一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法

1.本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法。


背景技术：

2.骨折是一种常见的损伤，据统计，每年都有数百万甚至数千万的人发生骨折。胫骨是人体下肢中重要的承担运动和承重功能的骨骼之一，胫骨骨折以骨干骨折最为常见，胫骨干骨折可以分为简单骨折、复杂骨折、粉碎骨折。骨折固定的目的是使骨折部位对齐恢复其稳定性，进而使骨折能够愈合，并减少对周围组织的损伤。对于粉碎性骨折和复杂骨折需要手术进行治疗，而使用植入物固定骨折是手术中最常见的，骨折固定有利于保持适当的骨骼排列和基本功能。临床上骨折固定主要有两种方式，即内固定和外固定。目前，对于内固定的研究越来越多，并取得了很大的收获，但是采用内固定治疗骨折时存在不足，如接骨板和髓内钉都会破坏骨折处的血供、对骨折处产生应力遮挡、影响关节活动且需要二次手术取出内植入物等情况。而单侧外固定器治疗胫骨骨折具有较高的安全性、对组织损伤小、医疗费用低、避免了二次手术的痛苦等优点，但目前对于单侧外固定器治疗骨折的生物力学研究较少。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决骨折固定器的生物力学研究中没有计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，本发明实现发明目的采用如下技术方案：
4.本发明的目的通过下述技术方案实现一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
5.步骤一、三维几何模型的建立；
6.步骤二、将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场；
7.步骤三、对导入的三维几何模型进行装配处理；
8.步骤四、对导入的三维几何模型添加材料属性；
9.步骤五、对导入的三维几何模型进行网格划分；
10.步骤六、对导入的三维几何模型添加弹簧单元；
11.步骤七、对导入的三维几何模型添加边界条件；
12.步骤八、在步骤七的基础上，进行有限元仿真；
13.步骤九、在步骤一至步骤八的基础上，对仿真结果进行后处理，得到外固定器的稳定性。
14.本发明的有益效果体现在：
15.1. 一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，通过构建仿真方法，可以对建立的仿真模型进行多次重复实验，减少真实的生物实验，节省人力物力成
本，提高效率。
16.2. 通过构建仿真方法，可以对医生制定最优的治疗方案提供指导，进而得到更好地治疗效果。
附图说明
17.图 1 是骨折几何模型建立的流程图；
18.图 2 是本发明建立的长骨骨折线性外固定器仿真模型示意图；
19.图中：1-第一长骨、2-第一固定针、3-空心金属杆、4-第二固定针、5-第三固定针、6-第四固定针、7-第二长骨
实施方式
20.具体实施方式一：本实施方式的一种超声传感器监测的骨折愈合仿真方法具体是按照以下步骤进行的：
21.步骤一、三维几何模型的建立；
22.步骤二、将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场；
23.步骤三、对导入的三维几何模型进行装配处理；
24.步骤四、对导入的三维几何模型添加材料属性；
25.步骤五、对导入的三维几何模型进行网格划分；
26.步骤六、对导入的三维几何模型添加弹簧单元；
27.步骤七、对导入的三维几何模型添加边界条件；
28.步骤八、在步骤七的基础上，进行有限元仿真；
29.步骤九、在步骤一至步骤八的基础上，对仿真结果进行后处理，得到外固定器的稳定性。
30.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中三维几何模型的建立；具体过程为：
31.1) 所述的三维几何模型主要包括第一长骨，第二长骨，第一固定针，第二固定针，第三固定针，第四固定针，空心金属杆；
32.2) 使用建模软件进行建模并保存，保存格式为sldprt。
33.其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
34.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场；具体过程为：
35.1) 将经过步骤一处理过的三维几何模型导入仿真软件；
36.2) 添加固体力学场；
37.其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
38.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三对导入的三维几何模型进行装配处理；具体过程为：
39.1) 第一固定针和第一长骨相连；
40.2) 第二固定针和第一长骨相连；
41.3) 第三固定针和第二长骨相连；
42.4)第四固定针和第二长骨相连；
43.5)第一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针分别和空心金属杆相连；
44.其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
45.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中对三维几何模型添加材料属性；具体过程为：
46.1)对于第一长骨和第二长骨，添加弹性材料的材料属性；
47.2)对于第一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针和空心金属杆都选择仿真软件中金属材料中对应的材料属性；
