一种多屈膝角度膝关节有限元模型及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多屈膝角度膝关节有限元模型及其制备方法，属于关节解剖领域。该模型根据健康成人MRI数据逆向重建膝关节主要结构。该模型收集并重建出主动屈曲0

【技术实现步骤摘要】
一种多屈膝角度膝关节有限元模型及其制备方法


[0001]本专利技术属于关节解剖领域，具体涉及一种多屈膝角度膝关节有限元模型及其制备方法。

技术介绍

[0002]膝关节为人体最大、最复杂的承重关节。近年来参与运动的人群不断扩大，膝关节运动损伤发病率也成逐渐增加趋势。随着精准医疗的提出，研究、分析膝关节不同结构损伤需要更精准的生物力学模型。当前，临床中膝关节生物力学相关研究以有限元分析多见，有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)是利用数学近似的方法对真实几何体等进行模拟，通过分析简单且相互作用的小单元即可用有限数量的未知量去模拟无限未知量的真实情况。综合国内外学者现有的针对膝关节解剖结构的有限元研究，可大体总结如下特点：
①
目前的有限元分析模型多为仅基于伸直位膝关节CT和(或)MRI DICOM数据建立的三维实体模型，通过计算机软件模拟不同屈膝角度计算而来。但正常膝关节做屈曲活动时不仅是胫骨相对股骨在矢状方向上的单纯屈曲，同时胫骨还存在冠状方向上的内外翻转以及水平方向上的内外旋转。因此，严格意义上，通过计算机软件模拟不同屈膝角度缺乏一定的真实性；
②
即使有真实的多个不同屈膝角度的模型，也大多是通过尸体研究得来的，仍缺乏一定的临床指导意义。
[0003]我们前期运用有限元分析法，通过分析前交叉韧带在不同屈膝角度时股骨、胫骨足印区应力的分布及变化来寻找前交叉韧带直接纤维止点，并应用于临床，且获得较好临床疗效。目前尚无一种多屈膝角度膝关节有限元模型，以适用于膝关节解剖学习，为模拟膝关节实际情况、研究损伤机制、制定术前规划及临床带教等方面提供了一个少有的、较为真实的膝关节屈伸预测模型。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多屈膝角度膝关节有限元模型及其制备方法，该模型适用于膝关节解剖学习，为模拟膝关节实际情况、研究损伤机制、制定术前规划及临床带教等方面提供了一个少有的、较为真实的膝关节屈伸预测模型。
[0005]为了达到上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0006]一种多屈膝角度膝关节有限元模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1：对健康成人膝关节多屈膝角度MRI扫描，角度分别为：0
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。用二合一数显角度尺分别调整并固定相应角度，放置在被扫描侧下肢，调整下肢角度，使股骨长轴与尺的一端重合、胫骨长轴与尺的另一端重合；将多屈膝角度MRI数据导入Mimics Research 19.0软件中，采用“3D LiveWire”分别重建出相应屈膝角度下股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱壳体模型。
[0008]S2：将S1得到的相应屈膝角度下股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱壳体模型分别导入Geomagic Studio 2015中，去除模型钉状物、交叉三角等多余特征，通过“Exact Surfaces”中的多项功能将股骨壳体模型转换为实体模型：探测并生成并编辑轮廓线，随后自动构造曲面片，自动生成格栅，最后自动拟合曲面，随即生成不同角度下的相应部件几何体模型，存储为IGES文件格式。
[0009]S3：将S2得到的IGES文件分别导入Solid Works 2018中，并分别存储为SLDPRT文件(Solid Works零件)；将不同角度、各自的16个SLDPRT文件导入装配体模块中，点击“Mate”将16个零件坐标系分别与“Origin”坐标系进行匹配；后点击“Evaluate”中“Interference Detection”，对装配体进行干涉检查，确认无干涉后保存为可用于有限元分析的三维数字化几何体模型。
