3-1 設計結構分析評估
本研究之設計結構分析，主要是評估三種骨折外固定器，各別是 傳統、骨板與本研究所開發之新型外固定器，以整體結構之軸向勁度 影響、骨折處於前後向(X)、內外向(Y)與軸向(Z)之位移變化以及結構 應力分佈情形進行評估。
3-1-1 收斂性分析
在初步設計階段採用有限元素分析評估，基於經濟成本上的考量，
可有效節省時間與金錢的消耗。在有限元素分析裡元素的切割數量會 影響結果，因此藉由收斂性分析觀察，模型元素切割數量由大到小的 差異，若分析結果仍有明顯差異，則必頇將元素再精細分割，直到結 果於可接受範圍內，除了確保模型的精確性外，也有效減少模型計算 時間。
本研究針對傳統、骨板與新型外固定器，經由上述負載與邊界條 件，接觸介面為緊密結合，進行收斂性分析。以改變 3.5 mm 至 1.8 mm 的尺寸條件下，觀察各組件之等效應力值(von Mises stress)。以 1.8 mm 尺寸作為收斂值基準計算誤差百分比，設定收斂值誤差在 5 %以下。
在傳統外固定器以設定 2.1 mm 為收斂值，其模型元素數量為 175928 而節點數量為 572164。各組件之等效應力(von Mises stress)值 誤差範圍皆在誤差 5 %以下，分別為硬質骨(1.68 %)、疏鬆骨(4.70 %)、
而骨板外固定器以設定 2 mm 為收斂值，其模型元素數量為 143973 而節點數量為 454948。各組件之等效應力(von Mises stress)值 誤差範圍皆在誤差 5 %以下。分別為硬質骨(3.97 %)、疏鬆骨(4.83 %)、
在新型外固定器以設定 2 mm 為收斂值，其模型元素數量為 164820 而節點數量為 518857。各組件之等效應力(von Mises stress)值 誤差範圍皆在誤差 5 %以下。分別為硬質骨(1.03 %)、疏鬆骨(4.3 %)、
3-1-2 設計結構穩定性與強度
本研究之設計結構分析，以骨折間隙左上(A)、左下(B)、右上(C) 與右下(D)四處節點，並紀錄前後向(X)、內外向(Y)與軸向(Z)位移，
來計算軸向勁度，以評估傳統、骨板與新型外固定器之穩定性與結構 強度。
圖 3-1 三維座標與位移擷取，(A)模型座標，(B)擷取位置 在設計結構的分析結果中，傳統外固定器經由位移結果所計算之 勁度值為 20.15N/mm，而骨板外固定器為 62.49 N/mm，相較於傳統 外固定器而言，結構強度上升 210.15 %，在新型外固定器為 115.75 N/mm，相較於傳統外固定器來說，結構強度上升 474.52 %(如圖 3-2)。
而設計結構的分析結果中，傳統外固定器於前後向(X)位移為 726.18×10-3 mm，相較於骨板(2.18×10-3 mm)與新型(0.24×10-3 mm) 外固定器之下，有明顯差異。在內外向(Y)位移中傳統外固定器為 39.98×10-3 mm，相較於骨板(85.98×10-3 mm)與新型(50×10-3 mm)外
固定器之下，位移各別上升 115.06 %與 25.06 %。而軸向(Z)位移中傳 統外固定器為196.33×10-3 mm，相較於骨板(106.03×10-3 mm)與新型 (86.39×10-3 mm)外固定器之下，位移各別下降 67.76 %與 82.59 %(如 圖 3-3)。
圖 3-2 設計結構之軸向勁度，傳統、骨板與新型外固定器
圖 3-3 設計結構之骨折位移，傳統、骨板與新型外固定器
3-1-3 設計結構應力分佈
在設計結構的分析中，傳統外固器定器主要應力集中的位置，在 夾鉗與連桿結合的部份(如圖 3-5)，而骨板與新型外固定器應力集中 的位置，於靠近骨折處下方第一支骨釘的地方(如圖 3-6)。另外觀察 到新型外固定器在相同位置中，夾鉗與滑桿結合處也有應力集中的現 象(如圖 3-7)。
而最大應力值的部分，傳統外固定器的應力值為 79.44 MPa，而 骨板與新型外固定器的應力值為 133.48 MPa 與 131.64 MPa。與傳統 外固定器相比，骨板外固定器應力值上升 68.03 %，而新型外固定器 應力值上升 65.71 % (如圖 3-4)。
圖 3-4 設計結構之最大應力，傳統、骨板與新型外固定器
圖 3-5 傳統外固定器之應力分佈，(A)整體分佈，(B)局部放大
圖 3-6 骨板外固定器之應力分佈，(A)整體分佈，(B)局部放大
圖 3-7 新型外固定器之應力分佈，(A)整體分佈，(B)局部放大 (A) (B)
(A) (B)
(A) (B)
3-2 生物力學測試
3-2-1 靜態軸向測試
本研究之靜態軸向負載測試，紀錄負載與位移變化。主要觀察新 型外固定器於設定破壞條件下的最大負載，並計算出軸向勁度值與標 準差，除了作為動態軸向測試之負載條件參考外，也作為模擬分析之 基準。由實驗測試結果顯示各組平均最大負載為 975.74 ± 106.29 N，
平均軸向勁度值為 108.34 ± 9.09 N/mm (如表 3-4 及圖 3-8)。與先前 設計結構應力分析相比，新型外固定器之軸向勁度值為 115.75 N/mm，
誤差為 6.84 %。
表 3-4 靜態軸向測試之各組最大負載與軸向勁度值
類型 第一組 第二組 第三組 第四組 第五組 Avg ± S.D 最大負載
(N) 959.32 858.10 1111.14 1084.72 865.41 975.74 ± 106.29 軸向勁度
(N/mm) 102.88 98.12 122.26 115.70 102.73 108.34 ± 9.09
圖 3-8 靜態軸向測試之負載與位移曲線
在靜態軸向測試結果中，除了骨折間隙相撞與靠近骨折處下方第 一支骨釘稍微變形之外，其主結構、夾鉗與骨釘均無破壞與斷裂情況，
(如圖 3-9 與 3-10)
(A) (B)
圖 3-9 靜態軸向測試，(A)測試前，(B)測試後
(A) (B)
圖 3-10 靜態軸向測試，(A)骨折間隙相撞，(B)靠近骨折處骨釘變形
3-2-2 動態軸向測試