48.其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
49.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中对导入的三维几何模型进行网格划分；具体过程为：
50.1)在设置网格大小时，将一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针和空心金属杆的网格全局尺寸都设置为0.5；
51.2)在设置网格大小时，将第一长骨和第二长骨的网格全局尺寸都设置为1；
52.其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
53.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤六中对导入的三维几何模型添加弹簧单元；具体过程为：
54.对于第一长骨，第一固定针与第一长骨相连接的位置到第一长骨的顶部，将这中间部分当作一个弹簧，称为第一弹簧，记作n1，第一固定针与第一长骨相连接的位置到第二固定针与第一长骨相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第二弹簧，记作n2；对于第二长骨，第三固定针与第二长骨相连接的位置到第四固定针与第二长骨相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第三弹簧，记作n3，第四固定针与第二长骨相连接的位置到第二长骨的底部，将这中间部分当作一个弹簧，称为第四弹簧，记作n4；对于空心金属杆，第一固定针与空心金属杆连接的位置到第二固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第五弹簧，记作s1，第二固定针与空心金属杆连接的位置到第三固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第六弹簧，记作s2，第三固定针与空心金属杆连接的位置到第四固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第七弹簧，记作s3；将第一固定针当作一个弹簧，称为第八弹簧，记作p1，将第二固定针当作一个弹簧，称为第九弹簧，记作p2，将第三固定针当作一个弹簧，称为第十弹簧，记作p3，将第四固定针当作一个弹簧，称为第十一弹簧，记作p4；
55.将第二弹簧n2和第九弹簧p2串联起来，称为第一串联弹簧，将第五弹簧s1和第八弹簧p2串联起来，称为第二串联弹簧，将第三弹簧n3和第十弹簧p3串联起来，称为第三串联弹簧，将第七弹簧s3和第十一弹簧p4串联起来，称为第四串联弹簧；
56.将第一串联弹簧和第二串联弹簧并联起来，称为第一并联弹簧，将第三串联弹簧和第四串联弹簧并联起来，称为第二并联弹簧；
57.将整个三维几何模型看作是一个弹簧系统，由第一弹簧n1、第一并联弹簧、第六弹簧s2、第二并联弹簧和第四弹簧n4分别按顺序串联起来，可以得到整体系统的刚度公式为公式(1)：
58.(1)
59.式中，为整体系统的刚度，为第一弹簧n1的刚度，为第一并联弹簧的刚度，为第六弹簧s2的刚度，为第二并联弹簧的刚度，为第四弹簧n4的刚度；
60.对于第一并联弹簧，其刚度公式为公式(2)：
61.(2)
62.式中，为第一并联弹簧的刚度，为第二弹簧n2的刚度，为第五弹簧s1的刚度，为第八弹簧p1的刚度，为第九弹簧p2的刚度；
63.对于第二并联弹簧，其刚度公式为公式(3)：
64.(3)
65.式中，为第二并联弹簧的刚度，为第三弹簧n3的刚度，为第七弹簧s3的刚度，为第十弹簧p3的刚度，为第十一弹簧p4的刚度；
66.基于此，对三维几何模型的第一弹簧n1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(4)：
67.(4)
68.式中，为第一弹簧n1的刚度，为第一长骨的弹性模量，为第一长骨的横截面积，为第一弹簧n1的长度；
69.对三维几何模型的第二弹簧n2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(5)：
70.(5)
71.式中，为第二弹簧n2的刚度，为第一长骨的弹性模量，为第一长骨的横截面积，为第二弹簧n2的长度；
72.对三维几何模型的第三弹簧n3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(6)：
73.(6)
74.式中，为第三弹簧n3的刚度，为第二长骨的弹性模量，为第二长骨的横截面积，为第三弹簧n3的长度；
75.对三维几何模型的第四弹簧n4添加弹簧单元，其刚度公式为公式(7)：
76.(7)
77.式中，为第四弹簧n4的刚度，为第二长骨的弹性模量，为第二长骨的横截面积，为第四弹簧n4的长度；
78.空心金属杆的惯性矩的计算公式为(8)：
79.(8)
80.式中，为空心金属杆的惯性矩，为空心金属杆的外径，为空心金属杆的内径；
81.对三维几何模型的第五弹簧s1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(9)：
82.(9)
83.式中，为第五弹簧s1的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯性矩，为第五弹簧s1的长度；
84.对三维几何模型的第六弹簧s2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(10)：
85.(10)
86.式中，为第六弹簧s2的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯
性矩，为第六弹簧s2的长度；
