]，可以解决夹板所面临的问题，从而为夹板设计指出的新方向。

随着制造业以及计算机科学的迅猛发展，逆向工程技术受到了学术界和工业界越来越多的重视，已成为引领CAD/CAM领域发展的方向^[17]。逆向工程就是根据已有的产品实物、样件或原型，生成产品的三维数字化模型，然后在数字模型的基础上进行生产加工或者二次开发，实现创新。目前可以通过激光扫描仪及CT扫描对物体表面进行扫描，获取点云数据，然后将点云数据导入数字化逆向建模软件Geomagic Design Direct中进行处理，完成物体CAD实体模型重建，经剪裁修饰等处理后，实现快速制造^[18]。

由于肢体的组织构成复杂，外表变化大，通过体表扫描所获得的模型不能直接应用。比如肢体表面的静脉凸起会直接影响夹板模型的形状，若不进行合理修饰将导致更大的不匹配。并且对于骨折患者都进行扫描及个体化制作也是不可行的。因此模型的设计关键就是要做到统一的个性化，就是根据不同性别不同年龄段肢体的体表类型，抓住关键解剖特点进行合理化修饰，使其适应更加广发的人群，从而有利于不同型号的批量生产，方便临床使用。本例夹板在设计时也进行了经剪裁修饰等处理。

将逆向工程及3D打印技术运用于小夹板设计制作之中，不仅能让夹板的贴服性更强，达到完美的个性化设计，而且还能根据夹板对骨折端压力的特点，制造更符合生物力学的数字化夹板。既从材料上符合可塑性大、韧性强、力学强度高等多重条件，又在舒适度上得到大幅提高，必然带给患者更加良好的治疗效果。

3.3 有限元分析 有限元分析是现代计算力学中较常用的计算分析方法^[19]。它是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，它可以将不同组织结构根据不同的物理性质划分成多个小单元,然后对不同单元施加特定的力学条件,然后根据需求可以得出不同的直观图像。有限元可以完成很多实体实验无法完成的计算，从而对多种物理模型进行合理的设计，改进。有限元不仅计算精度高，而且直观、形象能适应各种复杂形状，因而逐渐成为行之有效的生物力学研究手段^[20]。夹板固定的有限元研究国内外进行极少，软组织材料的属性区分是非常重要的，如果将皮肤，脂肪，肌肉，血管神经等组织进行一一区分的化，不但计算量大，其不规则性也会成为网格划分的难题，这样反而容易出现计算失败和错误。将所有软组织简化为同一材料，使之单纯与松质骨，皮质骨及夹板相互作用，反而能够得到更好的趋势结果。

通过本有限元分析发现，个体化夹板在捆绑和功能锻炼的过程中具有较好的体表贴服度，并且不容易形成皮肤表面的应力集中，皮肤最大应力为0.007 MPa，小于压疮产生所需要的压力^[21]，可以减少压疮的发生，而传统夹板固定是应力集中明显，容易产生压疮。同时在固定的过程中，数字化夹板固定骨折间的最大位移仅为0.021 mm，小于传统夹板，有利于骨折的稳定，该微动范围也小于骨折生成骨痂所要求的的1%的骨应变范围，这种微动有利于骨折的愈合^[22-23]，这也符合中医动静结合的理念。由于夹板的贴服度高，在肢体活动过程中夹板的位移较小，整体的稳定性，降低了夹板及扎带松脱的概率。

3.4 展望 数字化夹板与移动医疗App：随着信息与通信技术的高速发展，移动智能终端、无线通信网络、生物医疗传感器等技术的兴起，使移动医疗成为交叉学科应用的研究热点。以Android平台为依托，基于即时通信方案，通过相关 App云服务平台^[24]，既实现体征检查及个性化监测，又可完成在线诊疗即时通信及海量信息的云计算功能为一体的移动医疗服务平台，为大众群体提供一种多功能、实时监测、即时性、交互式的医疗保健服务^[25-26]。目前数字化夹板设计可结合无线通信技术和医疗传感器检测技术，实现对多项生理参数的远程医疗监测。结合夹板的移动医疗App，可以在夹板上安装压力传感器及蓝牙发射器，并设计与夹板固定后功能锻炼的相关的App软件，来记录功能锻炼的次数、幅度，锻炼过程中夹板捆绑压力变化等信息。通过这些技术，在手机移动端便显示压敏片读数，按安全范围设置提示；通过周期性压力变化记录活动次数；同时结合有限元分析结果，模拟断端血供、断端移位趋势，实时监测骨折端移位情况；将信息上传云端，进行云计算，获得大数据，实现康复锻炼的安全可视化监测。作者目前对该技术研究也初见成效。

结语：手法复位夹板固定技术具有很好的临床疗效，其本身所存在的缺点也不容忽视。如何发扬夹板的优势，并着力解决其存在的问题是中医骨科人的责任。广泛涉猎不同的学科领域，用现代技术及思维解决夹板治疗存在的问题，走医工结合的道路是很有前景的。研究设计和制作的夹板目前正在开展临床应用研究，其不足之处还有待进一步研究和改进，这也将是下一步工作的重点。同时夹板固定的有限元研究目前开展还比较少，研究在条件设置上较多的参考了实体实验的数据，因此有限元研究的定性应力及移位趋势较定量数据更有意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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