而動態軸向測試結果中，除了靠近骨折處下方第一支骨釘與骨板 與滑桿連接處稍微變形之外，各組皆能完成設定負載階段。骨折間隙 未發生相撞，其骨骼、主結構、夾鉗與骨釘均無破壞與斷裂情況(如 圖 3-12 與 3-13)。
(A) (B)
圖 3-12 動態軸向測試，(A)測試前，(B)測試後
(A) (B)
圖 3-13 動態軸向測試，(A)滑桿變形，(B)靠近骨折處骨釘變形
3-3 運用結構分析評估
在(A)組參數於(1)組變數(228.26 N/mm)與(2)組變數(86.70 N/mm) 兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別上升 97.19 %和下降 25.1 %(如圖 3-14 及表 3-6)。
圖 3-14 運用結構於骨板到骨骼距離之軸向勁度，Level 1(1) 40 mm，
Level 2(0) 50 mm，Level 3(2) 60 mm
而(B)組參數於(3)組變數(123.50 N/mm)與(4)組變數(81.16 N/mm) 兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別上升 6.5
%和下降 3.28 %(如圖 3-15 及表 3-6)。
圖 3-15 運用結構於骨板到骨骼距離之軸向勁度，Level 1(1) 40 mm，
Level 2(0) 50 mm，Level 3(2) 60 mm
在 (C) 組 參 數 於 (5) 組 變 數 (119.40 N/mm) 與 (6) 組 變 數 (109.19 N/mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別 上升了 6.69 %和下降 29.89 %(如圖 3-16 及表 3-6)。
圖 3-16 運用結構於滑軌上骨釘分佈之軸向勁度，Level 1(5)集中近端 3 支，Level 2(0)中間等距 3 支，Level 3(6)集中遠端 3 支
而 (D) 組 參 數 於 (7) 組 變 數 (123.27 N/mm) 與 (8) 組 變 數 (111.96 N/mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別 上升 7.84 %和下降 3.36 %(如圖 3-17 及表 3-6)。
圖 3-17 運用結構於滑軌上骨釘數量之軸向勁度，Level 1(7)等距分佈 2 支，Level 2(0)等距分佈 3 支，Level 3(8)等距分佈 4 支
在 (E) 組 參 數 於 (9) 組 變 數 (106.68 N/mm) 與 (10) 組 變 數 (119.65 N/mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別 下降 3.15 %和上升 5.67 %(如圖 3-18 及表 3-6)。
圖 3-18 運用結構於骨板上骨釘分佈之軸向勁度，Level 1(9)集中近端 3 支，Level 2(0)中間等距 3 支，Level 3(10)集中遠端 3 支
而 (F) 組 參 數 於 (11) 組變數 (117.38 N/mm) 與 (12) 組變數 (119.90 N/mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(115.75 N/mm)其結構強度各別 上升 1.41 %和 3.59 %(如圖 3-19 及表 3-6)。
圖 3-19 運用結構於骨板上骨釘數量之軸向勁度，Level 1(11)等距分 佈 3 支，Level 2(0)等距分佈 4 支，Level 3(12)等距分佈 5 支
在(A)組參數骨板到骨骼距離於(1) 40 mm、(0) 50 mm 與(2) 60
由六種參數中位移變化下的結果顯示(A)組參數之前後向(X)位 移於(1)組變數(0.33×10-3 mm)與(9)組變數(0.39×10-3 mm)兩種情況 下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm)其位移各別上升 37.50 %和 62.50
%。
而 內 外 向 (Y) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 35.36×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (56.09×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(50×10-3 mm)其位移 各別下降 29.28 %和上升 12.18 %。
在 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 43.81×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (115.34×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別下降 49.29 %和上升 33.51 %(如圖 3-20 及表 3-7~9)。
圖 3-20 運用結構於骨板到骨骼距離之 XYZ 方向骨折位移，
(1) 40 mm，(0) 50 mm，(2) 60 mm
而(B)組參數之前後向(X)位移於(3)組變數(0.12×10-3 mm)與(4) 組變數(0.37×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm) 其位移各別下降 50 %和上升 54.17 %。
在 內 外 向 (Y) 位 移 於 (3) 組 變 數 ( 40.63×10-3 mm) 與 (4) 組 變 數 (58.04×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(50×10-3 mm)其位移 各別下降 18.74 %與上升 16.08 %。
