蘇侃臺灣大學：機械工程學研究所羅至倫2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61609臨床報告中可發現，骨髓內釘系統常因為高度應力集中的影響發生失效，甚至因此產生疲勞斷裂，尤其在第一螺絲孔與鎖固螺絲處。本研究嘗試發展出一種新的骨髓內釘，以解決這個植入物相關的問題。新設計增加了骨髓內釘的遠端部分壁厚，以提升遠端螺絲孔的疲勞強度以對抗應力集中，並且在孔處加入圓或導角和加大了螺絲孔徑以提升打入鎖固螺絲的便利性。針對導槽與螺絲孔相切而導致的應力集中情形，提出重新安排骨髓內釘上的導槽位置，使之避開螺絲孔邊緣，以此解決這樣的狀況。最後，關於這些新設計的機械性質的優勢將由有限元素分析以及生物力學實驗來做驗證。 在有限元素分析中，首先評估於分析模型中加入肌肉集中力的影響，希望由此建構出更符合生理學的模型受力條件。接著驗證各項骨髓內釘新設計的改變參數（包括壁厚、導槽位置、孔尺寸、圓導角設計等）。研究中發現額外肌肉力的施加，會使得分析得到之模型上的應力分布結果更符合文獻報告。有限元素分析也驗證了之前提到的假設包括增加遠端壁厚、改變導槽位置、於孔處增加圓或導角等都能有效的降低於孔及螺絲處發生的集中應力。 進行生物力學實驗之前，於骨髓內釘遠端以螺絲固定，並在頂端施加一垂直壓力，這方法用來測試管件的遠端疲勞行為。根據目前的研究，在100~2000N負載下經過400000周期後，依然未在螺絲孔周圍發現可見的裂痕。因此，文獻中觀察到的高比例的在遠端螺絲孔的破壞現象，主要應該來至於螺絲植入時造成的破壞而非體重造成的內力。但是，實驗中使用了較短的管，或釵]此限制了遠端螺絲和螺絲孔的彎曲應力。因此，關於機械失效、外科手術過程以及實驗設計間的關連性是植德在未來被探討的課題。Clinical reports have showed that the interlocking nailing system often fails in response to the highly concentrated stress and subsequent fatigue cracking, especially at first distal nail-holes and screws. The current study tried to develop a new interlocking nail to eliminate such a device-related problem. The new design was with thicken wall-thickness at the distal portion to increase the fatigue resistance of the distal nail-holes to the stress concentration, thus the fillet (chamfer) or enlargement of the nail-holes may be possible to facilitate the entrance of the locking screw. The stress interference at the intersections between the slots and nail-holes were also discarded by the rearrangement of the slots on the nail surface to keep away from the nail-hole edges. The self-evident advantages of the new design were to be validated by finite element analysis and biomechanical experiments. For the finite element analysis, the mechanical influences of the muscular contractions on the femur-nail-screw construct were firstly evaluated to constitute the more physiologically reasonable loading condition. Then the parametric analysis of the design factors (e.g. nail-hole wall-thickness, slot location, nail-hole size, fillet at nail-hole edges) for the new interlocking nail was performed. The present study revealed that addition of the muscular contractions made the stress-distributing pattern of the femur-nail-screw construct more consistent with the reported studies. The predicted results of the finite-element study also supported the aforementioned postulations that the increase in distal nail-thickness, location arrangement of nail slots, and the fillet (chamfer) at the nail-hole edges significantly decrease the concentrated stress around nail-holes and screws. In prior to biomechanical experiments, the fatigue behavior of the intruded nail at the distal portion was estimated by vertically compressing the medially inclined nail that was distally interlocked by the screw. In the current study, up to 400,000 cyclic compression ranging from 100 to 2000 N still made no any visible crack at the circumference of the nail-holes. Hence, the reported high failure rate at the distal nail-holes may be mainly attributed to the surface damage during the screw insertion rather than only the internal stressing by body weight. However, the shorter nail used in the tests may restrain the bending moment to the distal nail-holes and screw and thus protect them. Hence, the further works are worthy done to clarify the relations between the mechanical failure, surgical procedure, and experiment design.