[發明專利]建立個體化膝關節仿生韌帶生物力學模型的方法

有效

• 申請號: 202010767356.3
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN111973270B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 蔡宗遠;程榮山
• 申請（專利權）人: 上海濤影醫療科技有限公司
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.建立個體化膝關節仿生韌帶生物力學模型的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：利用CT和MRT掃描，獲取個體化膝關節中骨組織和韌帶的三維影像原始數據；

S2：根據三維影像原始數據，利用三維重建軟件分別重建骨組織以及韌帶數字模型，并將兩者融合形成個體化膝關節數字模型；

S3：將所述個體化膝關節數字模型導入到有限元軟件ABAQUS內，分別對所述骨組織中的股骨和脛骨，以及韌帶進行體網格劃分；

S4：根據CT灰度值，對股骨和脛骨的材料參數進行賦值，將其密度以及彈性模量導入到有限元軟件ABAQUS內的所述個體化膝關節數字模型中；

S5：基于國際生物力學推薦標準，利用所述個體化膝關節數字模型，建立膝關節坐標系；

S6：將韌帶模擬為非線性、各項異性、非均勻的彈性纖維束；利用所述膝關節坐標系，計算獲取膝關節韌帶受力與骨組織結構上的力學關系；后將個體化仿生韌帶材料參數中的韌帶參考長度、彈性系數以及應變常數以變化參數的形式導入到有限元軟件ABAQUS中的所述個體化膝關節數字模型中；

S7：根據個體化膝關節的多角度抽屜試驗，獲取拉力以及脛骨相對股骨的位移Dis_Experiment，擬合在體膝關節抽屜試驗測得的結果和個體化膝關節數字模型模擬結果，當所述個體化膝關節數字模型模擬的Dis_Model與Dis_Experiment相同時，獲取變化參數中的最佳值，并作為個體化仿生韌帶材料參數；

S8：根據所述個體化仿生韌帶材料參數，建立個體化膝關節仿生韌帶力學模型。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S6進一步包括：將所述個體化膝關節數字模型中的韌帶模擬為彈性纖維束，每條韌帶包括多根纖維；預設每條韌帶包括n根纖維，纖維的應變^j∈ⁱ定義為^j∈ⁱ＝(^jLⁱ-^jL₀)/^jL₀，其中，^jLⁱ表示纖維變形后的長度，i＝1～n，n表示纖維數量；j＝1～4，表示韌帶數量；

根據所述膝關節坐標系，設定^jL₀為纖維的參考長度，表示纖維初始受力長度；當膝關節運動時，根據膝關節坐標系，計算出脛骨和股骨上韌帶附著點的坐標為而纖維形變后的長度Lⁱ，且纖維形變后的長度Lⁱ為差值的絕對值：

纖維受力大小和位移的關系式：

其中，^jf_i表示纖維的受力大小，k表示彈性系數，εⁱ表示應變，ει為非線性應變常數；其中，當應變εⁱ小于2ει時，纖維受力大小為應變的平方；當應變大于2ει時，纖維受力大小與位移成線性關系；

計算獲取纖維束內各個纖維的受力，獲取膝關節韌帶受力與骨組織結構的力學關系式：其中，^jF表示膝關節骨頭的受力。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括，基于骨組織為多種材料構成的復合體，利用股骨和脛骨的CT灰度值，對其賦值材料屬性：p＝-13.4+1017Hu、E＝-388.8+5925p；其中，p為密度，Hu為灰度值，E為彈性模量；后將密度和彈性模量導入到有限元軟件ABAQUS中的所述個體化膝關節數字模型內。

4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S7之前還包括，對個體化膝關節進行抽屜試驗，獲取膝關節骨頭所受拉力大小以及脛骨相對股骨的位移Dis_Experiment。

5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，利用可調式膝關節支具固定在體膝關節于0°、30°、60°、90°屈曲位置，進行膝關節的多角度抽屜實驗；其中，固定股骨后，對脛骨前后方向上施加前向拉力，使用拉力計記錄前向拉力，以及脛骨相對股骨的前向位移Dis_Experiment。

6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S7進一步包括，將所述個體化膝關節數字模型賦值材料參數后，模擬在體膝關節多角度屈曲位置的抽屜試驗，設置與所述抽屜試驗相同的受試情況，計算模型中的脛骨相對股骨的位移Dis_Model，基于韌帶參考長度^jL₀、彈性系數k以及應變常量ει為變化參數，擬合抽屜試驗后，當模型模擬的Dis_Model與Dis_Experiment相同時，得出變化參數中的最佳值；其中，擬合過程為最佳化目標函數：