87.对三维几何模型的第七弹簧s3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(11)：
88.(11)
89.式中，为第七弹簧s3的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯性矩，为第七弹簧s3的长度；
90.对三维几何模型的第八弹簧p1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(12)：
91.(12)
92.式中，为第八弹簧p1的刚度；
93.对三维几何模型的第九弹簧p2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(13)：
94.(13)
95.式中，为第九弹簧p2的刚度；
96.对三维几何模型的第十弹簧p3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(14)：
97.(14)
98.式中，为第十弹簧p3的刚度；
99.对三维几何模型的第十一弹簧p4添加弹簧单元，其刚度公式为公式(15)：
100.(15)
101.式中，为第十一弹簧p4的刚度；
102.其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
103.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤七中对导入的三维几何模型添加边界条件；具体过程为：
104.1)在第一长骨的顶部添加均布压力；
105.2)在第二长骨的底部添加固定约束。
106.其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
107.在本仿真方法中，第一固定针和第二固定针的距离、第二固定针和第三固定针的距离、
108.第三固定针和第四固定针的距离都是可改变的，医生可随时改变这些距离来计算不同的线性外固定器配置的稳定性，以达到选择最优的线性外固定器配置的目的。
109.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
110.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、三维几何模型的建立；步骤二、将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场；步骤三、对导入的三维几何模型进行装配处理；步骤四、对导入的三维几何模型添加材料属性；步骤五、对导入的三维几何模型进行网格划分；步骤六、对导入的三维几何模型添加弹簧单元；步骤七、对导入的三维几何模型添加边界条件；步骤八、在步骤七的基础上，进行有限元仿真；步骤九、在步骤一至步骤八的基础上，对仿真结果进行后处理，得到外固定器的稳定性。2.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤一中三维几何模型的建立，所述的三维几何模型主要包括第一长骨，第二长骨，第一固定针，第二固定针，第三固定针，第四固定针，空心金属杆；所述步骤一中三维几何模型建立的具体过程为，使用建模软件进行建模并保存，保存格式为sldprt。3.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤二中将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场，具体过程为：1) 将经过步骤一处理过的三维几何模型导入仿真分析软件；2) 添加固体力学场。4.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤三中对导入的三维几何模型进行装配处理，具体过程为：1) 第一固定针和第一长骨相连；2) 第二固定针和第一长骨相连；3) 第三固定针和第二长骨相连；4) 第四固定针和第二长骨相连；5) 第一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针分别和空心金属杆相连。5.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤四中对导入的三维几何模型添加材料属性，具体过程为：1) 对于第一长骨和第二长骨，添加弹性材料的材料属性；2) 对于第一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针和空心金属杆都选择仿真软件中金属材料中对应的材料属性。6.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤五中对导入的三维几何模型进行网格划分，具体过程为：1) 在设置网格大小时，将第一固定针、第二固定针、第三固定针、第四固定针和空心金属杆的网格全局尺寸都设置为0.5；2) 在设置网格大小时，将第一长骨和第二长骨的网格全局尺寸都设置为1。7.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方
