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摘要
背景：使用3D打印技术制作适合患者个性化的支具普遍存在，但却缺乏支具对前臂骨折断裂处保护效果的生物力学验证。目的：将逆向建模、有限元分析与拓扑优化等方法相结合，提出一种3D打印制作前臂支具的可行性方法，并通过有限元分析验证支具的有效性。方法：采用逆向建模方法，通过医学图像处理软件Mimics构建1例男性志愿者前臂模型，并利用参数化设计软件Grasshopper对Rodin 4D采集的前臂数据进行处理并建立支具模型。依据前臂生物力学特性对佩戴支具的前臂整体模型进行有限元分析，再根据有限元分析结果对支具进行拓扑优化并作打孔处理，最后用3D打印机将支具打印出来。结果与结论：(1)在100 N的压力载荷下，骨折断裂处应力与位移分别为1.53 MPa和0.27 mm，而前臂在支具保护下断裂处的应力与位移分别下降到0.19 MPa和0.005 mm;(2)在保证支具力学性能前提下对支具进行拓扑优化，通过对比优化后支具的支承刚度结果，选择减少40%体积作为优化结果，再根据优化结果使用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理；(3)通过对比由不同文样镂空设计的支具强度，选择泰森多边形作为打孔文样；(4)提出使用数字化设计与3D打印技术制作的前臂支具具有可行性，实验建立了完整的前臂支具设计、验证及制造系统。
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