LS-DYNA 模擬案例研究

骨折固定板性能模擬

本案例透過虛擬人體模型與 LS-DYNA 分析，模擬不同設計的骨折固定板對脛骨骨裂穩定性的影響。結果顯示，固定板可大幅減少裂縫開啟，預彎設計更具優勢。此方法可快速比較並優化設計參數，有助提升骨科裝置性能，推動精準化與個人化醫療應用。

骨折固定板性能模擬

本案例價值

評估固定板設計效果

模擬脛骨骨折情境，驗證有無固定板及不同預彎設計對骨裂開啟的影響，證實預彎能有效提升穩定性（裂縫由 0.35mm 降至 0.11mm，甚至趨近為零）。

提供快速優化途徑

透過簡化後的 THUMS 虛擬人體模型與 LS-DYNA 分析，可快速比較螺絲數量、預緊力、固定板形狀等設計參數，協助進行結構優化。

支援個人化醫療開發

HBM (人體模型)的彈性調整能力，有助針對不同病患骨骼特徵設計量身訂製的骨科裝置，提高臨床應用潛力。

本案例使用 LS-DYNA 分析骨科固定裝置的性能

為了幫助骨折癒合，骨頭斷裂部位通常會透過外部或內部固定裝置來穩定。這些固定裝置的設計和材質可能差異很大，有時甚至會根據患者需求客製化。
這個案例中，模擬的是脛骨幹部完全骨折，使用鋼板和螺絲固定骨折位置。透過 LS-DYNA 結合人體模型，我們評估了這個鋼板固定裝置的表現與效果。

虛擬人體模型介紹

THUMS（Total Human Model for Safety）是豐田開發的人體有限元素模型，可以模擬車禍中人體的各種傷害，例如骨折、大腦及內臟損傷。跟傳統的撞擊試驗假人（ATDs）不同，THUMS 的材料模型和幾何結構是以真實人體的組織、骨骼和肌肉為基礎設計的，更貼近真實人體的反應。
從 2021 年 1 月起，THUMS 在特定條件下可免費取得授權，有興趣可以聯絡艾索科技了解詳情。
這個模型有不同性別、年齡和體型版本，這次案例使用的是代表一般成年男性的 THUMS AM50 (v6.1)。

模擬方法說明

我們建立了一個簡單的鋼製固定板模型，固定板用殼元素表示，螺絲則用樑元素模擬。材料屬性假設為彈性，螺絲用節點約束固定在骨頭上。在動態鬆弛過程中，透過預緊螺絲把固定板夾緊在骨頭上。腿部模型則是取自 THUMS AM50 (v6.1)。為了簡化模型，移除了所有主動肌肉，因為它們對此案例沒太大影響。載荷條件是腳跟受到衝擊，目標是希望在動態載荷下，減少骨折處裂縫的開啟。分析使用 LS-DYNA 的顯式力學求解器（mpp s R12.1）進行，模擬時間為 0.05 秒，20 核心運算約花 40 分鐘。

預緊處理方法

首先，我們做了一次沒有固定板的模擬作為參考。接著，又做了三次有固定板的模擬，所有模擬中固定板都用四顆螺絲固定，但固定板的形狀略有不同。這三種固定板分別是：一個沒預彎的直板（預彎0.0毫米）、一個預彎0.5毫米的板子，和一個預彎1.0毫米的板子。預彎的板子和骨頭之間會有一點空隙，但在螺絲預緊後，這個空隙會被壓緊到零。這樣產生的壓縮力可能會讓固定效果更好，接下來就一起來看看結果吧！