[發明專利]一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法

有效

• 申請號: 202110018622.7
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112733404B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 韓冰;付鵬鴿;劉更;張力;焦妍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

1.一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：利用核磁共振或者CT掃描獲取實驗者的膝關節二維斷層影像數據；確保影像設置層厚小于1mm，MRI選擇三維脂肪抑制序列；

步驟2：將步驟1的數據文件導入Mimics進行圖像分割和三維重建，建立包含骨組織、韌帶、關節軟組織以及半月板、完整膝關節的三維模型，保存為STL文件；

步驟3：將步驟2得到的STL文件導入GeomagicStudio軟件中，對膝關節進行簡化三角面片、去除釘狀物、修復、松弛、參數化曲面、精確曲面操作，得到光滑的膝關節模型，保存為STL格式；

步驟4：將步驟3得到的STL文件導入SolidWorks裝配，并調整裝配模型的坐標系；

步驟5：采用ViconT40S動作捕捉系統及測力平臺設備對人體下肢行走過程中的髖、膝、踝關節角度及力矩、地面反作用力這些運動學及動力學數據進行采集；

步驟6：結合人體步態規律對人體下肢各關節的運動參數進行處理，記錄地面反作用力數據和標記點軌跡數據，運動參數包括：下肢髖、膝、踝關節的屈曲/伸展、內收/外展、內旋/外旋三個主要運動的角度和關節力矩；

步驟7：通過人體運動仿真軟件OpenSim建立人體肌骨模型，通過逆運動學及逆動力學解算步驟6得到的數據，計算人體膝關節在步態運動各個時間節點的關節角度和關節力矩；

步驟8：將步驟4得到的模型導入Hypermesh軟件中，對膝關節各部分進行單位體網格劃分，得到全膝關節網格模型；

步驟9：將步驟8得到的全膝關節網格模型導入Abaqus軟件中，定義材料屬性，設置接觸面屬性，半月板前后角也通過tie命令和脛骨綁定約束，以省去設置半月板前后角附著韌帶的設置；

根據步驟6得到的膝關節屈曲角度和關節力，關節力矩，在Abaqus軟件中設置兩個分析步，第一步設置股骨的屈曲角度，讓膝關節模型的姿態與運動中對應時刻的膝關節姿態一致；第二步對模型施加相應時刻的關節合力/合力矩，以此獲得膝關節運動中的有限元模型；

步驟10：在對有限元模型分析計算時在分析步中設置一個粘性規劃系數，結合UVARM子程序使用有限元隱式求解器對有限元模型求解計算，獲得膝關節內部接觸面的應力應變和格林應變等接觸參數的分布情況；重復上述步驟可獲得運動過程中任一時刻的膝關節各組織的應力分布情況，實現對運動過程膝關節內部生物力學的預測。

2.根據權利要求1所述的一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步驟2，具體為：通過設定閾值和區域增長命令，或者使用3D套索工具勾勒出各個組織的輪廓，或者使用布爾運算指令將各個部分分割出來，得到各個部分的三維模型；對于出現的尖銳突起或凹進，利用編輯指令進行邊緣修正和補洞處理，使生成的三維模型表面光滑。

3.根據權利要求1所述的一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，所述的步驟3中，對步驟2中得到的幾何模型進行光滑和曲面化、實體化處理。

4.根據權利要求1所述的一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步驟4中，調整模型的坐標系，具體是，標準坐標系為：以股骨內外側上髁中心為原點，X軸垂直于額狀面由后往前，y軸垂直于水平面向上，Z軸垂直于矢狀面由左往右。

5.根據權利要求1所述的一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步驟5具體為：在人體上設置23個標記點，以正常行走姿勢沿實驗路徑前進，設置10臺ViconMX紅外高速攝像機拍攝標記點的移動，使用3塊ATMI測力板實現短周期內足底地面反作用力的采集，動作捕捉系統與測力板連接，實現運動學數據和動力學數據的同步采集。

6.根據權利要求1所述的一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步驟7具體為：將步驟6得到的各關節角度數據和地面反作用力數據導入OpenSim軟件中，在已有的人體估計模型上標記實驗中的23個點，通過整體和局部縮放使模型與實驗者的各項測量學參數匹配，確保實驗標記點與模型上的虛擬標記點位置誤差最小，以通過逆向動力學獲取較為準確的關節力矩數據。