[0010]S4：将S3得到装配好的9个角度三维数字化几何体模型分别导入ABAQUS 2019中，在分析属性中分别建立股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱的材料属性；不考虑骨组织形变，定义为刚性材料；软骨、半月板被定义为线弹性、各向同性的实体材料；韧带被定义为横截面超弹性、各向同性材料；肌腱被定义为横截面超弹性、各向同性材料，材料本构关系为Neo
‑
Hooke模型，其函数如下所示：
[0011][0012]其中，F：变形梯度，J＝detF，C1：胡克常数，D：体积模量的倒数，对于所有韧带、肌腱k/C1＝1000；韧带存在的应变能量函数与纤维变形关系如下所示：
[0013][0014][0015][0016]其中，λ*：胶原纤维伸直的伸长量，C3：指数应力，C4：胶原质非卷曲的比率，C5：伸直的胶原纤维的弹性模量。
[0017]优选的，所述S1中将多屈膝角度MRI数据导入Mimics Research19.0软件中，采用“3D LiveWire”分别重建出相应屈膝角度下股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱壳体模型。
[0018]优选的，所述S2中，Geomagic Studio 2015中将壳体模型转换为实体模型。
[0019]优选的，所述S3中，将实体零件模型导入Solid Works 2018中，将16个零件坐标系分别与“Origin”坐标系进行匹配，保存为可用于有限元分析的三维数字化几何体模型。
[0020]优选的，所述S4中，建立材料属性、设定接触条件、设定边界条件和载荷、划分网
格，根据具体需要进行有限元分析。
[0021]设定接触条件：股骨软骨和半月板、股骨软骨和胫骨平台软骨、半月板和胫骨平台软骨以及髌骨软骨和股骨软骨的接触定义为面
‑
面无摩擦的接触关系；股骨和股骨软骨、胫骨和胫骨平台软骨、髌骨与髌骨软骨、交叉韧带和股骨与胫骨、侧副韧带和股骨与胫腓骨的连接定义为绑定关系；韧带、髌腱和股四头肌肌腱为只可拉伸不可压缩。
[0022]设定边界条件和载荷：该模型的主要目的为分析正常膝关节在主动屈曲0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多屈膝角度膝关节有限元模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对健康成人膝关节多屈膝角度MRI扫描，角度分别为：0
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；用二合一数显角度尺分别调整并固定相应角度，放置在被扫描侧下肢，调整下肢角度，使股骨长轴与尺的一端重合、胫骨长轴与尺的另一端重合；将多屈膝角度MRI数据导入Mimics Research 19.0软件中，采用“3D LiveWire”分别重建出相应屈膝角度下股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱壳体模型；S2：将S1得到的相应屈膝角度下股骨、胫骨、腓骨、髌骨、股骨软骨、胫骨平台内侧软骨、胫骨平台外侧软骨、髌骨软骨、内侧半月板、外侧半月板、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股四头肌肌腱及髌腱壳体模型分别导入Geomagic Studio 2015中，去除模型钉状物、交叉三角等多余特征，通过“Exact Surfaces”中的多项功能将股骨壳体模型转换为实体模型：探测并生成并编辑轮廓线，随后自动构造曲面片，自动生成格栅，最后自动拟合曲面，随即生成不同角度下的相应部件几何体模型，存储为IGES文件格式；S3：将S2得到的IGES文件分别导入Solid Works 2018中，并分别存储为SLDPRT文件(Solid Works零件)；将不同角度、各自的16个SLDPRT文件导入装配体模块中，点击“Mate”将16个零件坐标系分别与“Origin”坐标系进行匹配；后点击“Evaluate”中“Interference Detection”，对装配体进行干涉检查，确认无干涉后保存为可用于有限元分析的三维数字化几何体模型；S4：将S3得到装配好的9个角度三维数字化几何体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彦林，刘德建，杨贤光，贾笛，
申请(专利权)人：昆明医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：