而 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 81.12×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (89.32×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別下降 6.10 %和上升 3.39 %(如圖 3-21 及表 3-7~9)。
圖 3-21 運用結構於骨釘到骨折距離之 XYZ 方向骨折位移 (2) 70 mm，(0) 80 mm，(4) 90 mm
在(C)組參數之前後向(X)位移於(5)組變數(0.38×10-3 mm)與(6) 組變數(1.16×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm) 其位移各別上升 58.33 %和 383.33 %。
而 內 外 向 (Y) 位 移 於 (5) 組 變 數 ( 43.82×10-3 mm) 與 (6) 組 變 數 (141.17×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(50×10-3 mm)其位移 各別下降 12.36 %和上升 183.42 %。
在 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 80.97×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (123.22×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別下降 6.27 %和上升 42.63 %(如圖 3-22 及表 3-7~9)。
圖 3-22 運用結構於滑軌上骨釘分佈之 XYZ 方向骨折位移 (5)集中近端 3 支，(0)中間等距 3 支，(6)集中遠端 3 支
而(D)組參數之前後向(X)位移於(7)組變數(0.35×10-3 mm)與(8) 組變數(0.74×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm) 其位移各別上升 45.83 %和 208.33 %。
在 內 外 向 (Y) 位 移 於 (7) 組 變 數 ( 53.36×10-3 mm) 與 (8) 組 變 數 (83.58×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(50×10-3 mm)其位移 各別上升 6.72 %和 67.16 %。
而 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 93.74×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (83.58×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別上升 8.51 %和下降 3.25 %(如圖 3-23 及表 3-7~9)。
圖 3-23 運用結構於滑軌上骨釘數量之 XYZ 方向骨折位移，
(7)等距分佈 2 支，(0)等距分佈 3 支，(8)等距分佈 4 支
在(E)組參數之前後向(X)位移於(9)組變數(0.56×10-3 mm)與(10) 組變數(0.19×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm) 其位移各別上升 133.33 %和下降 20.83 %。
而 內 外 向 (Y) 位 移 於 (9) 組 變 數 ( 48.15×10-3 mm) 與 (10) 組 變 數 (43.96×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(50×10-3 mm)其位移 各別下降 3.70 %和 12.08 %。
在 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 83.75×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (91.58×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別下降 3.06 %和上升 6.01 %(如圖 3-24 及表 3-7~9)。
圖 3-24 運用結構於骨板上骨釘分佈之 XYZ 方向骨折位移，
(9)集中近端 3 支，(0)中間等距 3 支，(10)集中遠端 3 支
而(F)組參數之前後向(X)位移於(11)組變數(0.99×10-3 mm)與(12) 組變數(0.25×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(0.24×10-3 mm) 其位移各別上升 312.50 %和 4.17 %。
在內外向(Y)位移於 (11)組變數(47.66×10-3 mm) 與 (12)組變數 (47.66×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位 移各別下降 4.68 %和 3.30 %。
而 軸 向 (Z) 位 移 於 (1) 組 變 數 ( 85.19×10-3 mm) 與 (2) 組 變 數 (83.4×10-3 mm)兩種情況下，相較於(0)組變數(86.39×10-3 mm)其位移 各別下降 1.39 %和 3.46 %(如圖 3-25 及表 3-7~9)。
圖 3-25 運用結構於骨板上骨釘數量之 XYZ 方向骨折位移，
(11)等距分佈 3 支，(0)等距分佈 4 支，(12)等距分佈 5 支
以運用結構分析結果表明，在(A)組參數骨板到骨骼距離於(1) 40
而內外向(Y)位移結果顯示影響變化由大到小的排序為: (C)組
3-3-2 運用結構應力分佈
在(A)組參數，於(1)組變數(93.76 MPa)與(2)組變數(146.68 MPa) 兩種情況下，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別下降 28.78
