[发明专利]一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法

权利要求书

1.一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用核磁共振或者CT扫描获取实验者的膝关节二维断层影像数据；确保影像设置层厚小于1mm，MRI选择三维脂肪抑制序列；

步骤2：将步骤1的数据文件导入Mimics进行图像分割和三维重建，建立包含骨组织、韧带、关节软组织以及半月板、完整膝关节的三维模型，保存为STL文件；

步骤3：将步骤2得到的STL文件导入GeomagicStudio软件中，对膝关节进行简化三角面片、去除钉状物、修复、松弛、参数化曲面、精确曲面操作，得到光滑的膝关节模型，保存为STL格式；

步骤4：将步骤3得到的STL文件导入SolidWorks装配，并调整装配模型的坐标系；

步骤5：采用ViconT40S动作捕捉系统及测力平台设备对人体下肢行走过程中的髋、膝、踝关节角度及力矩、地面反作用力这些运动学及动力学数据进行采集；

步骤6：结合人体步态规律对人体下肢各关节的运动参数进行处理，记录地面反作用力数据和标记点轨迹数据，运动参数包括：下肢髋、膝、踝关节的屈曲/伸展、内收/外展、内旋/外旋三个主要运动的角度和关节力矩；

步骤7：通过人体运动仿真软件OpenSim建立人体肌骨模型，通过逆运动学及逆动力学解算步骤6得到的数据，计算人体膝关节在步态运动各个时间节点的关节角度和关节力矩；

步骤8：将步骤4得到的模型导入Hypermesh软件中，对膝关节各部分进行单位体网格划分，得到全膝关节网格模型；

步骤9：将步骤8得到的全膝关节网格模型导入Abaqus软件中，定义材料属性，设置接触面属性，半月板前后角也通过tie命令和胫骨绑定约束，以省去设置半月板前后角附着韧带的设置；

根据步骤6得到的膝关节屈曲角度和关节力，关节力矩，在Abaqus软件中设置两个分析步，第一步设置股骨的屈曲角度，让膝关节模型的姿态与运动中对应时刻的膝关节姿态一致；第二步对模型施加相应时刻的关节合力/合力矩，以此获得膝关节运动中的有限元模型；

步骤10：在对有限元模型分析计算时在分析步中设置一个粘性规划系数，结合UVARM子程序使用有限元隐式求解器对有限元模型求解计算，获得膝关节内部接触面的应力应变和格林应变等接触参数的分布情况；重复上述步骤可获得运动过程中任一时刻的膝关节各组织的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测。

2.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤2，具体为：通过设定阈值和区域增长命令，或者使用3D套索工具勾勒出各个组织的轮廓，或者使用布尔运算指令将各个部分分割出来，得到各个部分的三维模型；对于出现的尖锐突起或凹进，利用编辑指令进行边缘修正和补洞处理，使生成的三维模型表面光滑。

3.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，所述的步骤3中，对步骤2中得到的几何模型进行光滑和曲面化、实体化处理。

4.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤4中，调整模型的坐标系，具体是，标准坐标系为：以股骨内外侧上髁中心为原点，X轴垂直于额状面由后往前，y轴垂直于水平面向上，Z轴垂直于矢状面由左往右。

5.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤5具体为：在人体上设置23个标记点，以正常行走姿势沿实验路径前进，设置10台ViconMX红外高速摄像机拍摄标记点的移动，使用3块ATMI测力板实现短周期内足底地面反作用力的采集，动作捕捉系统与测力板连接，实现运动学数据和动力学数据的同步采集。

6.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤7具体为：将步骤6得到的各关节角度数据和地面反作用力数据导入OpenSim软件中，在已有的人体估计模型上标记实验中的23个点，通过整体和局部缩放使模型与实验者的各项测量学参数匹配，确保实验标记点与模型上的虚拟标记点位置误差最小，以通过逆向动力学获取较为准确的关节力矩数据。