[發明專利]基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法、裝置及設備

在審

• 申請號: 202310094112.7
• 申請日: 2023-02-10
• 公開（公告）號: CN116129081A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 蔣炎武;詹子洵;谷天蘊;李正梁;王聰;王雨凡;蔡宗遠
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06T7/64;G06T7/73;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，包括：

獲取目標個體的膝關節中骨組織的三維影像原始數據；

根據三維影像原始數據，利用三維重建軟件重建骨組織數字模型，形成目標膝關節數字模型；

對目標膝關節數字模型進行有限元分析，得到可操作的目標膝關節數字模型；在目標膝關節數字模型的股骨外髁內側面以及脛骨髁前窩上分別選取一組相對應的點，在對應的點集之間插入中間點，并根據前內側束和后外側束所對應的網格點，生成雙變量張量的B-Splines曲面，得到膝關節前交叉韌帶模型；

對膝關節前交叉韌帶模型進行韌帶材料參數優化。

2.如權利要求1所述的基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，所述在目標膝關節數字模型的股骨外髁內側面以及脛骨髁前窩上分別選取一組相對應的點，在對應的點集之間插入中間點進一步包括：

確定目標膝關節數字模型中骨模型的ACL起點和止點，在ACL起點和止點上分別選取一組相對應的點，得到兩組點集p^ori和p^ins；通過以下公式確定對應點的中間點間隔r：

其中，i為點集中第i個點，n為點集中點的數量；

根據中間點間隔r，插入中間點。

3.如權利要求1所述的基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，所述生成雙變量張量的B-Splines曲面進一步包括：

通過以下公式生成雙變量張量的B-Splines曲面S(u，v)：

其中，和分別是B-Spline曲面的兩個B-Spline基點，P_i，j是一組m×n的控制點，m和n表示整個韌帶網格點的規模。

4.如權利要求3所述的基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，對B-Splines曲面的各個控制點分別施加一作用力，所述作用力沿各點骨模型切面法向量的方向，使B-Splines曲面與骨模型分離，得到膝關節前交叉韌帶的面片模型。

5.如權利要求4所述的基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，分別對面片模型中的股骨、脛骨以及韌帶進行體網格劃分，并進行網格敏感度分析，確定網格類型和網格劃分程度，以便優化面片模型的韌帶材料參數。

6.如權利要求1所述的基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真方法，其特征在于，所述對膝關節前交叉韌帶模型進行韌帶材料參數優化進一步包括：

對當前在體膝關節進行多角度抽屜試驗，獲取ACL的拉力Ten_Experiment；

對膝關節前交叉韌帶模型輸入預設的韌帶材料參數，并執行抽屜試驗相同的運動，計算得到ACL拉力的模擬結果Ten_Model；所述韌帶材料參數包括韌帶參考長度、彈性系數及應變常數；

比較Ten_Model與Ten_Experiment，根據比較結果，迭代韌帶材料參數，直到整個抽屜試驗移動過程中，Ten_Model與Ten_Experiment的運動拉力曲線一致，得到目標韌帶材料參數；

將目標韌帶材料參數輸入膝關節前交叉韌帶的面片模型。

7.一種基于面片模型的膝關節ACL生物力學仿真裝置，其特征在于，包括：

數據獲取模塊，用于獲取目標個體的膝關節中骨組織的三維影像原始數據；

膝關節建模模塊，用于根據三維影像原始數據，利用三維重建軟件重建骨組織數字模型，形成目標膝關節數字模型；

面片仿真模塊，用于對目標膝關節數字模型進行有限元分析，得到可操作的目標膝關節數字模型；在目標膝關節數字模型的股骨外髁內側面以及脛骨髁前窩上分別選取一組相對應的點，在對應的點集之間插入中間點，并根據前內側束和后外側束所對應的網格點，生成雙變量張量的B-Splines曲面，得到膝關節前交叉韌帶模型；

優化模塊，用于對膝關節前交叉韌帶模型進行韌帶材料參數優化。