致謝……………………………………………………………………I 中文摘要………………………………………………………………III 英文摘要……………………………………………………………V 目錄……………………………………………………………………VII 圖表索引………………………………………………………………X 第一章 緒論………………………………………………………………1 1.1 研究動機與目的…………………………………………………1 1.2 新概念股骨內釘-設計、製造、測試與分析……………………2 1.2.1 設計………………………………………………………2 1.2.2 製造………………………………………………………4 1.2.3 測試與分析………………………………………………5 1.3 股骨解剖構造簡介………………………………………………5 1.4 骨折型態簡介…………………………………………………6 1.5長骨骨折的治療-骨釘骨板與骨髓內釘於之優缺點…………8 1.6鎖定式骨髓內釘發展與應用簡介……………………………9 1.7以股骨骨髓內釘治療骨折過程簡介…………………………10 1.8文獻回顧………………………………………………………13 1.9本文架構………………………………………………………15 第二章 研究設備及方法………………………………………………17 2.1有限元素法分析………………………………………………17 2.1.1有限元素法簡介…………………………………………17 2.1.2電腦輔助有限元素分析…………………………………19 2.1.2.1架構分析模型…………………………………19 2.1.2.2給定材料性質……………………………………21 2.1.2.3 給定邊界條件與接觸條件……………………21 2.1.2.4 對模型進行網格化……………………………23 2.1.2.5 進行分析………………………………………24 2.2試件加工與實驗測試…………………………………………25 2.2.1 分段壁厚試件加工……………………………………25 2.2.1.1雷射焊接…………………………………………25 2.2.1.2 套管擠製…………………………………………27 2.2.2 強度測試………………………………………………28 2.2.2.1 孔疲勞強度測試…………………………………28 2.2.2.2三點彎曲強度測試………………………………29 第三章 結果……………………………………………………………30 3.1 有限元素分析結果…………………………………………30 3.1.1 肌肉力分析結果………………………………………30 3.1.2 新設計分析結果………………………………………30 3.2 實驗測試結果………………………………………………32 3.2.1 分段厚度之試件加工…………………………………32 3.2.2三點彎曲強度測試………………………………………32 第四章 討論……………………………………………………………34 4.1.1肌肉力分析討論…………………………………………34 4.1.2新設計討論………………………………………………36 4.2 實驗分析討論………………………………………………40 4.2.1 厚度改變管件之加工…………………………………40 4.2.2 強度測試討論…………………………………………41 第五章 結論與未來展望………………………………………………43 5.1 綜合結論……………………………………………………43 5.2未來展望與建議………………………………………………44 參考文獻……………………………………………………………46 附圖與表………………………………………………………………50 圖表索引 表2-1施加之負載條件………………………………………………50 表2-2網格化各零組件網格細部控制參數設定……………………50 圖1-1人體各部分常見骨折示意圖……………………………………51 圖1-2 股骨骨折與植入髓內釘X光圖………………………………52 圖1-3股骨內釘植入骨髓腔示意圖……………………………………52 圖1-4股骨遠端骨折之AO分類法示意圖（33-）……………………53 圖1-5股骨構造前視圖…………………………………………………54 圖1-6 股骨構造後視圖………………………………………………54 圖1-7病人體位：仰臥位………………………………………………55 圖1-8病人體位：側臥位………………………………………………55 圖1-9骨髓內釘手術入路………………………………………………56 圖1-10插入導針（上）以及進行擴髓（下）…………………………56 圖1-11遠端交鎖示意圖………………………………………………57 圖1-12近端交鎖示意圖………………………………………………58 圖1-13骨髓內釘取出示意圖…………………………………………58 圖1-14一般設計股骨內釘導槽切過螺絲孔………………………59 圖2-1有限元素法之之運算流程簡述………………………………60 圖2-2以COSMOS軟體進行有限元素分析流程圖…………………61 圖2-3完整股骨模型……………………………………………………62 圖2-4遠端骨折股骨模型……………………………………………62 圖2-5新設計骨髓內釘尺寸圖…………………………………………63 圖2-6導槽與孔位置關係示意圖（側面）……………………………64 圖2-7導槽與孔位置關係示意圖（正、背面）………………………64 圖2-8模擬遠端鎖固螺絲圓棒之尺寸………………………………65 圖2-9模擬近端鎖固螺絲之尺寸……………………………………65 圖2-10股骨上重要肌肉附著位置示意圖（a）………………………66 圖2-10股骨上重要肌肉附著位置示意圖（b）………………………67 圖2-11模型上負載力施加位置圖…………………………………68 圖2-12骨髓內釘植入股骨模型圖…………………………………69 圖2-13模型網格化模型示意圖………………………………………69 圖2-14鎖固螺絲網格示意圖…………………………………………70 圖2-15螺絲孔處網格示意圖………………………………………70 圖2-16Rofin-Sinar 5KW 二氧化碳雷射機…………………………71 圖2-17CNC四軸工作床台與雷射導光系統…………………………71 圖2-18MTS材料試驗機………………………………………………72 圖2-19孔疲勞測試裝置圖（a）………………………………………73 圖2-20孔疲勞測試裝置圖（b）…………………………………………73 圖2-21雷射焊接必v1500W銲件…………………………………74 圖2-22雷射焊接必v1700W銲件……………………………………74 圖2-23雷射焊接必v1900W銲件…………………………………75 圖2-24雷射焊接必v2100W銲件……………………………………75 圖2-25連續式雷射焊接機必v輸出時距示意圖…………………76 圖2-26三點彎曲測試裝置示意圖……………………………………76 圖3-1最大應力與遠端內徑關係圖…………………………………77 圖3-2最大應力與導槽位置關係圖…………………………………77 圖 3-3最大應力與導角大小關係圖…………………………………78 圖3-4最大應力與圓角大小關係圖……………………………………78 圖3-5 孔和螺絲外徑最大應力關係圖………………………………79 圖3-6僅加入髖關節壓力之最大應力發生位置圖……………………80 圖3-7加入肌肉力之最大應力發生位置圖……………………………80 圖3-8僅加入髖關節壓力之位移分佈圖………………………………81 圖3-9加入肌肉力之位移分佈圖………………………………………81 圖3-10導槽30度之應力分佈圖………………………………………82 圖3-11導槽60度之應力分佈圖………………………………………82 圖3-12雷射焊接抗彎強度測試………………………………………83 圖4-1 未加入圓、導角之螺絲與孔接觸剖面示意圖…………………84 圖4-2 未加入圓、導角之螺絲與孔接觸部位放大圖…………………84 圖4-3 加入圓、導角之螺絲與孔接觸剖面示意圖……………………85 圖4-4 加入圓、導角之螺絲與孔接觸部位放大圖……………………85961319 bytesapplication/pdfen-US測試肌肉力長骨骨髓內釘新設計有限元素分析製造muscle forcetestnew designinterlockihg nailFEM analysismanufacturethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61609/1/ntu-93-R90522517-1.pdf