模型建立

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 2-4 所示。將得到的人造股 骨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，

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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[21]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 2-5 所示。

圖 2-4、人造股骨之 CT 影像資料

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圖 2-5、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 2-6 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。

影像處理軟體 Amira

逆向工程軟體 Rapidform

三維建模軟體 SolidWorks

有限元素軟體 ANSYS

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圖 2-6、點群資料

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 2-7 所示），因而 節省下大量的時間與精力。隨後將所得之股骨模型匯入到SolidWorks 裝配鎖定骨板與骨髓內釘，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。

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圖 2-7、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，且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 2-8 所示。

圖 2-8、三維人工股骨網格模型

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由圖 2-9 跟圖 2-10 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 2-9、剖半之三維股骨模型（左）和股骨網格模型（右）

圖 2-10、皮質骨與鬆質骨節點連續

接下來根據實體的鎖定骨板、骨髓內釘、螺絲與人工膝關節，使 用SolidWorks 建模軟體建構出鎖定骨板(圖 2-11)、骨髓內釘(圖 2-12)、

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螺絲的實體模型，並且選擇型號為 Zimmer 5780-08 的人工膝關節，

建構人工膝關節(圖 2-13)的三維實體模型。此外本研究以長度 60mm 外徑17mm 內徑 10mm 的圓柱來簡化模擬異體骨如圖 2-14 所示。最 後按照臨床手術規範，將人工膝關節裝置上股骨模型(圖 2-15)，之後 再植入鎖定骨板(圖 2-16)、或是骨髓內釘(圖 2-17)、或是鎖定骨板加 置異體骨(圖 2-18)。

圖 2-11、鎖定骨板三維模型

圖 2-12、骨髓內釘三維模型

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圖 2-13、人工膝關節三維模型

圖 2-14、異體骨三維模型

圖 2-15、人工膝關節置換模型

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圖 2-16、人工膝關節置換後植入鎖定骨板模型

圖 2-17、人工膝關節置換後植入骨髓內釘模型

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圖 2-18、人工膝關節置換後植入鎖定骨板加置異體骨模型