法，其特征在于：所述步骤六中对导入的三维几何模型添加弹簧单元，具体过程如下：对于第一长骨，第一固定针与第一长骨相连接的位置到第一长骨的顶部，将这中间部分当作一个弹簧，称为第一弹簧，记作n1，第一固定针与第一长骨相连接的位置到第二固定针与第一长骨相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第二弹簧，记作n2；对于第二长骨，第三固定针与第二长骨相连接的位置到第四固定针与第二长骨相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第三弹簧，记作n3，第四固定针与第二长骨相连接的位置到第二长骨的底部，将这中间部分当作一个弹簧，称为第四弹簧，记作n4；对于空心金属杆，第一固定针与空心金属杆连接的位置到第二固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第五弹簧，记作s1，第二固定针与空心金属杆连接的位置到第三固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第六弹簧，记作s2，第三固定针与空心金属杆连接的位置到第四固定针与空心金属杆相连接的位置，将这中间部分当作一个弹簧，称为第七弹簧，记作s3；将第一固定针当作一个弹簧，称为第八弹簧，记作p1，将第二固定针当作一个弹簧，称为第九弹簧，记作p2，将第三固定针当作一个弹簧，称为第十弹簧，记作p3，将第四固定针当作一个弹簧，称为第十一弹簧，记作p4；将第二弹簧n2和第九弹簧p2串联起来，称为第一串联弹簧，将第五弹簧s1和第八弹簧p1串联起来，称为第二串联弹簧，将第三弹簧n3和第十弹簧p3串联起来，称为第三串联弹簧，将第七弹簧s3和第十一弹簧p4串联起来，称为第四串联弹簧；将第一串联弹簧和第二串联弹簧并联起来，称为第一并联弹簧，将第三串联弹簧和第四串联弹簧并联起来，称为第二并联弹簧；将整个三维几何模型看作是一个弹簧系统，由第一弹簧n1、第一并联弹簧、第六弹簧s2、第二并联弹簧和第四弹簧n4分别按顺序串联起来，可以得到整体系统的刚度公式为公式(1)：(1)式中，为整体系统的刚度，为第一弹簧n1的刚度，为第一并联弹簧的刚度，为第六弹簧s2的刚度，为第二并联弹簧的刚度，为第四弹簧n4的刚度；对于第一并联弹簧，其刚度公式为公式(2)：(2)式中，为第一并联弹簧的刚度，为第二弹簧n2的刚度，为第五弹簧s1的刚度，为第八弹簧p1的刚度，为第九弹簧p2的刚度；对于第二并联弹簧，其刚度公式为公式(3)：(3)式中，为第二并联弹簧的刚度，为第三弹簧n3的刚度，为第七弹簧s3的刚度，为第十弹簧p3的刚度，为第十一弹簧p4的刚度；基于此，对三维几何模型的第一弹簧n1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(4)：(4)式中，为第一弹簧n1的刚度，为第一长骨的弹性模量，为第一长骨的横截面积，为第一弹簧n1的长度；对三维几何模型的第二弹簧n2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(5)：
(5)式中，为第二弹簧n2的刚度，为第一长骨的弹性模量，为第一长骨的横截面积，为第二弹簧n2的长度；对三维几何模型的第三弹簧n3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(6)：(6)式中，为第三弹簧n3的刚度，为第二长骨的弹性模量，为第二长骨的横截面积，为第三弹簧n3的长度；对三维几何模型的第四弹簧n4添加弹簧单元，其刚度公式为公式(7)：(7)式中，为第四弹簧n4的刚度，为第二长骨的弹性模量，为第二长骨的横截面积，为第四弹簧n4的长度；空心金属杆的惯性矩的计算公式为(8)：(8)式中，为空心金属杆的惯性矩，为空心金属杆的外径，为空心金属杆的内径；对三维几何模型的第五弹簧s1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(9)：(9)式中，为第五弹簧s1的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯性矩，为第五弹簧s1的长度；对三维几何模型的第六弹簧s2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(10)：(10)式中，为第六弹簧s2的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯性矩，为第六弹簧s2的长度；对三维几何模型的第七弹簧s3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(11)：(11)式中，为第七弹簧s3的刚度，为空心金属杆的弹性模量，为空心金属杆的惯性矩，为第七弹簧s3的长度；对三维几何模型的第八弹簧p1添加弹簧单元，其刚度公式为公式(12)：(12)式中，为第八弹簧p1的刚度；对三维几何模型的第九弹簧p2添加弹簧单元，其刚度公式为公式(13)：(13)式中，为第九弹簧p2的刚度；对三维几何模型的第十弹簧p3添加弹簧单元，其刚度公式为公式(14)：(14)式中，为第十弹簧p3的刚度；对三维几何模型的第十一弹簧p4添加弹簧单元，其刚度公式为公式(15)：
(15)式中，为第十一弹簧p4的刚度。8.根据权利要求1所述的一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法，其特征在于：所述步骤七对导入的三维几何模型添加边界条件，具体过程为：1)在第一长骨的顶部添加均布压力；2)在第二长骨的底部添加固定约束。

技术总结
本发明涉及一种基于弹簧的计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法。本发明的目的是为了解决骨折固定器的生物力学研究中没有用基于弹簧的方式来计算长骨骨折线性外固定器稳定性的仿真方法。一、三维几何模型的建立；二、将得到的三维几何模型导入到仿真分析软件中并添加相关物理场；三、对导入的三维几何模型进行装配处理；四、对导入的三维几何模型添加材料属性；五、对导入的三维几何模型进行网格划分；六、对导入的三维几何模型添加弹簧单元；七、对导入的三维几何模型添加边界条件；八、在步骤七的基础上，进行有限元仿真；九、在步骤一至步骤八的基础上，对仿真结果进行后处理，得到外固定器的稳定性。本发明用于生物医学工程领域。学工程领域。


技术研发人员：王沫楠 彭梓林
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/6