建模流程

在傳統的生物力學建模流程上首先透過電腦斷層掃描(CT scan system)，取得股骨之CT影像資料，如圖 3.4 所示。將得到的斷層掃 描輪廓影像資料再利用套裝影像處理軟體Amira，擷取股骨每一斷面

之皮質骨輪廓(Cortex bone profile)及鬆質骨輪廓(Cancellous bone profile)。再將各斷面輪廓重疊起來，而產生股骨的曲面輪廓；接著將 模型匯入電腦輔助設計軟體（CAD）轉成IGES檔以產生體積，之後 再匯入有限元素分析軟體中進一步建立網格。但是傳統的方法在建立 體積時必須花費相當大的人力與時間，而且對於模型幾何曲率過大的 部分還必須加以簡化，因此整個模型完成時間需費時甚久。因此為了 能夠更有效率、更準確的建立出有限元素模型，本研究在參考了 Dong[16]等人之建模流程後，在以傳統的建模方法為基礎下，改良步 驟來完善整個建模流程。其改良的流程如下圖 3.5所示，完整的建模 流程將於之後詳加敘述。

圖 3.4、股骨之 CT 影像資料

圖 3.5、建模流程

首先透過影像處理軟體Amira 分析處理醫學影像，如電腦斷層掃 描(CT)。而此軟體對於生物學與工程學上三維資料的處理提供了極好 的解決方案。

在將人工股骨之CT影像資料匯入Amira後，有別於傳統的建模方

法，將擷取皮質骨與鬆質骨部分的點群(*.stl檔)資料，如圖 3.6所示。

並將所得到的資料匯入逆向工程軟體Rapidform中進行加工與處理。

圖 3.6、點群資料

而Rapidform這套軟體有別於傳統的逆向工程軟體，傳統的逆向

工 程 軟 體 必 須 先 經 由 點 群 資 料 產 生 線 後 進 一 步 才 能 生 成 面 ， 而 Rapidform則能夠直接藉由點群資料產生面（如圖 3.7所示），因而節 省下大量的時間與精力。最後將所得到的實體模型匯出IGS檔，並隨 之匯入有限元素分析軟體ANSYS Workbench中，進行相關設定與模 擬。

圖 3.7、三維股骨實體模型

本研究所選用之有限元素軟體為ANSYS Workbench，此軟體的特 點主要在網格建立上有著強大的功能，在於複雜的幾何曲率和組裝配 件的網格建立上獨具特色，自動網格生成技術可節省研究上的時間。

本研究之人工股骨六面體網格模型，如圖 3.8所示。

圖 3.8、三維人工股骨網格模型

由圖 3.9 跟圖 3.10 可以清楚發現鬆質骨與皮質骨之網格節點

（node）具連續性，這確保了模擬分析時的真實性，增加模擬的可信 度。

圖 3.9、剖半之三維股骨模型（左）和股骨網格模型（右）

圖 3.10、皮質骨與鬆質骨節點連續

利用ANSYS Workbench 建構出骨螺絲三維實體模型，如圖 3.11 所示，實際的骨螺絲，如圖 1.5 所示。根據Kyle等人[5]提出關於骨螺 絲排列的原則中可知，螺紋深入股骨球頭處其作用在於加強骨螺絲與 骨頭之間的咬合，對於骨折斷面間之影響並不大，因此螺紋部分在本 研究中將加以簡化，利用接觸條件設定來模擬骨螺絲與股骨之間的接 觸情況。

圖 3.11、骨螺絲三維模型

之後將針對正常人工股骨模型進行收斂分析及模擬股骨頸骨折 之狀況所需設定進行詳加介紹，接著將模擬數據與體外試驗文獻數據 進一步進行比對並修正模擬邊界條件設定。