(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210888318.2 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 河北科技大学 地址 050018 河北省石家庄市裕华区裕翔 街26号 (72)发明人 张永弟　贾康　陈佳兴　孙宝钰　 杨光　 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06T 17/30(2006.01) G06T 7/12(2017.01) G06T 19/20(2011.01) A61F 5/058(2006.01) (54)发明名称 膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的 设计方法 (57)摘要 膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的 设计方法， 包括8个步骤。 该基于膝关节前交叉韧 带损伤个性化康复支具的设计方法具有三个优 点： 第一、 对临床膝关节个性化康复支具的模型 设计流程提供参考方案； 第二、 通过计算机虚拟 穿戴仿真分析， 在前交叉韧带损伤时佩戴此支 具， 对临床上膝关节前交叉韧带损伤康复具有积 极意义； 第三、 该个性化支具为柔性支具， 穿戴简 单、 重量轻、 透气性 好、 穿戴受力均匀。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115221761 A 2022.10.21 CN 115221761 A 1.膝关节前交叉韧带损伤个性 化康复支具的设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一， 采集患者下肢膝关节区域CT与MRI医学影 像数据； 步骤二， 采集患者下肢膝关节区域体表三维轮廓数据； 步骤三， 将步骤一、 步骤二得到的多组织人体下肢膝关节数据分别进行三维重构， 得到 股骨、 胫骨、 髌骨、 腓骨、 前后交叉韧带、 内外侧副韧带、 左右半月板、 区域软骨、 体表 ‑肌肉轮 廓模型； 步骤四， 对步骤三得到的各组织 三维模型进行优化处 理； 步骤五， 对步骤四得到的各组织三维模型进行原点重合装配并去 除干涉， 得到膝关节 骨骼‑韧带‑肌肉‑体表完整三维模型； 步骤六， 将步骤五得到的完整三维模型进行网格划分， 得到膝关节三维有限元模型； 步骤七， 将步骤六得到的三维有限元模型进行有限元分析， 模拟临床前抽屉实验， 得到 膝关节骨骼位移情况与各韧带的受力； 步骤八， 根据步骤七得到的有限元分析结果， 设计前交叉韧带损伤个性化康复支具并 拓扑优化。 2.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于， 所述人体下肢膝关节区域CT与MRI影像数据的采集， 具体为使用医学影像扫描仪获取 并保存为DICOM格式的人体下肢膝关节区域CT与MRI影 像数据。 3.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于， 步骤二所述人体下肢膝关节区域体表三维轮廓数据的采集， 具体为使用MetraSCAN   3D 扫描仪扫描并保存为STL格式的人体下肢膝关节区域 三维模型。 4.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于， 步骤三所述三维重构具体为： 将步骤一、 步骤二得到的多组织人体下肢膝关节数据导 入Mimics医学建模软件， 使用Segment模块并选 择Thresholding功能且调节阈值， 得到膝关 节区域多组织完整模型。 5.根据权利要求4所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于， 所述阈值包括 最低阈值和最高 阈值； 最低阈值 为30～90； 最高阈值为226～2310。 6.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤四具体为， 步骤4.1、 将步骤三得到的膝关节多组织 三维模型导入Geoma gic Wrap逆向工程软件； 步骤4.2、 对 模型表面进行钉 状物消除、 减小噪声、 消除相交区域处 理； 步骤4.3、 检查模型破面 孔， 根据模型曲率， 进行孔洞的修复填充处 理； 步骤4.4、 抹除对 模型的多余特 征， 对模型进行光滑处 理； 步骤4.5、 在模型 上绘制轮廓曲线， 对 模型关键区域特 征进行分割； 步骤4.6、 在模型 上构造曲面片， 生成模型边界结构； 步骤4.7、 对 模型进行拟合曲面处 理， 使目标对象生成NURBS曲面； 步骤4.8、 分别导出Stp格式的下肢三维模型。 7.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤五具体为， 步骤5.1、 将步骤四得到的膝关节多组织 三维模型同时导入So lidworks工程软件；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115221761 A 2步骤5.2、 选择装配 体模块中的原点重合， 对 模型进行装配； 步骤5.3、 选择干涉命令， 去除模型干涉位置； 步骤5.4、 导出x ‑t格式的下肢完整三维模型。 8.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤六具体为， 步骤6.1、 将步骤五得到的膝关节完整三维模型导入Ansys  Workbench有限元分析软 件； 步骤6.2、 选择Mesh模块中的网格密度设置， 对模型进行网格划分， 其中将膝关节骨骼 组织与体表肌肉的网格密度设置为5mm， 软骨组织的网格密度设置为3mm， 各条韧带组织的 网格密度设置为1m m； 步骤6.3、 膝关节三维有限元整体模型总共划分的组织单元数为180315， 组织节点数为 311119。 9.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于： 所述步骤七具体为， 对股骨髁连线的中点施加后向134N载荷， 模拟临床前抽屉实验， 观察股骨与胫骨前后位移； 屈曲30°时， 正常和前交叉韧带损伤相比， 前后位移差值 最大为4.07mm； 前交叉韧带损伤时， 后交叉韧带 所受应力增长 3倍。 10.根据权利要求1所述的膝关节前交叉韧带损伤个性化康复支具的设计方法， 其特征 在于： 所述 步骤八具体为， 步骤8.1、 将步骤二得到的膝关节体表模型导入Geoma gic Wrap逆向工程软件； 步骤8.2、 对 膝关节个性 化康复支具关键设计区域进行三角面片选取分割并提取； 步骤8.3、 对 膝关节个性 化康复支具提取区域偏移加厚4.5m m； 步骤8.4、 导出支具模型stp文件至I nspire拓扑优化软件； 步骤8.5、 选择模型优化模块， 根据三点受力原理， 在待优化模型对应区域即胫骨前端 与股骨后端区域施加集中力载荷； 步骤8.6、 拓扑优化 运算， 生成膝关节前交叉韧带损伤个性 化康复支具拓扑优化模型； 步骤8.7、 重构膝关节前交叉韧带损伤个性 化康复支具模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115221761 A 3