[發明專利]基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法

在審

• 申請號: 202110254719.8
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113033045A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 謝紅;劉星辰;國婷婷;張林蔚
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 李慶

本發明提供一種基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法，包括步驟：S1：對人體膝關節進行CT掃描；S2：根據膝關節斷層掃描圖片構建膝關節三維幾何模型；S3：構建骨骼軟組織彈性護膝三維一體模型；S4：將骨骼、軟骨、軟組織、半月板和彈性護膝模型導入Solidworks進行裝配，去除子模型的干涉和錯誤面；S5：在有限元軟件中模擬膝關節和彈性護膝有限元模型的一個步態周期下膝關節模型的屈曲，觀察膝關節模型的應力應變和位移。本發明的一種基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法，可對膝關節在實際運動中對彈性護膝防護效果進行預判，把相關力學參數轉化為產品改進的織物參數，以對彈性護膝的制造提供可行性建議。

技術領域

本發明涉及彈性護膝防護效果的測試與研發領域，尤其涉及一種基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法。

背景技術

由于膝關節復雜的鉸鏈結構和跑步過程中重復屈曲伸直的運動特性，使膝關節非常容易受到損傷，加強在跑步過程中對膝關節的防護已成為人們關注的焦點。彈性護膝作為日常運動防護膝蓋的常規產品，近年來市場占有率居高不下，關于彈性護膝防護效果的預判我國當前還處于空白階段，導致彈性護膝功效性無法準確的預判，這給設計上帶來一定難度。

當前膝關節和彈性護膝的運動學測試及有限元建模，存在以下不足：

從整體性來看，當前有關膝關節彈性護膝的研究大多都是集中于對彈性護膝材料性能的研究。而對彈性護膝生產前其防護效果如何無法得知，這給設計上帶來困難。

從量化數據來看，采用傳統的運動測量無法得知戴上彈性護膝后關鍵部位具體形態變化和無法對其進行量化測量。

從成本來看，與仿真模擬對比，采用客觀實驗進行相關測量，無疑需要更多人力物力財力支撐實驗，增加了成本。

從使用范圍來看，客觀實驗測量只能在彈性護膝制造后檢測彈性護膝的防護效果，而采用仿真模擬，可以在彈性護膝生產前對其防護效果進行預測，從而彈性護膝材料和結構進行改進。

發明內容

針對上述現有技術中的不足，本發明提供一種基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法，可以用于彈性護膝防護效果的模擬與預測，從而對彈性護膝進行改進，以期對彈性護膝的制造提供可行性建議；把人體膝關節三維幾何模型和彈性護膝作為一個整體，研究運動過程中織物與人體之間的力學關系，獲取相關的參數和各類指標，以達到膝關節在實際運動中對彈性護膝防護效果進行預判，進而把相關力學參數轉化為產品改進的織物參數，以幫助彈性護膝的設計與開發，以期對彈性護膝的制造提供可行性建議。

為了實現上述目的，本發明提供一種基于膝關節彈性護膝防護效果的預測方法，包括步驟：

S1：對人體膝關節進行CT掃描，獲得膝關節斷層掃描圖片；

S2：根據所述膝關節斷層掃描圖片，構建一膝關節三維幾何模型；

S3：根據所述膝關節幾何模型構建一骨骼軟組織彈性護膝三維一體模型，所述骨骼軟組織彈性護膝三維一體模型包括一膝關節模型和一彈性護膝模型，所述膝關節模型包括骨骼模型、軟骨模型、軟組織模型和半月板模型；

S4：將所述骨骼模型、所述軟骨模型、軟組織模型、半月板模型和彈性護膝模型導入Solidworks進行裝配，并去除所述子模型的干涉和錯誤面，獲得一膝關節和彈性護膝有限元模型；

S5：在有限元軟件中模擬所述膝關節和彈性護膝有限元模型的一個步態周期下所述膝關節模型的屈曲，觀察所述膝關節模型的應力應變和位移。

優選地，所述S2步驟進一步包括步驟：

S21：把所述膝關節斷層掃描圖片導入MIMICS；

S22：在MIMICS中通過對膝關節設置閾值使得骨骼軟組織得以顯影，通過區域增長、填充孔洞和計算實體的操作構建一膝關節幾何模型，所述膝關節幾何模型包括軟組織構件和骨骼構件；