2-1 研究大綱
本研究中使用人造假骨與 LISS 骨釘骨板進行有限元素分析，探討鎖 定式骨板作為外固定器使用時，使用不同的配置對於整體結構勁度所造 成的影響，以判斷最佳的骨釘骨板配置方法(圖 2-1)。
圖 2-1 研究流程圖大綱
本研究因模擬人體實際情況，故測試不同施力模式下，各因子對於整 體結構勁度以及應力之影響，以提供臨床穩定之參考依據。圖 2-2 為研 究細部流程圖。
圖 2-2 研究細部流程圖
2-2 電腦模型建構 2-2-1 脛骨模型重建
本研究使用之影像由義大醫院醫學影像部，以 0.65 mm 橫切式電腦斷 層沿著人工脛骨(Art. No. #3402 Sawbones, Malmo, Sweden)長軸方向進行 掃描，取得 DICOM 影像檔，之後利用三維醫學影像重建軟體 Amira4.1 (Visage Imaging GmbH, Berlin, Germany)進行影像重建。
首先設定好影像亮度閾值(Threshold value)標準後，各別圈出皮質骨 和疏鬆骨之外輪廓，並以矢狀面(Sagittal plane)、冠狀面(Coronal plane)、
橫斷面(Horizontal plane)進行修飾，使外輪廓更貼近真實脛骨外貌。後續 以 IGES 檔匯入電腦輔助設計軟體(Solid work)，進行表面堆疊建構出脛 骨實體模型(圖 2-3)。
圖 2-3 脛骨重建流程(A)CT 影像，(B)修飾後之斷層輪廓，(C)實體模型[14]
2-2-2 骨板模型重建
本研究主要所用的骨板為美國 Synthes 公司所製 9 孔與 13 孔的 LISS 系列骨板，LISS 系列骨板是脛骨常用之鎖定式骨板(圖 2-4)。
(A)
(B) 圖 2-4 (A)9 孔 LISS 骨板，(B)13 孔 LISS 骨板[24]
將骨板尺寸外型輸入電腦輔助設計軟體，藉由此方法重建出骨板實體 模型(圖 2-5)，作為後續分析之用。
圖 2-5 骨板模型重建(A)照片匯入，(B)實體骨板
2-2-3 骨折模擬配置
本研究將探討在脛骨近端與遠端近關節面之骨折型態。在電腦輔助設 計軟體中，將脛骨與骨板模型進行對位，在近端的部分，從距離經骨近 端約 60 mm 到 70 mm 處製造一個 10 mm 的骨折間隙(Fracture gap)以模擬 AO/OTA 41-A2 型骨折；而在遠端的部分則是距離脛骨遠端約 60 mm 到 70 mm 處製造一個 10 mm 的骨折間隙，模擬 AO/OTA 43-A2 型骨折(圖 2-6)。外固定模型之配置皆以臨床醫師施打配置為基準。
(A) (B)
圖 2-6 骨板外固定模型示意圖 (A)近端骨折模擬，(B)遠端骨折模擬。
2-2-4 分析條件設定
本研究在電腦輔助設計軟體完成各模型配置分析後，導入電腦輔助工 程分析軟體(ANSYS 11.0, ANSYS Inc., USA)進行模擬。前處理階段各組 模型之材料力學特性，皆假設為均質性(Homogeneous)、等向性(Isotropic)、
線性彈性(Linear elastic)材料。其各參數數值如下(表 2-1) 表 2-1 材料參數表[13 ]
材料 楊氏係數(GPa) 浦松氏比
皮質骨(Cortical Bone) 12 0.3 疏鬆骨(Cancellous Bone) 0.155 0.28
鈦合金骨板(Titanium) 110 0.3
鈦合金骨釘(Titanium) 110 0.3
不鏽鋼骨板(Stainless steel) 193 0.3 不鏽鋼骨釘(Stainless steel) 193 0.3
各組模型的脛骨與骨釘，接觸介面設定皆為緊密結合(Bonded)。在骨 板上具有鎖定孔的部分(Locking hole)的部分，介面設定為緊密結合 (Bonded)。各模型皆使用 10 節點之四面體元素進行網格。為了確保模型
的準確度，在進行設計結構分析前，將模型進行收斂性分析，並觀察各 尺寸之等效應力(von Mises stress)是否有達到收斂。
在軸向負載與邊界的條件設定方面，於近端骨折組別中，在脛骨平台 之內外側施予 100 牛頓的軸向下壓力，以模擬脛骨所承受的軸向負載 (Axial loading)，在脛骨遠端處距關節面 70 mm 之 表面節點的位移 (Displacement)固定為零；而遠端骨折組別與近端組相反，在脛骨遠端施 以 100 牛頓的軸向力，並且在脛骨近端處距關節面 70 mm 之表面節點的 位移固定為零。(圖 2-7)
(A)
(B)
圖 2-7 (A)近端軸向負載與邊界條件，(B)遠端軸向負載與邊界條件。
靜態懸臂彎矩測試(static bend test)部分，近端骨折組是在脛骨近端分 別施以 X 方向(側向)及 Y 方向(前後方向) 100 牛頓的彎矩；在遠端骨折組 是在脛骨遠端施以 X 方向(側向)及 Y 方向(前後方向) 100 牛頓的彎矩(施 力與固定端距離約 370 mm)。軸向扭矩則是在近遠端對脛骨長軸方向施 加 1 Nm 之扭矩(近端兩施力點相距 38 mm，故施予 23.32 牛頓之力量；
