[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

说明书

一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，先建立人体膝关节几何模型、再采集人体步态信息，最后建立有限元模型，通过有限元仿真得出关节表面的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测；本发明采用几何模拟和仿真的手段，将体内膝关节运动学与膝关节解剖模型相结合，将三维运动捕捉系统ViconT40S与Opensim结合仿真分析，利用Opensim可变的人体全身肌骨模型，使其与实验者的人体测量学尺寸相匹配，有效控制在模拟计算中的误差，增加逆运动学和逆动力学求解的准确性，使获得的最终数据更为准确。

技术领域

本发明涉及关节建模技术领域，特别涉及一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，是一种人体在行走状态下，膝关节的有限元建模方法。

背景技术

膝关节是人体下肢活动的重要枢纽，也是人体关节中最容易出现疾病的关节，其病损会严重影响患者的行动能力和生活质量。分析膝关节生物力学和运动特性，对膝关节退行性病变原因，膝关节疾病的治疗措施、膝关节假体的设计及精确安置，以及下肢助力系统的设计和应用等多方面的研究都有重要的意义。

目前医学上对膝关节生物力学分析的方法主要有压敏片法和染色法等，需要将传感器植入受试者膝关节内部通过表面测量的方式获取应力分布，因此要直接测量真实膝关节内部压力分布十分困难。另一方面对于膝关节有限元模型的研究大多停留在静态分析屈曲运动的层面上，对于日常运动过程的研究较少。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，旨在建立人体行走状态下的膝关节三维模型和有限元模型，通过有限元仿真得出关节表面的应力分布情况，本发明采用几何模拟和仿真的手段，将体内膝关节运动学与膝关节解剖模型相结合，可以预测在运动过程中的软骨与半月板等组织的生物力学特性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，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Geomagic Studio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Vicon T40S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；