%和上升 11.43 %(如圖 3-26、32~34 及表 3-10)。
圖 3-26 運用結構於骨板到骨骼距離之最大應力，Level 1(1) 40 mm，
Level 2(0) 50 mm，Level 3(2) 60 mm
而(B)組參數，於(3)組變數(126.79 MPa)與(4)組變數(128.16 MPa) 兩種情況下，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別下降 3.69 % 和 2.64 %(如圖 3-27、35~37 及表 3-10)。
圖 3-27 運用結構於骨釘到骨折距離之最大應力，Level 1(3) 70 mm，
Level 2(0) 80 mm，Level 3(4) 90 mm
在(C)組參數，於(5)組變數(111.89 MPa)與(6)組變數(113.05 MPa) 兩種情況下，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別下降 15 %和 14.12 %(如圖 3-28、38~40 及表 3-10)。
圖 3-28 運用結構於滑軌上骨釘分佈之最大應力，Level 1(5)集中近端 3 支，Level 2(0)中間等距 3 支，Level 3(6)集中遠端 3 支 而(D)組參數，於(7)組變數(174.63 MPa)與(8)組變數(108.76 MPa) 兩種情況，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別上升 32.66 % 和下降 17.38 %(如圖 3-29、41~43 及表 3-10)。
圖 3-29 運用結構於滑軌上骨釘數量之最大應力，Level 1(7): 等距分 佈 2 支，Level 2(0): 等距分佈 3 支，Level 3(8): 等距分佈 4 支
在(E)組參數，於(9)組變數(123.67 MPa)與(10)組變數(127.52 MPa) 兩種情況下，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別下降 6.05 % 和 3.13 %(如圖 3-30、44~46 及表 3-10)。
圖 3-30 運用結構於骨板上骨釘分佈之最大應力，Level 1(9)集中近端 3 支，Level 2(0)中間等距 3 支，Level 3(10)集中遠端 3 支
而(F)組參數，於(11)組變數(128.67 MPa)與(12)組變數(124.72 MPa)兩種情況下，相較於(0)組變數(131.64 MPa)其應力值各別下降 2.25 %和 5.26 %(如圖 3-31、47~49 及表 3-10)。
圖 3-31 運用結構於骨板上骨釘數量之最大應力，Level 1(11)等距分 佈 3 支，Level 2(0)等距分佈 4 支，Level 3(12)等距分佈 5 支
在(A)組參數骨板到骨骼距離於(1) 40 mm、(0) 50 mm 與(2) 60 由大到小的排序為: (D)組>(A)組>(C)組>(E)組>(F)組>(B)組。其中影 響最大的參數是(D)滑軌結構骨釘數量，其次為(A)骨板到骨骼距離，
圖 3-32 運用結構之應力分佈，骨板到骨骼距離 40 mm
圖 3-33 運用結構之應力分佈，骨板到骨骼距離 50 mm
圖 3-34 運用結構之應力分佈，骨板到骨骼距離 60 mm
圖 3-35 運用結構之應力分佈，骨釘到骨折距離 70 mm
圖 3-36 運用結構之應力分佈，骨釘到骨折距離 80 mm
圖 3-37 運用結構之應力分佈，骨釘到骨折距離 90 mm
圖 3-38 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘分佈於集中近端 3 支
圖 3-39 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘分佈於中間等距 3 支
圖 3-40 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘分佈於集中遠端 3 支
圖 3-41 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘數量於等距分佈 2 支
圖 3-42 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘數量於等距分佈 3 支
圖 3-43 運用結構之應力分佈，滑軌上骨釘數量於等距分佈 4 支
圖 3-44 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘分佈於集中近端 3 支
圖 3-45 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘分佈於中間等距 3 支
圖 3-46 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘分佈於集中遠端 3 支
圖 3-47 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘數量於等距分佈 3 支
圖 3-48 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘數量於等距分佈 4 支
圖 3-49 運用結構之應力分佈，骨板上骨釘數量於等距分佈 5 支
3-4 變換結構分析評估
本研究之變換結構分析，以設計結構分析於新型外固定器配置模 式作為基準。觀察十二種不同夾鉗結構配置下之參數影響。主要評估 整體結構之軸向勁度影響、骨折處於前後向(X)、內外向(Y)與軸向(Z)
本研究之變換結構分析，以設計結構分析於新型外固定器配置模 式作為基準。觀察十二種不同夾鉗結構配置下之參數影響。主要評估 整體結構之軸向勁度影響、骨折處於前後向(X)、內外向(Y)與軸向(Z)