[發(fā)明專利]建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010767356.3
• 申請(qǐng)日: 2020-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN111973270B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡宗遠(yuǎn);程榮山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海濤影醫(yī)療科技有限公司
• 主分類號(hào): A61B34/10
• 分類號(hào): A61B34/10
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型的方法，該方法包括：獲取個(gè)體化膝關(guān)節(jié)的三維影像原始數(shù)據(jù)；重建個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型；建立膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；利用膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，計(jì)算獲取韌帶受力與結(jié)構(gòu)上的力學(xué)關(guān)系；后將韌帶材料參數(shù)以變化參數(shù)的形式導(dǎo)入到個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型中；記錄抽屜試驗(yàn)下脛骨相對(duì)股骨的前向位移，擬合在體膝關(guān)節(jié)抽屜試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果和個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型模擬結(jié)果，獲取個(gè)體化仿生韌帶材料參數(shù)最佳值；建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶力學(xué)模型。本發(fā)明了解個(gè)體化膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的韌帶受力情況，模擬臨床研究中膝關(guān)節(jié)韌帶的不同損傷模式，為個(gè)體化膝關(guān)節(jié)韌帶損傷的預(yù)防、診斷、治療及康復(fù)提供臨床指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及關(guān)節(jié)建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型的方法。

背景技術(shù)

膝關(guān)節(jié)是人體內(nèi)重要的關(guān)節(jié)之一，作用于走路、跑步、跳遠(yuǎn)等。膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面與其周圍的肌肉、韌帶之間形成的復(fù)雜力學(xué)關(guān)系，控制著膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定度和活動(dòng)度。

由于膝關(guān)節(jié)位于人體下肢，在運(yùn)動(dòng)過程中承受較大的負(fù)重，通常運(yùn)動(dòng)員傷害最為頻繁。膝關(guān)節(jié)損傷中，比例最高的就是韌帶損傷，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)有85％的膝關(guān)節(jié)損傷是前叉韌帶損傷，其余15％的膝關(guān)節(jié)損傷包括后十字韌帶、外側(cè)副韌帶與內(nèi)側(cè)副韌帶的損傷。目前，由于理論要求及技術(shù)限制，直接測(cè)量活體膝關(guān)節(jié)是極為困難，而利用離體實(shí)驗(yàn)不能重現(xiàn)膝關(guān)節(jié)在重力載荷下的受力的反應(yīng)。因此，有必要建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算模擬，將有助于了解膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況，從而模擬臨床研究上的各種問題。

例如，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201910780245，公開了一種全膝關(guān)節(jié)有限元建模方法，大部分膝關(guān)節(jié)有限元模型主要包括膝關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)，如脛骨、股骨，而忽略了膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜的韌帶；少部分附帶韌帶的膝關(guān)節(jié)有限元模型的韌帶組織的材料性質(zhì)，為了方便有限元模型仿真計(jì)算，默認(rèn)為韌帶的各項(xiàng)同性、均勻、線性，然而真實(shí)情況下的韌帶組織材料都是各項(xiàng)異性、不均勻、非線性的；目前的膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型受限于個(gè)體化材料屬性，缺乏精確的在體邊界條件，無法再現(xiàn)真實(shí)的在體運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型的方法，用于建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算模擬，將有助于了解個(gè)體化膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況，從而模擬臨床研究上的各種問題。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供了建立個(gè)體化膝關(guān)節(jié)仿生韌帶生物力學(xué)模型的方法，所述方法包括：

S1：利用CT和MRT掃描，獲取個(gè)體化膝關(guān)節(jié)中骨組織和韌帶的三維影像原始數(shù)據(jù)；

S2：根據(jù)三維影像原始數(shù)據(jù)，利用三維重建軟件分別重建骨組織以及韌帶數(shù)字模型，并將兩者融合形成個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型；

S3：將所述個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型導(dǎo)入到有限元軟件ABAQUS內(nèi)，分別對(duì)所述骨組織中的股骨、脛骨以及韌帶進(jìn)行體網(wǎng)格劃分；

S4：根據(jù)CT灰度值，對(duì)股骨和脛骨的材料參數(shù)進(jìn)行賦值，將其密度以及彈性模量導(dǎo)入到有限元軟件ABAQUS內(nèi)的所述個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型中；

S5：基于國際生物力學(xué)推薦標(biāo)準(zhǔn)，利用所述個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型，建立膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系；

S6：將韌帶模擬為非線性、各項(xiàng)異性、非均勻的彈性纖維束；利用所述膝關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，計(jì)算獲取膝關(guān)節(jié)韌帶受力與骨組織結(jié)構(gòu)上的力學(xué)關(guān)系；后將個(gè)體化仿生韌帶材料參數(shù)中的韌帶參考長(zhǎng)度、彈性系數(shù)以及應(yīng)變常數(shù)以變化參數(shù)的形式導(dǎo)入到有限元軟件ABAQUS中的所述個(gè)體化膝關(guān)節(jié)數(shù)字模型中；