遠端兩施力點相距 10 mm，故施予 100 牛頓力量)。(圖 2-8)
圖 2-8 (a)近端固定 Y 方向施力模式、(b)近端固定 X 方向施力模式、
(c)遠端固定 Y 方向施力模式、(d)遠端固定 X 方向施力模式、(e) 近 端扭矩施力、(f)遠端扭矩施力。
2-2-5 田口方法直交設計
在本研究中所考慮之設計因子項目有骨釘骨板材料、骨板厚度、骨板 寬度、骨釘直徑、骨板到骨頭之距離、近膝關節骨釘組合、近踝關節骨 釘組合及骨質密度(表 2-2)。進行田口穩健設計因子進行最佳化測試，並 採取 L18 (2¹×37)直交表進行分析。
表 2-2 近端骨折固定與因子水準表
編號 因子名稱 水準1 水準2 水準3
A 骨釘骨板材料 Titanium Stainless steel
B 骨板厚度 4 mm 5 mm 6 mm
C 骨板寬度 15mm 16mm 17mm
D 骨釘直徑 5 mm 6 mm 7 mm
E 骨板到骨頭之距離 50 mm 60 mm 70 mm
F 近膝關節骨釘組合 4枝 5枝 6枝
G 近踝關節骨釘組合 集中骨折處 遠離骨折處 平均分佈
H 骨質密度 正常 降低25% 降低50%
由於近遠端因為生理構造不同，遠端骨折固定時，骨板比較不受到肌 肉影響，因此骨頭到骨板距離較小，因此遠端骨折固定因子水準表在因 子 E (骨板到骨頭之距離)所設定之水準與近端有所差異(表 2-3)。
表 2-3 遠端骨折固定與因子水準表
編號 因子名稱 水準1 水準2 水準3
A 骨釘骨板材料 Titanium Stainless steel
B 骨板厚度 4 mm 5 mm 6 mm
C 骨板寬度 15mm 16mm 17mm
D 骨釘直徑 5 mm 6 mm 7 mm
E 骨板到骨頭之距離 20 mm 30 mm 40 mm
F 近踝關節骨釘組合 4枝 5枝 6枝
G 近膝關節骨釘組合 集中骨折處 遠離骨折處 平均分佈
H 骨質密度 正常 降低25% 降低50%
藉由改變上方參數配置，以找出骨板與骨頭最佳的配置方法。若進行 全因子展開分析，則需要 4374 組(2¹×37)模型進行分析；若使用田口式直 交表更改配置(27-4 圖 2-9~14)則僅需 18 組模型即可完成分析[9-12]。分 別記錄此 18 組模型骨釘、骨板、骨頭的等效應力(von Mises stress)和結構 勁度(structural stiffness)，並針對各因子在不同施力方式下對於各零件所 造成的影響進行後續討論。
表 2-4 L18 直交表
圖 2-9 近端骨折固定，骨板與骨頭距離(1)50 mm，(2)60 mm，(3)70 mm 模型 A B C D E F G H 模型 A B C D E F G H
1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 2 1 1 3 3 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 11 2 1 2 1 1 3 3 2 3 1 1 3 3 3 3 3 3 12 2 1 3 2 2 1 1 3 4 1 2 1 1 2 2 3 3 13 2 2 1 2 3 1 3 2 5 1 2 2 2 3 3 1 1 14 2 2 2 3 1 2 1 3 6 1 2 3 3 1 1 2 2 15 2 2 3 1 2 3 2 1 7 1 3 1 2 1 3 2 3 16 2 3 1 3 2 3 1 2 8 1 3 2 3 2 1 3 1 17 2 3 2 1 3 1 2 3 9 1 3 3 1 3 2 1 2 18 2 3 3 2 1 2 3 1
圖 2-10 近端骨折固定，近膝關節骨釘組合(1)4 枝，(2)5 枝，(3)6 枝。
圖 2-11 近端骨折固定，近踝關節骨釘組合 (1)集中骨折處，(2)遠離 骨折處，(3)平均分布
圖 2-12 遠端骨折固定，骨板到骨頭的距離(1)20 mm，(2)30 mm，
(3)40 mm。
圖 2-13 遠端骨折固定，近踝關節骨釘組合(1)4 枝，(2)5 枝(3)6 枝
圖 2-14 遠端骨折固定，近膝關節骨釘組合(1)集中骨折處，(2)遠離骨 折處，(3)平均分布
2-3 統計分析方法
本研究將軸向勁度、彎矩勁度、扭轉角度、各零件應力分析之結果，
對骨釘骨板材料、骨板厚度、骨板寬度、骨釘直徑、骨板到骨頭之距離、
近膝關節骨釘組合、近踝關節骨釘組合及骨質密度等八項因子各別進行 分析，使用 ANOVA 分析作為統計分析之方法，探討不同因子對於勁度、
角度、應力之影響。顯著水準設定為 p<0.05 時有顯著差異。