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研究生:黃世樺
研究生(外文):Huang Shih Hua
論文名稱:具多方位及角度變化骨骼穩定模組設計
論文名稱(外文):The design of bone stabilization system including multi-directional and angular fixation module
指導教授:林宜弘林宜弘引用關係
指導教授(外文):Yi-Hong Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:骨折鎖固型骨板骨骼穩定模組方向性角度套筒
外文關鍵詞:fracture fixationlocking bone platebone stabilization moduleangle sleeve
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從臨床觀察中發現,現行廣泛應用於骨折固定之鎖固型骨板系統,雖提供了骨折部位良好的穩固性,然該系統的骨螺釘僅能依骨板既定螺孔角度垂直鎖入,如遇須迴避的骨頭粉碎區域或骨質疏鬆區域時,現有無法偏折角度的鎖固設計常無法因應。因此本研究目的旨在設計發展一套可應用於長骨骨折固定之方向性骨骼穩定模組,透過方位性角度套筒的更替改善現行骨折固定無法變換骨螺釘鎖入角度的臨床狀況。
本研究骨骼穩定模組系統包含三部份,骨板、骨螺釘及角度套筒,本研究係利用CAD軟體進行模組的設計與相關模型的構建,接續進行力學測試並與市售骨板系統比較,最後以有限元素分析評估其骨折固定成效。
本研究已完成具多方位及角度變化骨骼穩定模組的設計及其雛型品的加工製作,系統力學測試結果顯示本研究模組整體變形量低於市售骨板系統,應足已負載一般成人使用狀況。由有限元素分析結果可知,本研究模組於骨折面角度為20°時比對照組降低達47%,亦顯示其擁有較佳固定功效。

It is recognized that, from clinical observations, current adapted locking bone plate system for fracture fixation of bone has good stability. Such system is characterized by the vertical angle locking of bone screws to the bone plate. However, it has a drawback of non-flexible angle locking design usually have problems particular in the area such as crushed bone or osteoporosis applications. The aim of this study is to design and develop an directional bone stabilization module for the fixture of long bone fractures via directional angular sleeve to improve the current clinical problem in the performing of angle screw replacement for bone fracture fixation.
The system consists of three major parts: bone plates、bone screws and angle sleeve in this study. Based on the CAD software, we design and construct the module and evaluated the mechanical performance. Finally,the bone fracture fixation using finite elements analysis is compared to the bone plates available on the market. In this study, we complete the design and implement the prototype with the multi-directional and angular variable for bone stabilization module. Under the mechanical loading test, the prototype deformation is less than the market sold bone plate system and suitable for the use in adult body. From the finite element analysis results, our bone stabilization module has better fixation performance with the fracture face angle of 20°, around 47% less than the unit without face angle fixation.

目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
表目錄 IIV
圖目錄 VI
第1章 緒論 1
1.1 研究背景、動機與目的 1
1.2 人體骨骼系統與長骨機制 3
1.2.1 人體骨骼系統 3
1.2.2 長骨構造及性質 5
1.2.3 長骨骨折流行病學 6
1.2.4 長骨骨折之分類 7
1.3 內固定骨板與骨螺絲系統 9
1.4 文獻回顧 12
1.5 論文架構 15
第2章 材料與方法 16
2.1 具方位性之骨骼穩定模組系統功能性考量 17
2.1.1 骨板設計 19
2.1.2 骨螺釘設計 20
2.1.3 方向性角度套筒設計 21
2.1.4 材料的選用 22
2.2 模組系統力學性質測試 22
2.2.1 實驗設備 22
2.2.2 實驗試片 24
2.2.3 試片準備 26
2.2.4 實驗步驟 29
2.3 有限元素分析 29
2.3.1 幾何模型建構 30
2.3.2 建立骨折位置 32
2.3.3 FEA前處理 33

第3章 結論與結果 37
3.1 具方向性之骨骼穩定模組原型 37
3.2 模組系統初步力學測試及比較結果 39
3.3 以有限元素分析評估模組生物力學性能結果 43
3.3.1 固定角度於骨折平面45°之數值結果 44
3.3.2 固定角度於骨折平面20°之數值結果 47
3.3.3 綜合結果 49
第4章 結果與未來展望 50
4.1 結論 50
4.2 未來展望 51
參考文獻 53
作者簡介 55

表目錄
表2-1實驗試片編號 25
表2-2有限元素模型材料性質 34
表2-3有限元素模型種類 36
表3-1各組力量與位移斜率及平均 43
表3-2各組有限元素模型總元素與總節點數 44

