[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

一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，先建立人體膝關節幾何模型、再采集人體步態信息，最后建立有限元模型，通過有限元仿真得出關節表面的應力分布情況，實現對運動過程膝關節內部生物力學的預測；本發明采用幾何模擬和仿真的手段，將體內膝關節運動學與膝關節解剖模型相結合，將三維運動捕捉系統ViconT40S與Opensim結合仿真分析，利用Opensim可變的人體全身肌骨模型，使其與實驗者的人體測量學尺寸相匹配，有效控制在模擬計算中的誤差，增加逆運動學和逆動力學求解的準確性，使獲得的最終數據更為準確。

技術領域

本發明涉及關節建模技術領域，特別涉及一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，是一種人體在行走狀態下，膝關節的有限元建模方法。

背景技術

膝關節是人體下肢活動的重要樞紐，也是人體關節中最容易出現疾病的關節，其病損會嚴重影響患者的行動能力和生活質量。分析膝關節生物力學和運動特性，對膝關節退行性病變原因，膝關節疾病的治療措施、膝關節假體的設計及精確安置，以及下肢助力系統的設計和應用等多方面的研究都有重要的意義。

目前醫學上對膝關節生物力學分析的方法主要有壓敏片法和染色法等，需要將傳感器植入受試者膝關節內部通過表面測量的方式獲取應力分布，因此要直接測量真實膝關節內部壓力分布十分困難。另一方面對于膝關節有限元模型的研究大多停留在靜態分析屈曲運動的層面上，對于日常運動過程的研究較少。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，旨在建立人體行走狀態下的膝關節三維模型和有限元模型，通過有限元仿真得出關節表面的應力分布情況，本發明采用幾何模擬和仿真的手段，將體內膝關節運動學與膝關節解剖模型相結合，可以預測在運動過程中的軟骨與半月板等組織的生物力學特性。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種運動過程中人體膝關節有限元模型的建立方法，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Geomagic?Studio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Vicon?T40S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；