预测脚踝护具防护效果的建模方法

技术领域

本发明涉及运动损伤防护产品性能测试与评价领域，可以应用于踝部护具领域，尤其涉及一种预测脚踝护具防护效果的建模方法。

背景技术

随着运动健康的理念逐渐强化，消费者对于运动护具的防护性能需求也在逐步提高。护具研发企业在考虑到舒适性和美观性的同时，需要不断提高对于护具防护效果的预测精度。脚踝扭伤大都是过度扭转(内翻、外翻)或超过了关节的承受力造成的急性韧带拉伤。踝部护具通常对踝部施加压力以限制踝部关节活动范围，从而限制韧带的过度拉伸，起到保护作用。对于防护性能的评估，除了主观评价最常用的就是进行运动学测量，比如通过测量运动过程中踝部和护具之间的压力分布来对比不同护具的防护效果。但是踝关节内部作用力的传递以及具体的韧带应变情况仍难以获取真实数据。

随着计算机技术和有限元理论的发展，研究者开始使用数值模型和有限元法分析复杂的踝部结构及其与护具之间的相互作用。借助于数值建模和有限元分析，不仅可以研究踝部与护具结构与功能，而且可以进行踝部防护效果的模拟与预测，获得精确的韧带变化的数据，从而对护具进行防护效果进行精确化表征以及改进。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种预测脚踝护具防护效果的建模方法，解决了传统评价中依赖实物检测及主观评价，从而导致评定结果与实际情况存在较大误差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种预测脚踝护具防护效果的建模方法，包括步骤：

S1：将CT扫描获得的CT图像利用图像处理软件绘制一基本骨骼软组织模型；

S2：基于所述基本骨骼软组织模型，依据解剖学原理，在相应位置建立关节软骨组件与韧带组件，得到完整的一踝部模型；

S3：基于所述踝部模型建立一待测试踝部护具三维模型，并将所述待测试踝部护具三维模型与所述踝部模型进行装配；

S4：通过有限元动态模拟，进行踝部穿着护具状态的连续运动分析。

优选地，所述S1步骤中，所述CT图像采集自踝部无损伤史的成年男性；

所述图像处理软件采用MimicsResearch；

所述基本骨骼软组织模型包括：多个骨骼组件和踝关节软组织组件，所述骨骼组件包括胫骨下端组件、腓骨下端组件、跟骨组件、距骨组件、舟状骨组件、外楔状骨组件、中楔状骨组件和内楔状骨组件。

优选地，所述S2步骤中，所述关节软骨组件指的是胫骨、腓骨与距骨关节面之间的关节软骨组件；所述韧带组件指的是踝关节外侧副韧带组件和内侧三角韧带组件。

优选地，所述S2步骤中，所述关节软骨组件和所述韧带组件均设置为壳体模型。

优选地，所述S2步骤中，所述踝部模型通过将所述基本骨骼软组织模型、所述关节软骨组件和所述韧带组件以统一坐标系作为参照配合起来得到。

优选地，所述S3步骤中，所述待测试踝部护具三维模型通过第一三维建模软件建立，所述三维建模软件采用Solidworks或Magics；

将所述待测试踝部护具三维模型与所述踝部模型进行装配时采用第二三维建模软件，所述第二三维建模软件采用Solidworks。

优选地，所述S4步骤中，所述踝部穿着护具状态是指将踝部模型与所述待测试踝部护具三维模型按照实际穿着状态，以统一坐标系为参考装配在一起；

所述有限元动态模拟基于有限元分析软件Ansys Workbench。

优选地，所述S4步骤中，所述有限元动态模拟步骤进一步包括步骤：

设置材料参数：将骨骼组件、所述关节软骨组件和踝关节软组织组件视为各向同性、均匀连续的线弹性材料，分别输入所述骨骼组件、所述关节软骨组件和踝关节软组织组件的弹性模量、泊松比和密度；

将所述韧带组件视为非线性弹性材料，所述韧带组件通过公式(1)定义：

F＝A(eB×ε-1) (1)；

其中A、B表示材料参数，F表示韧带应力，ε表示籾带应变，e表示自然对数函数的底数。

优选地，所述S4步骤中，所述有限元动态模拟步骤还进一步包括步骤：设置接触关系和划分网格。

优选地，所述S4步骤中，所述连续运动分析是指通过对脚踝相应位置施加约束和载荷，模拟脚踝动态。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明提供的建模方法可以针对不同类型不同材质的护具进行建模，通过将待测试踝部护具三维模型与踝部模型进行装配，模拟脚踝穿着护具的运动状态，得到踝部外表面及内部组织受力情况，从而对护具的防护效果进行预测，降低设计开发成本。由于采用非线性材料模拟韧带，可以得到更真实的韧带变化情况，提高了模型预测精准度。

附图说明

图1为本发明实施例的预测脚踝护具防护效果的建模方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明实施例的一种预测脚踝护具防护效果的建模方法，其展示的是柔性踝部护具的模型，其它如：刚性护具、半刚性护具、运动鞋等类型的踝部防护装置操作方法一致；本申请中展示的是踝部内旋的运动状态，其他运动状态，如：外旋、跳跃等运动状态的操作方法一致。