圖目錄
圖1-1外固定架 1
圖1-2各式骨版 1
圖1-3各式骨螺釘 2
圖1-4骨髓內釘 2
圖1-5以角度的方式固定斷骨示意圖 3
圖1-6人體骨骼系統 4
圖1-7皮質骨與髓質骨構造 5
圖1-8股骨構造 6
圖1-9 AO長骨分類系統 8
圖1-10長骨骨幹骨折分類 8
圖1-11 LANE骨板 9
圖1-12 DANIS骨板 9
圖1-13 DCP動態加壓骨板 10
圖1-14動態加壓設計原裡 10
圖1-15鎖固型骨板 11
圖1-16 LCP鎖固型壓迫骨板 12
圖1-17各網格AMG程序所生成之股骨模型 13
圖1-18各網格AMG程序於股骨模型的的收斂曲線 13
圖1-19 Elevated Fence及Contact Fence實驗組……………………….…14
圖1-20軸向壓縮與扭轉力學試驗 14
圖2-1具方向性之骨骼穩定模組的設計流程圖 16
圖2-2鎖固式骨板及骨螺釘系統之骨折治療示意圖 17
圖2-3具方位性之骨骼穩定模組系統示意圖 18
圖2-4模組系統設計流程圖 18
圖2-5骨板八邊形卡槽機構設計 19
圖2-6骨板尺寸與上視圖 19
圖2-7骨螺釘不等角視圖 20
圖2-8骨螺釘尺寸圖 20
圖2-9 0°(左)與10°(右)方向性角度套筒不等角視圖 21
圖2-10 0°(上)與10°(下)方向性角度套筒尺寸圖 21
圖2-11 材料試驗機 23
圖2-12 施力夾具3D爆炸圖 23
圖2-13 施力夾具實體 23
圖2 14 對照組:Synthes LCP骨板系統… …….……………………………24
圖2-15 本研究骨骼穩定模組系統:(A)無傾斜螺紋、(B)10°傾斜螺紋 25
圖2-16 具10°傾斜螺紋導螺孔之角度套筒剖視圖 25
圖2-17 各組實驗試片外觀 26
圖2-18 量測試片安裝位置 27
圖2-19 仿骨上鑽孔 27
圖2-20 具有扭力極限控制之專用起子 27
圖2-21 以專用起子將骨板與骨螺釘安裝於仿骨上 27
圖2-22 協助鑽孔定位三角墊塊 28
圖2-23 模擬骨板骨釘安裝後情形之三角墊塊 28
圖2-24 有限元素分析流程 30
圖2-25 骨螺釘偏折角度為0°之內固定系統模型 31
圖2-26 骨螺釘偏折角度為10°之內固定系統模型 31
圖2-27 股骨模型 31
圖2-28 骨折平面20°之股骨模型 32
圖2-29 骨折平面45°之股骨模型 33
圖2-30 A組:骨折平面45°股骨及骨螺釘固定角度為0° 35
圖2-31 B組:骨折平面45°股骨及骨螺釘固定角度為10° 35
圖2-32 C組:骨折平面20°股骨及骨螺釘固定角度為0° 35
圖2-33 D組:骨折平面20°股骨及骨螺釘固定角度為10° 35
圖2-34 邊界條件設定 36
圖3-1 具方向性之骨骼穩定模組原型 37
圖3-2 骨板原型 38
圖3-3 方向性角度套筒原型 38
圖3-4 自攻骨螺釘原型 38
圖3-5 A組骨板、骨螺釘系統施載實驗過程 40
圖3-6 B組骨板、骨螺釘系統施載實驗過程 41
圖3-7 C組骨板、骨螺釘系統施載實驗過程 42
圖3-8試片之位移與力量曲線 43
圖3-9 A組植入物VON MISES應力圖 45
圖3-10 B組植入物VON MISES應力圖 45
圖3-11 A組股骨模型之位移量 46
圖3-12 A組股骨模型之位移量 46
圖3-13 C組植入物VON MISES應力圖 47
圖3-14 D組植入物VON MISES應力圖 48
圖3-15 C組股骨模型之位移量 48
圖3-16 D組股骨模型之位移量 49
圖3-17各組植入物最大VON MISES應力值 50
圖3-18各組股骨最大總位移量 50

1. http://www.synthes.com/sites/NA/Products/Trauma/Pages/home.aspx,Synthes產品網站,提供產品原始圖片。(查詢日期2013年4月)
2. https://www2.aofoundation.org/wps/portal/surgery/?showPage=redfix&;bone=Radius&;segment=Shaft&;classification=22-A1.1&;treatment=&;method=ORIF+-+Open+reduction+internal+fixation&;implantstype=Plates+and+screws&;redfix_url=1285237970318,AO Foundation網站,提供骨折原始圖片。(查詢日期2013年4月)
3. https://zh.m.wikipedia.org/zh-mo/%E4%BA%BA%E9%AB%94%E9%AA%A8%E6%9E%B6,維基百科網站,提供人體骨骼圖片。(查詢日期2013年4月)
4. https://zh.m.wikipedia.org/zh-mo/%E4%BA%BA%E9%AB%94%E9%AA%A8%E6%9E%B6,Cure Hand Pain網站,提供皮質骨與髓質骨構造圖片。(查詢日期2013年4月)
5. http://www.studyblue.com/notes/note/n/bones/deck/3586813,studyblue網站,提供股骨構造圖片。
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