请参阅图1，本发明实施例的一种预测脚踝护具防护效果的建模方法，包括步骤：

S1：将CT扫描获得的CT图像利用图像处理软件绘制一基本骨骼软组织模型；

S2：基于基本骨骼软组织模型，依据解剖学原理，在相应位置建立关节软骨组件与韧带组件，得到完整的一踝部模型；

S3：基于踝部模型建立一待测试踝部护具三维模型，并将待测试踝部护具三维模型与踝部模型进行装配；

S4：通过有限元动态模拟，进行踝部穿着护具状态的连续运动分析。

S1步骤中，CT图像采集自踝部无损伤史的成年男性。图像处理软件采用MimicsResearch。基本骨骼软组织模型包括：多个骨骼组件和踝关节软组织组件，骨骼组件包括胫骨下端组件、腓骨下端组件、跟骨组件、距骨组件、舟状骨组件、外楔状骨组件、中楔状骨组件和内楔状骨组件。

例如：首先选择选择一名健康成年男性的踝部作为研究对象，利用CT扫描其踝部三维信息获得DICOM格式数据，连续扫描的扫描间距设置为0.1mm。通过阈值的界定-边界的读取-填充腔隙-计算生成3D文件，进行组织识别与三维重建，得到踝部骨骼基础模型，在逆向工程学处理软件Geomagic里对模型进行重画网格操作，将目标边缘的长度设为0.5，使用网格医生工具对模型的钉状物、凹坑进行修补，通过精确曲面将三角形模型转化为曲面模型，生成三维实体模型。以踝部外轮廓为边界对软组织进行三维重建，同样在Geomagic里进行平滑处理和曲面化，得到踝部软组织模型。

S2步骤中，关节软骨组件指的是胫骨、腓骨与距骨关节面之间的关节软骨组件；韧带组件指的是踝关节外侧副韧带组件和内侧三角韧带组件。

关节软骨组件和韧带组件均设置为壳体模型。

踝部模型通过将基本骨骼软组织模型、关节软骨组件和韧带组件以统一坐标系作为参照配合起来得到。

例如：将踝部三维几何模型导入3维建模软件3-Matic中，结合解剖学知识，在对应位置绘制关节软骨及韧带。将骨骼、关节软骨和韧带模型装配到踝部软组织模型中，就得到一个包含骨骼、关节软骨、韧带和软组织的踝部完整模型。

S3步骤中，待测试踝部护具三维模型通过第一三维建模软件建立，三维建模软件采用Solidworks或Magics；

将待测试踝部护具三维模型与踝部模型进行装配时采用第二三维建模软件，第二三维建模软件采用Solidworks。

例如：基于踝部软组织表面形态，在Solidworks中建立柔性全包覆式踝部护具，护具采用壳单元，厚度设为1mm，通过过盈配合，将踝部护具穿戴到脚踝上。

S4步骤中，踝部穿着护具状态是指将踝部模型与待测试踝部护具三维模型按照实际穿着状态，以统一坐标系为参考装配在一起。

有限元动态模拟基于有限元分析软件Ansys Workbench。

有限元动态模拟步骤进一步包括步骤：

设置材料参数：将骨骼组件、关节软骨组件和踝关节软组织组件视为各向同性、均匀连续的线弹性材料，分别输入骨骼组件、关节软骨组件和踝关节软组织组件的弹性模量、泊松比和密度；

将韧带组件视为非线性弹性材料，韧带组件通过公式(1)定义：

F＝A(eB×ε-1) (1)；

其中A、B表示材料参数，F表示韧带应力，ε表示籾带应变，e表示自然对数函数的底数。

有限元动态模拟步骤还进一步包括步骤：设置接触关系和划分网格。

连续运动分析是指通过对脚踝相应位置施加约束和载荷，模拟脚踝动态。

例如：对骨骼、关节软骨、韧带、软组织和护具的三维几何模型分别赋予材料属性：将骨骼视为各向同性、均匀连续的线弹性材料，弹性模量为7300MPa、泊松比为0.3、密度为1.95g/cm

创建相互作用属性，属性设置为接触，将韧带与骨骼、关节软骨与骨骼、骨骼与软组织之间的接触关系均设为绑定，关节面之间由于组织润滑液的存在，将其接触关系设置为无摩擦。建立踝部与护具之间的接触关系，选择踝部软组织外表面和护具内表面，接触方式设为不分离。

创建载荷，首先创建边界条件，即把足底设置为完全固定，然后从脚踝外侧向内对胫骨和腓骨施加内旋角度10°。

划分网格，踝部骨骼为不依赖拓扑线的四面体单元，网格最大值和最小值分别为5和3，关节软骨的网格单元为0.3，单元类型为默认设置；韧带的网格单元为0.5，单元类型为默认设置；软组织的网格单元为不依赖拓扑线的四面体单元，网格最大值和最小值分别为5和2，踝部护具的网格单元设为1，单元类型为默认设置。

创建项目求解，进行数据检查，提交计算，完成后保存计算结果。观察结果，利用可视化后处理模块，观察踝部内旋过程中脚踝与护具作为一个整体运动过程的应力云图及动态画面。查看踝关节外侧副韧带在内旋过程中的应力、应变云图。

完成脚踝护具防护效果的预测模拟。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。